面向6G通感算深度融合的服務(wù)化無線接入網(wǎng)試驗平臺*

李登山，鄭興運，趙力強,2

（1.西安電子科技大學，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學廣州研究院，廣東 廣州 510100）

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的快速發(fā)展，出現(xiàn)了更多業(yè)務(wù)需求，傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)采取傳統(tǒng)點對點的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)固化，針對6G 全息通信、感官互聯(lián)、數(shù)字孿生、元宇宙等新型應(yīng)用[1-2]，無法很好地滿足網(wǎng)絡(luò)的要求。

基于服務(wù)的5G 核心網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用了容器化、服務(wù)化等云原生技術(shù)使核心網(wǎng)具有靈活性和可擴展性。在無線接入網(wǎng)側(cè)引入服務(wù)化的思想[3-6]，使得無線接入網(wǎng)能夠靈活、獨立地實現(xiàn)網(wǎng)元功能，方便更新迭代，因此無線接入網(wǎng)也亟須服務(wù)化[7]，具備開放、靈活擴展的能力。下一代移動網(wǎng)（NGMN,Next Generation Mobile Networks）集成通信、傳感、計算、控制和存儲的功能[8-9]，可以定制化無線接入網(wǎng)服務(wù)，滿足多樣化的服務(wù)需求。

開源平臺OAI（Open Air Interface）已經(jīng)引入了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV,Network Function Virtualization）技術(shù)[10-13]將無線接入網(wǎng)分為基帶處理單元（BBU,Base Band Unit）和射頻拉遠單元（RRH,Radio Remote Head）兩部分。其中BBU 可以運行在通用服務(wù)器上，并且通過USB3.0 接口將USRPB210 與通用服務(wù)器相連來實現(xiàn)RRH 的功能。OAI 平臺還提供了首個開源軟件定義無線接入網(wǎng)（SD-RAN,Software Defined -Radio Access Network）控制器平臺[14-16]。

為了實現(xiàn)無線接入網(wǎng)的服務(wù)化，將控制面拆分為獨立的網(wǎng)元功能，然后根據(jù)業(yè)務(wù)需要定制資源，完成對無線資源的智能控制。并且通過平臺實現(xiàn)驗證服務(wù)化性能。

1 服務(wù)化架構(gòu)

圖1 為服務(wù)化無線接入網(wǎng)[17-18]控制面架構(gòu)圖，包含四層，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化層、功能層和應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層處于系統(tǒng)底層，為系統(tǒng)提供所需的物理資源，包含計算資源如中央處理單元（CPU,Central Processing Unit）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA,Field Programmable Gate Array）；緩存資源如內(nèi)存、硬盤；通信資源如BBU、RRH。虛擬化層負責虛擬化和管理計算、內(nèi)存、通信資源，根據(jù)應(yīng)用可以按需分配和使用虛擬資源，采用了虛擬機和docker 容器技術(shù)。功能層負責控制RAN 的資源、配置和部署，為上層網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實現(xiàn)定制化無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。包括狀態(tài)監(jiān)控功能（SMF,Status Monitor Function）、QoS 分析功能（QAF,QoS Analysis Function）、策略配置功能（PCF,Policy Configurator Function）和無線資源控制功能（RCF,Resource Control Function），應(yīng)用層是功能層實現(xiàn)的控制應(yīng)用，采用了典型的5G 應(yīng)用：增強移動寬帶（eMBB,enhanced Mobile Broadband）、超高可靠和低延時通信（URLLC,Ultra Reliable and Low Latency Communication）和海量機器類通信（mMTC,massive Machine Type of Communication）[19]。

圖1 服務(wù)化無線接入網(wǎng)控制面架構(gòu)

該架構(gòu)借鑒了微服務(wù)、服務(wù)化架構(gòu)（SBA,Service Based Architecture）和5G 核心網(wǎng)架構(gòu)[20]的思想，將控制面解耦，拆分為四個獨立的控制操作邏輯，并將其構(gòu)建為容器化的微服務(wù)，服務(wù)之間通過RESTful API 進行通信，以進行無線接入網(wǎng)的控制，實現(xiàn)可擴展的定制化服務(wù)無線接入網(wǎng)部署與配置。

功能層的四個網(wǎng)絡(luò)功能（NF,Network Function）功能如下：SMF 實時更新無線接入網(wǎng)配置，控制面需要獲取無線接入網(wǎng)的狀態(tài)信息和運行日志，以便感知無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲和資源的使用狀況，計算是否需要更新無線接入網(wǎng)的配置，根據(jù)實時感知調(diào)整資源的配置，進而更好地滿足用戶需求；QAF 根據(jù)SMF 感知的基站信息和接入基站的用戶信息計算基站和用戶的QoS，判斷基站和用戶的QoS 是否滿足業(yè)務(wù)所需的要求，進而發(fā)出更新網(wǎng)絡(luò)配置的請求，更好地應(yīng)對動態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求；PCF 解析QAF 的更新配置請求，識別策略、調(diào)用配置模板并修改模板參數(shù)。接入基站的用戶數(shù)量以及用戶請求都在隨時發(fā)生變化，因此需要實時更新無線接入網(wǎng)的配置，RCF 可以在基站運行過程中實時修改無線接入網(wǎng)的配置，如：基站的帶寬、頻帶、功率，基站調(diào)度用戶的策略、虛擬資源塊（vRB,virtual Resource Block）等，根據(jù)結(jié)果分配資源，以滿足不同業(yè)務(wù)場景的差異化需求。

控制流程將通感算進行融合，一次流程如下：首先SMF 隨時感知基站的信息和接入基站的用戶信息，然后通過服務(wù)化接口將感知到的信息發(fā)送給QAF，之后QAF根據(jù)信息計算是否需要更改無線接入網(wǎng)配置，如果不需要更改則完成一次流程，如果需要更改則向PCF 發(fā)送更新配置請求，PCF 收到請求后會將需要的配置信息修改到模板中并發(fā)送給RCF 完成配置的更新，進而完成一次流程。

2 平臺實現(xiàn)

平臺實現(xiàn)以O(shè)AI 為基礎(chǔ)，首先搭建了一個包含無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和終端的端到端試驗平臺，然后以eMBB 業(yè)務(wù)為例部署了服務(wù)化無線接入網(wǎng)控制面的網(wǎng)絡(luò)功能，最后將平臺部署在docker 容器內(nèi)，利用Kubernetes 進行編排和管理。

2.1 平臺軟件環(huán)境配置

表1 為軟件配置版本，核心網(wǎng)采用了開源項目OAI的openair-cn 平臺，該平臺實現(xiàn)了3GPP 在Release14 中提出的核心網(wǎng)控制面和用戶面分離的特性；無線接入網(wǎng)用戶面采用了開源項目OAI 的openairinterface5g 平臺，該平臺實現(xiàn)3GPP 在Release12 中提出的長期演進（LTE,Long Term Evolution）平臺；服務(wù)化RAN 控制面基于開源項目Mosaic5G 的FlexRAN 平臺，該平臺基于SD-RAN 思想實現(xiàn)了無線接入網(wǎng)的控制面和用戶面分離，對其進行二次開發(fā)，將功能拆分為SMF、QAF、PCF 和RCF 來實現(xiàn)。

表1 軟件配置版本

2.2 平臺硬件配置

表2 為硬件配置平臺所需硬件環(huán)境，包括三臺通用X86 服務(wù)器、一臺通用軟件通用無線電外設(shè)（USRP,Universal Software Radio Peripheral）、一臺小米無線路由器和三臺智能手機，下面對其作用和配置進行介紹。

表2 硬件參數(shù)配置

三臺通用X86 服務(wù)器：分別用于部署核心網(wǎng)、接入網(wǎng)用戶面和接入網(wǎng)控制面，實現(xiàn)一個端到端的移動通信網(wǎng)絡(luò)。

一臺通用軟件無線電外設(shè)：用于實現(xiàn)無線接入網(wǎng)的射頻收發(fā)單元RRH 的功能，通過高速鏈路連接部署了接入網(wǎng)用戶面的服務(wù)器。

一臺小米無線路由器：用于在不同的物理主機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

三臺智能手機：用于模擬終端用戶收發(fā)數(shù)據(jù)流量。

2.3 實驗平臺部署

基于軟硬件環(huán)境配置，對實驗平臺進行部署。平臺利用docker 和Kubernetes 進行部署，每個服務(wù)器為一個集群，將部署了服務(wù)化無線接入網(wǎng)控制面的服務(wù)器作為Master Node；部署了核心網(wǎng)的服務(wù)器作為Worker Node1；部署了無線接入網(wǎng)用戶面的服務(wù)器作為Worker Node2，并通過USB3.0 接口與USRP 連接，將核心網(wǎng)的用戶面功能下沉到用戶的邊緣，減小時延。Kubernetes將預定義的yaml 文件作為模板對平臺進行實例化。

oai-ran 的運行需要讀取一個配置文件，根據(jù)文件的參數(shù)運行程序。該文件包括oai-ran 的IP 地址和端口以及基站運行的一些參數(shù)模式設(shè)置。表3 為幾個重要的演進型基站（E-UTRAN NodeB,eNB）配置參數(shù)：

表3 eNB配置參數(shù)

3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果從下行速率、服務(wù)響應(yīng)時間和平均信令開銷三個方面對比通感算融合服務(wù)化無線接入網(wǎng)和單體式無線接入網(wǎng)平臺（OAI）的性能。

3.1 下行速率

為了對比服務(wù)化無線接入網(wǎng)與單體式無線接入網(wǎng)的性能，實驗通過分別部署服務(wù)化無線接入網(wǎng)與單體式無線接入網(wǎng)訪問業(yè)務(wù)，測試下行速率，結(jié)果如圖2 所示：

因為服務(wù)化無線接入網(wǎng)和單體式無線接入網(wǎng)使用了相同的基站配置文件，所以用戶獲得的帶寬資源相同。從圖2 中可以看出，服務(wù)化無線接入網(wǎng)和單體式無線接入網(wǎng)的下行速率大致相等，所以服務(wù)化無線接入網(wǎng)和單體式無線接入網(wǎng)具有相似的網(wǎng)絡(luò)容量。

3.2 控制服務(wù)響應(yīng)時間

本實驗將服務(wù)響應(yīng)時間定義為向應(yīng)用發(fā)起請求到獲得服務(wù)的時間，包括部署系統(tǒng)、用戶接入、重新配置一次無線網(wǎng)絡(luò)的總時間。服務(wù)化無線接入網(wǎng)平臺采用Kubernetes 技術(shù)基于eMBB 業(yè)務(wù)控制應(yīng)用模板實例化，通過NF 之間相互通信完成該過程；單體式無線接入網(wǎng)平臺通過shell 腳本文件部署docker 容器完成同樣的過程。為了證明服務(wù)化無線接入網(wǎng)平臺可以提升系統(tǒng)的響應(yīng)時間，實驗分別測量單體式無線接入網(wǎng)平臺和服務(wù)化無線接入網(wǎng)平臺控制服務(wù)的響應(yīng)時間對比。每次增加一個用戶接入，分別測量接入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量從0個增加到3 個的服務(wù)響應(yīng)時間，結(jié)果如圖3 所示：

圖3 服務(wù)響應(yīng)時間對比圖

從圖3 中可以看出隨著接入無線網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量的增加，單體式無線接入網(wǎng)的服務(wù)響應(yīng)時間始終高于服務(wù)化無線接入網(wǎng)，單體式無線接入網(wǎng)響應(yīng)時間分別為12.2 s、13.4 s、14.4 s，服務(wù)化無線接入網(wǎng)響應(yīng)時間分別為8.4 s、9.87 s、10.22 s，服務(wù)化無線接入網(wǎng)比單體式無線接入網(wǎng)的服務(wù)響應(yīng)時間降低30%左右。

一方面原因是服務(wù)化無線接入網(wǎng)的每個NF 解耦后獨立性較強，實例化需要的資源和依賴不多且可多個NF 并行實例化；單體式無線接入網(wǎng)的NF 耦合性較強，需要的資源和環(huán)境依賴相較于服務(wù)化無線接入網(wǎng)單個NF 多，實例化時間較長。另一方面原因是服務(wù)化無線接入網(wǎng)配置資源請求執(zhí)行時間相對較短。因此服務(wù)化無線接入網(wǎng)平臺相較于單體式無線接入網(wǎng)平臺可以降低服務(wù)的響應(yīng)時間，提升服務(wù)響應(yīng)速度。

3.3 信令開銷

為了分析通感算融合的服務(wù)化無線接入網(wǎng)控制面的信令開銷，實驗通過分別部署服務(wù)化無線接入網(wǎng)平臺和單體式無線接入網(wǎng)平臺，分別使用抓包工具wireshark，在部署了無線接入網(wǎng)用戶面功能oai-ran 的容器內(nèi)抓取數(shù)據(jù)流量并進行分析。每次增加一個用戶接入該網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量從0 個增加到3 個，分別抓取一分鐘的數(shù)據(jù)包的測量信令開銷，結(jié)果如圖4 所示：

圖4 信令開銷對比圖

從圖4 中可以看出單體式無線接入網(wǎng)平臺與服務(wù)化無線接入網(wǎng)平臺信令開銷均隨接入用戶數(shù)量增加而增加；服務(wù)化無線接入網(wǎng)的SMF 信令開銷不隨接入用戶數(shù)量變化，這是因為SMF 監(jiān)控無線接入網(wǎng)的狀態(tài)信息，由于用戶較少，用戶狀態(tài)信息相對于基站狀態(tài)信息少很多，所以絕大多數(shù)都是基站的狀態(tài)信息和運行日志，所以少量的用戶變化對SMF 的信令的開銷影響不明顯。

單體式無線接入網(wǎng)的信令開銷比服務(wù)化無線接入網(wǎng)的信令開銷小，這是由于解耦產(chǎn)生了部分額外信令開銷，將無線接入網(wǎng)控制面解耦后，需要將原本不同模塊或者文件之間調(diào)用的參數(shù)和處理過程轉(zhuǎn)變?yōu)镹F 之間的數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，增加了數(shù)據(jù)封裝、解封裝和收發(fā)的過程，因此增加了少量的信令開銷。單體式無線接入網(wǎng)的信令開銷與服務(wù)化無線接入網(wǎng)RCF 的信令開銷相近是因為RCF 的功能與原本的控制面相似，都是進行無線資源的分配，區(qū)別只是靜態(tài)分配與動態(tài)分配，抓包時刻用戶正在訪問視頻業(yè)務(wù)，沒有業(yè)務(wù)變化，所以靜態(tài)分配與動態(tài)分配在這里區(qū)別不大。

總體上來說，服務(wù)化帶來的額外信令開銷很小，在30 KB/s左右，解耦后可根據(jù)服務(wù)需求的不同進行輕量化部署，在基站資源可以滿足用戶需求的普通情況下，只需要部署SMF 進行監(jiān)控，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)分析基站資源無法滿足用戶需求時再部署RCF 對無線接入網(wǎng)進行重新配置，配置結(jié)束后又可以終止RCF，這樣做可以減少近一半的信令開銷。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)6G 對多樣化業(yè)務(wù)的支持，通感算融合與服務(wù)化必不可少，本文將無線接入網(wǎng)的控制面解耦，通過試驗平臺證明了服務(wù)化架構(gòu)可以在保證網(wǎng)絡(luò)容量的同時，降低服務(wù)響應(yīng)時間和信令開銷，并且提升無線接入網(wǎng)的靈活性。

相較于單體式無線接入網(wǎng)，服務(wù)化無線接入網(wǎng)增加了存儲的信息，因此對于內(nèi)存有額外的占用，大小與基站當前服務(wù)的用戶數(shù)量成正比，并且智能資源分配算法與各NF 之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換也增加了CPU 的資源消耗。

目前該平臺對于時延沒有明顯提升，其中一個原因是NF 之間需要頻繁地交互，并且各NF 完成的功能都需要控制面接口才能對eNB 下發(fā)指令，未來可以將通感算融合與無線接入網(wǎng)控制面一同實現(xiàn)，進而減少時延。