5G基站平臺軟件的挑戰與解決方案

　　1. 行業(yè)背景

　　在通信行業(yè)，隨著(zhù)移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)設備的接入，對于5G通信帶寬的需求呈現出爆炸式的增長(cháng)。如圖1所示，與4G技術(shù)相比，5G數據傳輸的速率和網(wǎng)絡(luò )時(shí)延提高了10倍，而傳輸時(shí)間間隔(TTI)卻從1ms降到了0.2ms，網(wǎng)絡(luò )的容量和基站的密度也都大幅增加。這就要求5G的基站數據處理能力要大幅提高，對5G基站軟件處理的實(shí)時(shí)性提出了更為嚴苛的要求;同時(shí)伴隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化技術(shù)NFV的出現，5G基站的軟硬件結構和4G對比也需要重新構架。

　　圖1. 4G與5G關(guān)鍵指標對比

　　2. 5G基站的技術(shù)演進(jìn)趨勢

　　基于上面的新特性，5G基站出現了新的技術(shù)演進(jìn)趨勢。首先，與傳統4G基站中L1、L2和L3層都放在靠近天線(xiàn)單元的RAN中處理的分布式方式相比，5G C-RAN對L1、L2和L3層的處理更加靠近Cloud端，更加集中。而且針對不同的應用需求，Cloud端與RAN端支持功能模塊結構的不同劃分的集中處理方式。如圖2所示，在5G C-RAN中，既要支持傳統4G基站的分布式處理方式，也要支持將所有功能模塊放在Cloud端的全集中式處理，還支持僅將PHY分布在RAN端而將其它模塊集中在Cloud，以及僅將PDCP集中在Cloud端處理而其它模塊分布在RAN端的半集中處理方式。

　　圖2. 5G C-RAN不同集中式處理方式的功能結構劃分

　　正是因為5G中這種靈活多樣的集中式處理方式，就要求4G向5G技術(shù)演變的過(guò)程中基站的硬件和軟件結構更加靈活多變以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，如圖3所示。

　　圖3. 4G向5G基站技術(shù)演變結構圖

　　其次，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )虛擬化技術(shù)NFV的出現，5G基站也在朝著(zhù)虛擬化的方向演進(jìn), 如圖4所示。虛擬化的優(yōu)勢在于，分布在天線(xiàn)端的BBU可以被虛擬化為資源池,由Cloud端統一進(jìn)行管理和調度，從而優(yōu)化資源的配置和使用。

　　圖4. 5G基站技術(shù)向虛擬化演變結構圖

　　3. 面臨的挑戰

　　作為新技術(shù)，5G也面臨著(zhù)諸多挑戰。首當其沖的就是在數據速率提高10倍的前提下，傳輸時(shí)間間隔(TTI)需要從1ms下降到0.2ms，這就要求基站的處理速度要大幅提升，對軟件實(shí)時(shí)性的要求有了極大的增強;同時(shí)為了滿(mǎn)足C-RAN虛擬化技術(shù)集中化處理的要求，L2層功能結構的不同劃分對應的負載動(dòng)態(tài)變化范圍非常大，對L2層控制面的調度和處理能力有了更嚴苛的要求。上面所面臨的技術(shù)挑戰就要求在5G基站中對操作系統有非常強的實(shí)時(shí)處理能力以及極高的軟件處理性能。

　　同時(shí)，對于虛擬化處理技術(shù)NFV，5G也要求需要有強有力的NFV平臺軟件的支撐，來(lái)實(shí)現各種虛擬化業(yè)務(wù)，并與L2層的實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現完美的融合。

　　4. ENEA面向5G基站的操作系統軟件解決方案

　　在實(shí)現時(shí)，為了滿(mǎn)足5G高帶寬、高數據速率的技術(shù)要求，基帶L1層對運算性能要求極高的功能模塊需要放在運算速度高的FPGA、ASIC以及硬件加速器(HW ACC)等專(zhuān)用硬件器件中來(lái)處理。而L1層其它功能模塊以及L2和L3層則可以放在SoC多核處理器上處理，在上面運行多核實(shí)時(shí)操作系統對多核資源進(jìn)行調度和管理;同時(shí)運行NFV平臺軟件，并根據5G C-RAN不同集中處理方式，對不同的功能模塊進(jìn)行虛擬化，實(shí)現Cloud端對RAN端資源的統一管理。

　　ENEA作為全球領(lǐng)先的實(shí)時(shí)操作系統以及NFV平臺軟件提供商，為5G基站的實(shí)現提供了完備的軟件產(chǎn)品，并基于這些軟件產(chǎn)品提供了多套完整的操作系統軟件解決方案，以滿(mǎn)足5G C-RAN基站技術(shù)實(shí)現靈活多樣的要求。

　　4.1 方案1：Enea OSE RTOS + Enea Linux

　　在該方案中，基帶L1層剩余的對運算要求相對不高的部分以及L2層的全部功能，由于對軟件的實(shí)時(shí)性要求嚴苛，其對應多核處理器上運行實(shí)時(shí)性性能卓越的多核實(shí)時(shí)操作系統Enea OSE RTOS;而L3和O&M運維層等對于實(shí)時(shí)性要求相對寬松，對應的多核處理器上運行嵌入式Linux操作系統Enea Linux。這種方案與傳統基站中基帶和控制層分別跑RTOS和Linux的方案類(lèi)似，如圖5所示。它對應為圖2中Distributed分離式C-RAN基站部署方式。

　　圖5. Enea OSE RTOS + Enea Linux

　　4.2 方案2：Enea OSE RTOS + Enea NFV

　　5G C-RAN中網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化技術(shù)NFV的出現，就要求通過(guò)NFV在同一套硬件處理器上實(shí)現多個(gè)虛擬機，使網(wǎng)絡(luò )設備功能與硬件解耦，以承載更多軟件處理的功能，從而達到資源靈活分配、降低網(wǎng)絡(luò )設備成本的目的。ENEA NFV虛擬化平臺技術(shù)和虛擬化解決方案可以完美地滿(mǎn)足這一技術(shù)需求。在該方案中，基帶L1層剩余的對運算要求相對不高的部分和L2層部分功能，其對應的多核處理器上仍運行多核實(shí)時(shí)操作系統Enea OSE RTOS;而L3和O&M運維層等以及L2層的剩余功能，則通過(guò)ENEA NFV虛擬化平臺技術(shù)在x86或者ARM服務(wù)器上實(shí)現多個(gè)VM虛擬機，在上面實(shí)現虛擬化業(yè)務(wù)，如圖6所示。它對應圖2中PHY Split和PDCP Split集中式C-RAN基站部署方式。

　　圖6. Enea OSE RTOS + Enea NFV

　　4.3 方案3：Enea OSE RTOS as Guest OS + Enea NFV

　　對于5G C-RAN的NFV虛擬化技術(shù)來(lái)說(shuō)，其終極目的是要將運行在多核處理器上L1、L2和L3層的所有功能都進(jìn)行虛擬化，使每一層的資源都能在Cloud端進(jìn)行配置和管理，從而最大限度的發(fā)揮資源調度的靈活性。針對這一終極目的，ENEA也提供了一套軟件解決方案。在該方案中，通過(guò)Enea NFV不但實(shí)現了L3和O&M運維層的虛擬化，還實(shí)現了L1和L2層的虛擬化。在x86或者ARM服務(wù)器上實(shí)現多個(gè)VM虛擬機，各個(gè)虛擬機之間通過(guò)虛擬交換機技術(shù)OVS來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信。而在L1和L2層的虛擬機中，仍然運行Enea OSE RTOS多核實(shí)時(shí)操作系統作為Guest OS，以滿(mǎn)足L1和L2層實(shí)時(shí)性要求，如圖7所示。它對應圖2中Centralized 的C-RAN基站部署方式。

　　圖7. Enea OSE RTOS as Guest OS + Enea NFV

　　5. 結束語(yǔ)

　　5G技術(shù)作為4G的延伸和演進(jìn)，它的推進(jìn)和實(shí)現離不開(kāi)通信設備廠(chǎng)商和操作系統軟件廠(chǎng)商在技術(shù)上的積累與沉淀，以及彼此在軟硬件上的高度契合。作為專(zhuān)注于移動(dòng)通信領(lǐng)域實(shí)時(shí)操作系統和NFV平臺技術(shù)的軟件廠(chǎng)商，ENEA(瑞典宜能)成立于1968年，并于1989 年在瑞典上市，是OpenNFV開(kāi)源組織的主要貢獻者之一。

　　針對5G領(lǐng)域面臨的挑戰和發(fā)展趨勢，ENEA提供了三種全新的、面向5G基站的操作系統軟件解決方案，分別對應5G C-RAN在不同業(yè)務(wù)應用場(chǎng)景下的不同部署方式。包括：

　　? 分布式結構解決方案，與傳統4G基站對應，其具有結構扁平化、容易部署的特點(diǎn)，業(yè)務(wù)場(chǎng)景適合鄉村等網(wǎng)絡(luò )覆蓋廣、人口密度小的地方。

　　? 全集中式結構解決方案，采用了虛擬化NFV技術(shù)，硬件資源的配置和利用到達了最優(yōu)，適合于城市中辦公室、商場(chǎng)、體育場(chǎng)、廣場(chǎng)等人流密集的熱點(diǎn)區域，這些地方對網(wǎng)絡(luò )的速率和性能要求非常高。

　　? 而半集中式結構解決方案，則居于前兩者之間，適合于覆蓋相對較廣、人流相對不密集的場(chǎng)所。