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基于5G小基站的虚拟化场景与应用分析

摘 要：在4G移动网络搭建中，小基站开始逐渐崭露头角，它的信号覆盖范围相比传统宏基站要小很多，并主要运用在4G流量需求特别高的室内区域用于数据分流，以提升用户体验。而在5G时代，随着信号频率的进一步提高，借助于自身在发射功率、部署方式和覆盖范围等方面的优势，5G小基站将发挥更大作用。基于此，本篇文章对基于5G小基站的虚拟化场景与应用分析进行研究，以供参考。
关键词：5G;小基站;虚拟化;应用分析
0 引言
在通信行业，虽然网络虚拟化的概念早已经开始研究，但是现在的应用主要还在核心网领域，因为典型的核心网网元与无线接入网由于本身的功能特点不同，对虚拟化环境有不同的要求，加上业务场景的变化和实际部署性能、成本考虑等，从而导致接入网设备对虚拟化设施的架构和实现提出了不同的要求和这方面研究的缺失。本文简要分析了传统网络设备中无线接入网部分的特点，结合5G室内小基站部署的场景，给出了典型的虚拟化平台架构及未来发展趋势。
1 小基站角色定位的转变
在5G网络建设的初期，为迅速推广5G以满足居民的正常体验，运营商在5G的信号覆盖上多采用宏基站覆盖的方式。然而到后期，随着室外可用站址的逐渐减少、新站址的谈点难度增加、密集区域流量的逐渐增加，可增加小基站以补盲和解决话务密度问题。小基站的价值在于可以解决宏基站的难题，例如对站点条件要求较高、覆盖深度不够等。通过在人群和建筑密集的地方增加小基站，有针对性地对宏基站信号弱覆盖的区域进行补充，确保5G信号的质量。在流量热点地区，小基站因为其灵活性对选取站点的条件较低，也可以在更小范围内提升容量，帮助宏基站分流。此外，小基站的体积较小，部署方式较为简单，建设成本也较低。
2 基于通用服务器的5G小基站架构与应用
（一）开放架构的5G小基站
近期，以O-RAN（Open-RadioAccessNetwork，开放无线接入网）联盟及TIP（TelecomInfraProject，电信基础设施项目）等为代表的倡导接入网开放的联盟组织，陆续发布有关接入网开放设备的标准推动及试商用信息。其中，O-RAN联盟的目标是实现无线接入网的接口开放化、硬件白盒化、软件开源化和网络智能化，以降低接入网成本、推动无线接入网架构开放与智能为出发点。2019年初，日本乐天移动首批4G基站开通，计划以全IT化的方式建设4G/5G网络，通过基站虚拟化、白盒化，建成端到端的云原生移动网络。另外，在“TIP2019峰会”上，沃达丰发布了对欧洲超过十万个开放基站的采购指标，并要求供应商遵循O-RAN技术规范。2020年初，土耳其电信、IpT（秘鲁电信运营商）等多家运营商先后宣布将采用软硬件解耦的方式来实现5G网络部署。
（二）5G室内专网特点
对于室内行业应用要更加丰富的5G支撑网络，因为垂直行业应用都有其自身的需求点，即需求肯定是碎片化、复杂化的，很难用统一的网络部署方式满足这些所有差异化的客户需求。例如，智慧矿山的关键需求是：井下远程高清视频、危险作业面的稳定可靠的无人挖矿、矿井设备运行状态监控、井下人员资产信息的实时定位、自动化巡检等;而智慧工厂的关键需求是数据不出厂的安全需求、确定性大带宽低时延需求、泛在网络融合的需求。即各种应用关心的点是不一样的，这些应用对设备的功耗、体积、认证需求也都不一样，如矿井下面的设备，只做入网认证不够，还要做防爆认证、煤安认证等。但对于行业关心的是，如何真正高效、全面地满足其应用场景的所有需求。
（三）面向室内小基站的虚拟化场景分析
虚拟化主要是对计算或者存储资源进行集中部署和分配，从而提高资源利用率和分配效率。目前虚拟化应用最多的是数据中心，对服务器进行池化，这就要求一定数量的服务器进行集中部署。考虑到基站部署要根据业务和覆盖需求因地制宜，同时考虑室内小基站的覆盖能力，基于通用服务器的5G小基站主要面向两种场景：室内公众网络和区域行业应用。
面向垂直行业的5G应用与公网不同，尤其是工业园区，对网络性能指标及对设备功耗和体积的要求相对宽松，成本方面相对公网也没有那么敏感，但是业务多样性增加，希望网络能够提供定制化的服务。同时，由于区域相对集中，更适合根据需要对BBU进行集中部署。这种场景下，小基站部署时适合采用虚拟专网的形式进行网络部署，用于满足5G中多种业务能力的灵活需求，而采用云化、虚拟化技术，可以实现无线网络资源的池化共享，进行快速部署，同时还有利于他们尽快、便捷地实现虚拟无线接入网（VirtualRadioAccessNetwork，vRAN）与MEC/UPF（UserPlaneFunction，用户面功能）的共平台部署，以及未来平台的升级拓展，从而满足多种业务对于无线底层基础资源的弹性伸缩需求，实现池化增益和规模效益。
3 虚拟化技术发展与应用
虚机较容器的发展更早，因此商用时间长，产品比较成熟，目前最具代表性的商业系统虚拟化软件系列VMwareESX来自美国的威睿公司，从虚机的底层支持到应用管理都有完善的解决方案。此外，也有众多的开源解决方案，很多厂家基于这些开源项目建设自己的应用平台进行应用，这里其中最重要的就是KVM（Kernel-basedVirtualMachine）和OpenStack（云计算管理平台）。KVM是一个开源的系统虚拟化模块，它使用Linux自身的调度器进行管理，核心源码很少。虽然KVM需要硬件支持，但是使用通用服务器的小基站可以很好地適配这个需求。OpenStack即开源云计算管理平台项目，利用它可以根据自己的需要来搭建基础设施，同时可以自由地扩充集群规模。这些开源项目的兴起为开发自己的虚拟化平台提供了条件，同时这些项目又有良好的标准化基础，使得不同厂家的平台应用很容易实现兼容。
4 vRAN虚拟化平台架构及应用
（一）虚拟化平台架构
虚拟化平台包括虚拟层、虚拟化应用和虚拟化控制管理功能以及相应的基础硬件支持。其中，基站软件对硬件存储要求很低，重点考虑的是虚拟层对存储空间的需求，只需要本地存储保障一定数量的容器/安全容器启动运行，并具备相对的可扩展性。虚拟层主要为上层应用提供虚拟的计算和网络转发功能，其中，虚拟计算单元由Docker容器/安全容器实现，Docker容器需要在操作系统中配置Docker-runtime，安全容器使用Kata-container，需要配置Kata-runtime，它的优点是与Docker类似，为了接入K8S，接口需要支持容器运行时接口（ContainerRuntimeInterface，CRI-O）。Kubernetes则针对容器/安全容器提供了虚拟化应用实例的管理、编排功能。虚拟交换功能使用开源虚拟交换机（OpenvSwitch，OvS）实现，主要依赖数据平面开发套件（DataPlaneDevelopmentKit，DPDK）技术。虚拟层运行在操作系统上，考虑可用和稳定性，服务器的操作系统可以选择CentOS，在CentOS上需要实现对虚拟层的支持，包括实时内核（real-timepreemptionpatcheset，在低延时的基础上通过几种手段（高精时钟、中断线程）尽量达到硬实时要求）、容器运行时、标准容器接口、主板管理等。
（二）低成本方案应用于公众网络
公众网络的主要需求是在满足性能和覆盖等无线网络指标基础上尽量实现成本最优化，这种应用场景对于5G扩展型小基站的应用要求与传统设备的需求方向一致，性能、成本、功耗、体积和可靠性是主要指标需求。针对公网室内覆盖部署，为了能替换传统无源室分方案，降低设备成本，基于软硬件解耦的5G扩展型小基站的基带硬件可考虑采用低规格、定制化的单机版服务器，软件基于非虚拟化的物理机运行，可以兼顾性能和成本。
5 小基站发展现状及未来部署
（一）小基站发展现状
相较于国外，国内的小基站发展相对较为缓慢，根据运营商的推广进度，设备商的重点在宏基站上。目前来看，涉足小基站的有主流电信设备厂商、中小型设备厂商。华为、中兴、爱立信等电信设备厂商在小基站市场在研发都投入较大并且强调“宏基站+小站”的协同配合。
（二）未来发展
在小基站发展的过程中，5G白盒化受到业界的高度关注，运营商们也纷纷致力于白盒化基站的探索。网络的变革也已经从不断升级开发核心网的功能，转向逐步改造接入网设备，使其更加小型化、智能化。对于运营商来说，白盒化可以改变以往无线接入网领域的设备软硬件一体化、与核心网紧耦合化的特点。可以降低成本，也使得网络的建设规划方案具有更多的可能性，同时能够响应不同2B、2C的业务需求。相信在未来的发展中，在运营商的共同推动下，5G小基站能够发挥其更大的价值。
6 结束语
在5G部署场景中，面向室内覆盖的有源小基站成为重要技术方案之一。其中，5G扩展型小基站可以作为接入网开放的突破口，通过基站设备的软硬件解耦迈向更开放和智能的网络发展阶段。本文对开放架构的5G扩展型小基站的实现方式进行总结与展望，不同切分方式的实现方案都可以通过虚拟化基带处理功能，达到提升系统灵活度的目的。针对不同应用场景，开放架构的小基站有利于提供差异化的设备类型，从而实现个性化服务。
参考文献
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-全文完-