5G网络架构与无线网虚拟化

5G引入虚拟化技术实现无线网灵活可控、开放可定制目标，也契合运营商网络转型方向。通过分析5G无线网架构，研究虚拟化技术在无线网中的应用，并介绍了运营商典型的无线网虚拟化方案，为组建面向业务、高度智能的5G网络提供借鉴。

1 概述

未来5G网络因为频段和业务的需求，将呈现出密集、复杂的网络结构，基站数量和部署密度将远超现有4G网络。随着SDN/NFV(Software Defined Network/Network Function Virtualization, 软件定义网络/网络功能虚拟化)技术的不断发展，移动网络核心侧设备的虚拟化技术已经逐渐成熟，随着软硬件技术和能力的不断增强，各大厂商和运营商也开始研究无线侧虚拟化。为了提供一个能够面向应用、开放灵活、低成本和易维护的网络，无线接入侧网络虚拟化研究成为了业界研究的热点。

2 未来无线网络架构

2.1 5G无线网架构

3GPP的5G NR(New Radio, 新无线接入技术)架构如图1所示[1](核心网架构和网元详见文献[3]), gNB基站为终端提供NG的用户面(UP, U-plane)和控制面(CP, C-plane)，eLTE eNB(升级后的LTE基站)基站为终端提供E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access, 演进的全球陆地无线接入)的用户面和控制面，在标准规范里会同时提供NR和E-UTRA的用户面和控制面。gNB(5G基站, 3GPP只命名未给出定义)之间、eLTE eNB之间、NR与eLTE eNB之间通过Xn接口互连。基站与核心侧网关(NG-CP/UPGW)通过NG接口实现多对对连接。

图1 5G NR架构

5G建网初期，为了节省投资和快速组网，采用3GPP的option3/3A的可能性会较大，通过eLTE eNB接入LTE核心网EPC，实现5G高速率业务，之后随着网络演进，逐步过渡到option7/7A和option5架构(纯5G架构)。

2.3 CU/DU切分

5G将无线基站切分(split)成两个逻辑功能实体：CU(Centralized Unit, 集中单元)与DU(Distributed Unit, 分布单元)，架构如图2所示[2]。

gNB由一个gNB-CU 和一个或者多个gNB-DU组成，gNB-DU根据分离功能的设置，实现gNB的功能，其功能实现由gNB-CU进行控制。gNB-CU与gNB-DU之间通过F1接口连接。CU侧重于无线网功能中非实时性的部分(主要是无线高层协议，并承接部分核心侧的功能)，便于实现云化和虚拟化;DU负责除CU功能之外的所有的无线侧功能，侧重于物理层功能和实时性需求，目前尚不适用于功能的虚拟化，可采用专用硬件实现。

3GPP TR定义了8种[1]CU/DU切分方案(option1-option8)，逻辑位置分别在RRC、PDCP、RLC(分两层)、MAC(分两层)、PHY(分两层)之后，其中option2为高层切分方案，是标准化重点，DU的部分物理层的功能可以上移至RRU完成。CU可与MEC(Mobile Edge Computing, 移动边缘计算)共同部署与相应的DC机房，实现业务快速创新和快速上线，也节省了DU至RRU(Remote Radio Unit, 远端射频单元)的传输资源。

图2 NG-RAN 架构图

CU/DU分离的好处是：

(1)有效降低前传的带宽需求(DC本地流量卸载/分流);

(2)提升协作能力、优化性能;

(3)灵活的硬件部署降低成本，支持端到端的网络切片(slice);

(4)部分核心侧功能下移;

(5)降低系统时延。

2.2 UP-CP分离

5G需求对时延的要求非常高，需要将相关的网元下沉(对应于运营商网络重构中的边缘DC和边缘DC)，网元数量剧增，势必会造成网络的复杂度(由类似“树”型结构变成MESH结构)，导致运营商投入巨大，信令的迂回也是很大问题。因此，5G网络将控制面与用户面的分离以适应SDN架构的需求，支持网络可编程、可定制，将控制逻辑集中到控制面：

(1)降低分散式部署带来的成本，解决信令迂回和接口压力的问题;

(2)提升网络架构的灵活性，支撑网络切片;

(3)便于控制与转发分离(LTE实现控制与转发分离，但是不是完全的UP-CP分离[14])，方便网络演进和升级;

(4)支持多厂商设备的互操作[1]。结合了UP-CP分离和CU/DU分离的5G RAN网络架构如图3所示，CU/DU切分采用option2方案。

图3 5G RAN逻辑功能

从以上分析可以看出，5G无线网架构为运营商未来网络重构做好了准备，CU/DU切分和UP/CP分离，可以为无线网络虚拟化及MEC提供较为完善的网络结构。

3 无线网虚拟化技术

无线网的虚拟化从两个方面分析，即网络资源虚拟化和网络功能虚拟化。网络资源虚拟化是对移动网无线侧的频谱资源、功率资源、空口(容量)资源进行虚拟化，网络资源虚拟化的结果作为网络功能虚拟化的基础;网络功能虚拟化是对无线接入网的数据单元和控制单元以及部分核心侧的功能虚拟化。通过这两个方面的虚拟化，实现对无线网资源的有效调度和利用，从而提升资源使用效率并很好地支撑5G网络切片。无线网络虚拟化与承载/核心网络虚拟化相比，结构和特性更加复杂，不仅要考虑无线环境的不确定性、系统内外的干扰、信令调度开销以及高速移动性等问题，还要考虑前传、中传和回传网络的容量和时延限制问题。

3.1 无线资源虚拟化

无线资源包括频域资源、时域资源、空域资源和功率资源等，以及传输带宽等资源。对无线资源的虚拟化，是通过SDN/NFV技术，将这些资源池化，通过映射等手段，使得对无线网资源的调度和配置与具体的网络资源无关，即调度和配置时对无线网络资源进行屏蔽，从而达到对无线网资源的最大化利用的目的[4]。

图4 网络资源虚拟化

（编辑：ASP站长网）