基站虚拟化技术研究
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基站虚拟化技术研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
王友祥，李轶群，李福昌，冯毅：中国联通网络技术研究院。
张 澜：中讯邮电咨询设计院有限公司。
摘要：采用通用硬件平台，通过虚拟化技术实现软硬件解耦，使得网络具有灵活的可扩展性、开放性和演进能力。通过将网络功能虚拟化，实现对时域、频域、空域、功率域等无线资源的灵活切片与共享，形成虚拟移动网络，最大化空口资源利用率的同时，基于定制化需求提供保障带宽，支持物联网、虚拟运营商等灵活动态低成本的网络部署要求。
前言
随着网络技术的不断更新、数据业务种类的多样化，智能终端应用的不断推广，用户对运营商的业务提供能力及网络服务能力提出了更高的要求。在满足不断增长的用户需求的同时，移动通信行业的发展面临着效率、成本和环保的压力，建设高效、经济、可持续发展的精品移动通信网络，成为运营商提升核心竞争力的关键。为了建设低成本的精品网络运营商将面临几大难题：首先，大规模的基站建设需求与有限的建网投资的冲突；其次，网络建设需要大量站址及配套资源，使得建网质量及建网速度面临巨大考验；同时，响应国家节省资源、保护环境的号召，如何有效降低网络能耗、实现节能减排，已经成为运营商建网的重要目标。
现有以软件无线电为基础的基站系统部分地解决了运营商同时运营多种标准的需求，但是在多标准直接共享处理资源、动态业务均衡负载方面，尚不能满足运营商未来灵活运营的需求。通过虚拟化技术，在通用平台上实现物理基站的各种功能，可以实现无线资源虚拟化，实现对时域、频域、空域、功率域等无线资源的灵活切片与共享，提升了基站处理能力和效率，大幅降低成本和提升系统性能。同时，统一的硬件平台能够为系统的管理、维护、扩容和升级带来诸多便利。
基站虚拟化演进
1、BBU池组化架构演进
传统无线接入网由独立的基站组成，每个基站连接若干固定数量的扇区天线，并覆盖小片区域，每个基站只能处理本小区收发信号，各个基站独立工作，通过蜂窝式的建站，一组基站可以提供一段连续区域的网络覆盖。基站通常都是基于专有平台开发的“垂直解决方案”，专有平台不利于不同标准间的兼容和升级。传统无线接入网不共享处理能力，平均负载较低，会带来网络潮汐效应和不平衡的业务分布，导致网络资源的严重浪费。
随着无线通信的发展，用户对于数据传输的需求日益增长，传统蜂窝网络在建设运维成本、能耗等方面的弊端也逐渐凸显。为适应用户需求，未来无线网络架构需要朝着低能耗、低成本、高效率的方向发展。基带池组化RAN架构是未来无线网络的主要发展方向之一。传统网络中，每一个（或几个）基站均需要有独立机房，基带池中一定数量（几十、上百甚至上千）的BBU被集中放置在一个大的中心机房，这对降低站址选取难度、减少机房数量、共享配套设备（如空调）等具有显而易见的优势。基带池中，基站不再是一个独立的物理实体，而是池中部分处理资源的抽象，网络根据每个基站服务区域的实际业务负载，动态地进行资源分配。
2013年，ETSI NFV工作组发布了网络功能虚拟化NFV应用场景白皮书，介绍了9个不同的用例，其中包括移动基站虚拟化，并给出了图1所示的LTE BBU集中化RAN架构示例。在白皮书的定义中，基站虚拟化旨在利用IT虚拟化技术，在标准的IT服务器、存储和交换机上实现RAN部分甚至全部功能，通过基站虚拟化实现不同系统的RAN节点之间的资源共享、动态分配以及能耗降低。
图1 LTE BBU集中化RAN架构示例
2、基站虚拟化特点
目前，4G网络已经进入成熟商用阶段，5G网络研发进程也在加速，而2G、3G退网没有明确的时间点。在未来5~10年内，多制式、多频段共同运营已经成为主流运营商的共识。为进一步优化网络建设和运营成本，多模基站被广泛采用。现有的多模基站在站点解决方案层面基本解决了运营商同时运营多种移动通信标准的需求，但不同厂家的基站设备均是基于私有、专用的硬件处理平台，且软、硬件紧密耦合在一起，在基站硬件处理平台的开放性、网络层面的动态负荷均衡和节能降耗等方面，还没有完全达到运营商的期望。
2015年6月，在ITU提出的5G愿景中，明确提出支持增强移动宽带（eMBB）、海量低功耗连接（eMTC）和低时延高可靠连接（uMTC）三大场景，不同的场景对未来5G网络的要求各不相同，为了支持业务快速部署、满足未来业务差异化、定制化需求，虚拟化已成为移动网络演进的必然趋势。采用通用硬件平台，基于云构架的虚拟基站，可以根据基站的网络负载，实现动态调度集中式基带池中的处理资源给不同的虚拟基站或不同制式的网络，从而很好地解决运营商灵活运营的需求。
虚拟化基站应满足如下四大特点：通用化、抽象化、标准化、绿色。
a）通用化：虚拟化基站采用统一的硬件平台，可通过软件配置来支持不同的空口标准，任何一种标准的网络更改配置或升级对其他制式没有影响。真正的虚拟化基站的无线标准与基站的关系应该是同应用程序与服务器的关系一样，任何一种无线技术的应用、运维、升级、退出服务，不需要复位整个基站，同时基站的各种资源在多种无线技术间实现共享。
b）抽象化：基站物理资源抽象成为一个虚拟的计算平台，可以更好地支持多种空口标准，为移动运营商在网络管理、运维、升级、扩容时带来切实的便利，同时在运营商重新规划网络（refarming）时可以保护其原有投资。在发展方向上，基带处理单元的集中放置为抽象化的虚拟基站提供了一个基础，在这个基础之上再实现硬件设备的虚拟化，多个硬件设备通过灵活的资源组合构造虚拟基站实体是虚拟化基站的发展方向。
c）标准化：虚拟化基站符合相关的国际标准，具有开放的架构和统一的接口。虚拟化基站最核心的是架构与接口，而对具体使用的硬件没有限制，可以基于通用处理器，也可以基于专用处理器，或者采用通用处理器加通信协处理单元的方式，只要其硬件符合相应的工业标准、可被上层软件包装成为统一的运算模块就可以。符合标准化、工业化的大规模生产的产品可以切实降低运营商的采购与维护成本。
d）绿色：虚拟化基站具有高性能、低能耗的特点。随着无线数据的爆炸性需求、新技术与新频谱的使用、站点密度越来越高，无线运营商越来越强调虚拟化基站的单位能耗，高性能、低能耗肯定是虚拟化基站的发展方向。
基站虚拟化系统架构
未来无线网络将长期面临多种制式共存，包括3G、4G、5G，以及Wi-Fi等非授权频谱的接入技术，网络越来越复杂；其次，未来的移动网络需要支持多类型业务，各业务对速率、连接数、时延等网络性能指标要求差异极大。针对无线异构网络面临的扩展性、灵活性、可控性以及融合问题，通过RAN功能虚拟化、资源云化和管理弹性化的云架构设计，解决不同业务的差异化功能需求，支持网络的快速弹性扩容和部署的能力。
基站虚拟化采用通用化高性能处理平台，通过虚拟层将硬件资源抽象为归一化的虚拟资源提供给不同的基站功能软件调用（见图2）。虚拟化基站主要由虚拟化基础设施、虚拟网络功能和虚拟化基站编排器3个域构成。
图2 基站虚拟化系统架构
a）虚拟化基础设备包括计算、存储和网络硬件资源与其相应的虚拟化资源以及虚拟层，支持虚拟网络功能调用，比如通用计算设备、交换、存储设备，也包括专用射频设备、天线等。
b）虚拟网络功能是无线协议功能的软件实现，运行于虚拟化基础设备之上，比如LTE协议栈功能、MEC等的逻辑实现。虚拟网络功能利用虚拟资源设备层提供的虚拟资源，根据不同厂家的镜像，构建不同的虚拟网络功能。由于虚拟网络功能遵循标准的协议、信令和接口，满足互通要求。
c）虚拟化基站编排器实现对虚拟化基础设备和虚拟网络功能的管理，支持虚拟化的物理/软件资源和虚拟网络功能的生命周期管理。
虚拟化技术实现网络的各功能模块化，网络可以根据不同的业务需求调度不同的功能模块，实现业务的快速部署和灵活组合，同时也可以根据未来新的创新及多样性需求，进行快速开发、测试和灵活部署，实现新的功能。
关键技术和问题
1、软硬件解耦
传统的基站设备硬件和软件紧耦合，硬件和软件来自同一个厂商，而采用虚拟化技术的虚拟基站设备，实现硬件和软件的解耦，虚拟网络功能、通用服务器等硬件设备通常来自不同的厂家，因此软硬件解耦，多厂家设备兼容成为必要条件。
采用虚拟基站组网时，基站的处理资源进行封装抽象，可以根据业务需求构建多个逻辑功能完整的虚拟基站系统，动态地共享资源，并能够按需生成和取消，实现资源和基站功能的解耦，满足动态资源分配和管控的需要。针对未来新业务部署时，可根据业务特性动态地配置协议栈，满足差异化服务和快速部署的需求。
2、支持灵活的前传接口设计
在ITU的5G愿景中，明确提出支持增强移动宽带（eMBB）、海量低功耗连接（eMTC）和低时延高可靠连接（uMTC）三大场景，不同的场景对未来5G网络的要求各不相同，这些要求可从3个性能维度来区分：吞吐量、时延和连接数。具体数值方面，5G用户体验速率可达100 Mbit/s~1 Gbit/s，以支持移动虚拟现实等“极致”体验，峰值速率可达10~20 Gbit/s；连接数密度可达100万个/平方千米，有效支持海量的物联网设备接入；传输时延低至1 ms量级，适应工业控制的严格要求；显然，5G网络将比现有的网络更复杂，其流量模型也将在空间和时间维度变得极其复杂和极其不规则。
从未来5G网络新技术引入的角度分析，越来越多的新技术和新特性将会出现以提升用户带宽、网络容量、业务时延等性能，从而应对上述新的应用需求。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，作者进一步指出，首先，随着无线带宽和天线数增加，现有BBU和RRU间传输带宽急剧增加；其次，面向低时延和高带宽的上层业务需求，业务下沉和核心网功能边缘化趋势明显。在考虑业务命中率的前提下，将业务下沉至BBU集中部署机房是对业务命中率和业务时延需求的一种折中选择。在这种情况下，高带宽、低时延的前传网络是满足上层业务需求的基础。
因此，虚拟化基站根据实际前传的传输条件不同，可以对基带处理资源的功能进行灵活划分，即对BBU和RRU之间的功能划分进行重定义，相关的BBU和RRU之间的接口也需要进行重新设计，图3所示为4种不同的功能切分方案。
图3 BBU功能切分
3、弹性无线资源管理
未来不同的应用场景对无线网络吞吐量、时延、用户连接数和可靠性的要求都存在不同。基于虚拟化的未来通信网络，在垂直方向上网络架构自下而上可分为统一的底层基础设施平台、虚拟化资源池以及业务网络域。虚拟化资源池可以实现对网络资源的统一管理、统一分配、统一部署和统一监控，使得整个网络可以根据负载情况进行虚拟网络功能的动态扩容或缩容，是实现网络动态控制及网络智能化的基础。
基于虚拟化的基站可以针对不同的用户和应用提供差异化的服务，保证用户性能。虚拟化的数据面根据业务特征和流量分布部署虚拟功能网元，接下来将物理资源映射到逻辑数据平面拓扑结构上，资源映射包括传输资源和无线资源，无线网络实时地调度管理传输资源和无线资源。弹性无线资源管理技术可以动态地在物理资源间进行复杂均衡，按需部署处理功能，实现网络资源的统一管理和灵活调度。
4、硬件能力要求
基站需要具备较强的信号处理能力，保证处理的实时性，特别是需要做大量信号处理运算的物理层。基带处理使用虚拟化技术时，需采用高性能通用处理器或专用加速硬件，达到实时处理的虚拟化，保证达到信号处理的能力要求。虚拟基站具有开放的架构，不论是基于通用处理器，或采用通用处理器加信号加速处理单元，都需要符合相应的工业标准，能够向上提供统一的、共用的标准接口，使得NFV相关的软件可以任意部署在硬件设备之上。
结束语
无线网络通过基站的池化与虚拟化，以及无线技术与IT的融合，构建一个能够满足实时性要求、高可靠的云架构。无线网络利用了IT技术打造出基于通信系统的开放云架构平台，较传统的基于专有处理系统的架构平台，可以帮助运营商降低硬件成本、提高资源利用率，能更好地支持未来新标准、新业务，同时支持能力开放的要求。
以上是关于基站虚拟化技术研究的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章