隨著 5G 最終到達終端消費者，無線通信的世界即將發生變化。5G 最大的承諾之一是大規模設備通信，為革命性的物聯網系統提供動力，例如自動駕駛汽車、元界硬件、游戲虛擬現實 (VR) 和智能工廠。這場革命所需的一些 5G 技術包括機器對機器 (M2M) 通信、大規模機器類型通信 (mMTC)、超可靠低延遲通信 (URLLC) 和增強型移動寬帶 (eMBB)。在這種情況下，基站的優化對于提供低延遲連接、頻譜和處理資源的最佳共享以及密集的小蜂窩部署至關重要。

此外，5G 將提供跨多技術網絡的融合網絡通信，以及與衛星、蜂窩網絡、云、數據中心和家庭網關合作的開放通信系統。此外，5G 系統將是自主的，并且能夠根據所需的 QoS 自行調整，以動態處理應用驅動的網絡。在此背景下，我們將在此討論通過開放無線電接入網絡 (O-RAN) 技術實現的 5G 基于移動服務的架構 (SBA) 的編排。本文還探討了 5G 中軟件定義無線電 (SDR) 和軟件定義網絡 (SDN) 的使用，它們支持網絡功能虛擬化 (NFV)、網絡切片、云/邊緣計算、人工智能 (AI) 和機器學習（ML）。

5G網絡架構

5G 結構的第一個組成部分是傳輸網絡，它將 5G RAN 連接到核心網絡。它可以分為三種結構：前傳、中傳和回傳（見圖1）。分布式單元（DU）通過前傳網絡連接到遠程無線電單元（RRU），每個DU可以覆蓋從幾公里到50多公里的距離，控制多個天線。中程通過將分布式單元 (DU) 鏈接到中央單元 (CU) 來執行中間連接。最后，回程鏈路將中央單元和遠程/移動系統連接到核心網絡。除傳輸網絡外，5G 核心網絡還包含多個用于訪問和控制的組件。在 SBA 架構中，組件排列在一組互連的網絡功能 (NF) 中，包括NF存儲庫功能（NRF）、網絡切片選擇功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）、用戶平面功能（UPF）、會話管理功能（SMF）、接入和移動管理功能（AMF）和數據網絡(DN)。在用戶設備 (UE) 端，通過 gNB 節點控制和執行訪問，這些節點通過 NG 接口與 AMF 和 UPF 服務通信。NG接口承載用戶面和控制面協議：用戶面實現PDU（Protocol Data Unit）會話，控制面控制會話和與網絡的連接，包括服務請求和傳輸資源。訪問和移動管理功能 (AMF) 和數據網絡 (DN)。在用戶設備 (UE) 端，通過 gNB 節點控制和執行訪問，這些節點通過 NG 接口與 AMF 和 UPF 服務通信。NG接口承載用戶面和控制面協議：用戶面實現PDU（Protocol Data Unit）會話，控制面控制會話和與網絡的連接，包括服務請求和傳輸資源。訪問和移動管理功能 (AMF) 和數據網絡 (DN)。在用戶設備 (UE) 端，通過 gNB 節點控制和執行訪問，這些節點通過 NG 接口與 AMF 和 UPF 服務通信。NG接口承載用戶面和控制面協議：用戶面實現PDU（Protocol Data Unit）會話，控制面控制會話和與網絡的連接，包括服務請求和傳輸資源。

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圖 1：5G 網絡架構由三種結構組成。（來源：每惡習）

為了更好地了解 5G 的優勢，讓我們將其與巨大的 4G/LTE 技術進行比較。首先，5G 技術的核心根本不同，使用毫米波、大規模 MIMO 連接、云原生軟件設計和高水平的系統虛擬化。其次，3GPP 5G 是基于服務的架構，這意味著系統元素被定義為網絡功能 (NF)，為其他具有授權訪問權限的 NF 提供服務。基于服務的性質比 4G/LTE 實施更具吸引力，因為它提供了網絡切片、功能虛擬化、基于云的系統以及與 Open-RAN 技術更好的兼容性。此外，UPF 的實現，以解耦網關控制和用戶平面，以及 AMF，將會話管理與連接和移動性管理分開，在 4G 協議中找不到。在 5G 中，用戶平面和控制平面是解耦的，因為 UE 流量是 4G 的 1000 倍。最后，5G 系統允許使用更小、更專業的網絡小區，例如 fempto 小區和 pico 小區。

5G 最重要的方面之一是 RAN 元素的解耦和虛擬化，它允許更智能、動態和靈活的網絡不同應用。RAN 開發運動的前沿是開放式 RAN (O-RAN) 架構。通過開放 RAN 組件之間的接口，O-RAN 允許運營商在同一系統中結合不同的供應商，從而提高靈活性并讓運營商可以自由地與選擇的技術提供商合作。在O-RAN中，基站分為兩個：集中單元（CU）和分布式單元（DU）（圖2）。CU 負責更大的時間尺度功能，而 DU 負責時間關鍵任務。在鏈的末端，遠程無線電單元 (RRU) 管理所有 RF 通信和組件，例如調制、編碼、和避免干擾。在協議棧方面，CU處理高層，DU管理低層，RRU處理物理層。CU 和 DU 之間的開放接口稱為高層拆分 (HLS)，而 DU 和 RRU 之間的連接由低層拆分 (LLS) 接口組成。所有 O-RAN 應用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上運行。RIC 平臺提供對 RAN 組件的抽象，集成優化和自動化算法。所有 O-RAN 應用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上運行。RIC 平臺提供對 RAN 組件的抽象，集成優化和自動化算法。所有 O-RAN 應用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上運行。RIC 平臺提供對 RAN 組件的抽象，集成優化和自動化算法。

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圖 2：顯示了開放式 RAN (O-RAN) 架構。（來源：每惡習）

軟件無線電 (SDR)

軟件定義無線電或 SDR 是由模擬無線電前端 (RFE)、基于 FPGA 的數字單元和混合信號接口組成的無線電系統，通常通過 ADC 和 DAC。RFE 負責接收和發送 RF 信號的模擬部分，由 DAC/ADC 接口離散化。RFE 是電路的重要組成部分，因為它定義了信號范圍、通道數和帶寬。市場上性能最高的 RFE 可實現 3 GHz 的瞬時帶寬，使用多達 16 個獨立通道。SDR 的核心是一個配置有 DSP 功能的 FPGA：調制/解調、上/下變頻和數據分組。FPGA 是完全可重構的數字邏輯矩陣，因此同一系統可以支持多種處理算法、最先進的協議、甚至在不改變硬件的情況下實現人工智能。SDR 提供低延遲、靈活性、高互操作性（對于 5G 物理層很重要）和大規模 MIMO 功能——對于波束賦形和空間復用非常有用。一個商業例子是Per Vices 的Cyan SDR（圖 3），可用作 5G 基站和測試臺/仿真器的核心。

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圖 3：Per Vices Cyan 可用于 5G 基站。（來源：每惡習）

在 5G 環境中，RRU 和基帶單元 (BBU) 都可以包含一個或多個 SDR 單元來執行無線電相關功能，從而提供兼容性、互操作性和靈活性。例如，在 gNodeB 5G BBU 中，與 RRU 的連接是使用 eCPRI 光纖實現的。在這些情況下，SDR 必須同時包含 eCPRI 和千兆以太網 (GBE) 端口，以及處理 MIMO 天線的能力。另一方面，RRU SDR 需要符合應用的頻率范圍，它可以屬于 FR1 或 FR2 類別。FR1（頻率范圍 1）涵蓋 6GHz 以下頻率（600 至 6000 MHz），而 FR2（頻率范圍 2）涵蓋 24.25 至 52.6 GHz 的頻帶。與 FR1 相比，FR2 頻段適用于更短距離/更高帶寬的應用。必須選擇并配置 RRU SDR 以在所需頻譜內工作。小型蜂窩也從 SDR 實施中受益，因為市場上很容易獲得輕巧、低功耗和緊湊的完整射頻解決方案。

SDR 實施的重要性源于其在 O-RAN 系統中的作用。三個最重要的 O-RAN 標志是分解、虛擬化和軟件化，最后一個由 SDR 提供。軟件化是實現 URLLC、eMBB 和 mMTC 功能的基礎。此外，基于 SDR 的系統靈活、可升級和可互操作，使操作員無需不斷更換硬件即可控制 RAN。SDR 還可以遵守 RIC 生成的指令，這對于 RAN 優化和自動化至關重要。

軟件定義網絡 (SDN)

軟件定義網絡 (SDN) 是控制平面功能和轉發功能之間的物理分離。典型的 SDN 架構分為三個部分：應用層、控制層（SDN 控制器運行的地方）和物理基礎設施。各層通過 API 相互通信（北向 API 用于應用程序控制通信，南向 API 用于控制基礎設施）。SDN 提高了可編程性并實現了更高水平的網絡自動化和優化。它還在結構內提供類似云的功能，允許從物理層、數據分析算法和通過虛擬覆蓋網絡進行系統虛擬化的集中計算和網絡控制抽象。系統虛擬化支持 5G 中最重要的功能之一：

網絡切片是指將物理網絡劃分為多個虛擬網絡，這些虛擬網絡是獨一無二的，并且針對特定的服務或應用程序進行了優化。每個虛擬網絡或切片只能配置執行特定任務所需的特定資源，例如自動駕駛汽車、物聯網設備和移動服務。這種技術最明顯的優勢是資源分配的優化和調整，以滿足特定客戶和細分市場的需求。客戶端服務可以分為 eMBB、mMTC 和 urLLC，每個類別都有自己的吞吐量、帶寬、延遲和魯棒性要求（圖 4）。網絡切片是通過結合使用 SDN、SDR、網絡功能虛擬化、數據分析和自動化來實現的。端到端自動化，特別是，

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圖 4：這是 5G 網絡切片的圖像。（來源：每惡習）

要設計網絡切片方法，網絡功能虛擬化 (NFV) 至關重要。這種方法可以實現 RAN 和核心網絡功能的虛擬化，這些功能曾經由硬件執行，例如路由、擴展、安全和負載平衡。通過在軟件中實現網絡功能，運營商無需更換硬件，即可使用最先進的算法不斷更新網絡功能，節省時間，降低安裝成本和客戶干擾。此外，NFV 允許通過網絡切片實時重新調整用途和重新分配功能，以及對 RAN 資源進行切片間和切片內控制。

用于優化網絡資源的 SDR 和 SDN/NFV

5G 系統所需的大量數據吞吐量很容易使最先進的 LTE 網絡不堪重負。例如，典型的基于 CPRI 的 LTE 前傳通常處理大約 10-20 MHz 的通道帶寬，這在 10 通道連接中轉換為大約 10 Gbps。另一方面，5G 處理 100 MHz 到 500 MHz 范圍內的帶寬，并且通過大規模 MIMO 擴展，前傳吞吐量可以達到 Tbps 范圍。CPRI 光纖已經不夠用了，需要優化技術，例如增強型 CPRI (eCPRI)。在 eCPRI 接口前傳中，物理層功能在 RRU 和 DU 之間以優化的比例進行拆分，從而增加了 RUU 的復雜度，同時減少了前傳的負載。性能優化的要求不僅限于前傳，因為資源實例化的位置、訪問和管理都很大程度上取決于服務切片的要求。在這種情況下，基于 SDR 和 SDN/NFV 的結構（圖 5）可以提供幫助。

5G 優化有幾種不同類型的編排和控制。例如，軟件定義的 RAN (SD-RAN) 社區正在開發與 O-RAN 兼容的開源 RIC 控制器。SD-RAN 項目專注于開發近實時 RIC (nRT-RIC)，以優化網絡控制的動態和延遲，其中最突出的是開源 μONOS-RIC。除了開源特性外，μONOS-RIC 還兼容基于 AI/ML 的應用程序，可針對大規模 MIMO、自組織網絡 (SON) 和智能無線電資源管理 (RRM) 進行優化。最近開發的另一項優化技術是跨層控制器 (CLC)，它應用于網絡切片之間的資源分配和配對，具體取決于實時監控的 RAN 條件。

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圖 5：SDN/NFV 可應用于 5G RAN 以優化性能。（來源：每惡習）

在基于O-RAN的架構中，網絡優化的主要目標是提高各種條件下的整體性能，防止網絡不穩定，并以最小的服務損失解決問題。它通過不斷測量 KPI 和眾包信息，并做出相應的控制和調整單元的決策來做到這一點。這可以防止擁塞、過載和干擾，并減少延遲。在 O-RAN 中，通過 nRT-RIC 執行優化。外部智能可以在 nRT-RIC 之上運行，根據 AI/ML 算法做出決策。AI/ML 驅動的 nRT-RIC 支持使用高級管理算法，例如動態頻譜共享 (DSS) 和 NSSI 資源分配優化。

在 O-RAN 架構中，Split Option 7-2x LLS 符合多種優化技術，包括波束成形優化。波束成形可通過將射頻波束聚焦到特定位置來提高數據吞吐量和并行連接數量，并提高網絡的功率效率和信噪比。大規模 MIMO 天線在波束成形優化中發揮著重要作用。在這些系統中，控制器設定一個全局優化目標，每個 MIMO 小區對波束做出部分貢獻。SDR BBU 是 MIMO 天線動態和相干協調的基礎。

當前研究和 5G O-RAN 測試平臺

面向 O-RAN 的 5G 架構在網絡設計中引入了若干挑戰。研究人員仍在嘗試解決幾個技術瓶頸，例如如何為 AI 代理提供短開銷數據訪問，如何設計穩健的數據驅動控制回路，以及每個 RAN 組件的確切角色和要求是什么。SD-RAN 社區是試圖解決這些問題的研究團隊之一。如前所述，SD-RAN 開發了一種與 AI/ML 應用程序兼容的開源 nRT-RIC，它為數據驅動的控制回路和智能分配提供了必要的技術和抽象。另一方面，OpenRF 協會的目標是開發一個高度互操作的 5G 生態系統，包括射頻硬件和軟件，以降低集成成本和上市時間，同時保持足夠的靈活性和定制化。如果不使用強大的 SDR 和 SDN，SD-RAN 和 OpenRF 項目都不可行。

不討論模擬器，特別是斗獸場試驗臺，就不可能討論 5G 研究。Colosseum 是世界上最大的網絡仿真器測試平臺，擁有 256 個 SDR，能夠仿真多達 65536 個射頻通道 (100 MHz)。這個龐大的系統可以與 GNU Radio、MATLAB 和大多數 DSP 技術一起使用，并為 AI/ML 算法、MIMO 系統和一般的 O-RAN 提供了一個很好的測試框架。Colosseum 還可以模擬路徑損耗、多路徑和衰落，提供類似于現實生活環境的射頻條件。Leonardo Bonati 研究團隊最近使用 Colosseum 驗證了使用通過 xApps 在 nRT-RIC 之上運行的深度強化學習 (DRL) 代理進行網絡控制的可行性。該算法與 O-RAN 兼容，通過為每個 RAN 切片選擇最適合的調度策略來操作，同時考慮 URLLC、MTC 和 eMBB。與其他方法相比，DRL 系統的頻譜效率提高了 20%，緩沖區占用率降低了 37%。

結論

本文討論了 5G 移動 SBA 系統的許多方面，包括編排、實施、管理和功能，重點關注 Open-RAN 架構。Open-RAN 社區正在通過在 RRU 和 BBU 之間使用開放和分解的接口標準來推動新型 5G 解決方案的開發。在這種情況下，SDR 和 SDN 通過提供 RNA 的靈活性、互操作性、軟件化和虛擬化（實現網絡切片和 DSS 等獨特 5G 功能的基本工具）在 5G 革命中發揮著重要作用。SDR 在新技術開發和 5G 研究中也得到高度應用，應用于軟件化、實時監控和控制、AI/ML 應用和大規模 RAN 仿真。

審核編輯 黃昊宇