基于5G小基站的虛擬化場景與應用分析

摘 要：在4G移動網絡搭建中，小基站開始逐漸嶄露頭角，它的信號覆蓋范圍相比傳統宏基站要小很多，并主要運用在4G流量需求特別高的室內區域用于數據分流，以提升用戶體驗。而在5G時代，隨著信號頻率的進一步提高，借助于自身在發射功率、部署方式和覆蓋范圍等方面的優勢，5G小基站將發揮更大作用?；诖?，本篇文章對基于5G小基站的虛擬化場景與應用分析進行研究，以供參考。

關鍵詞：5G;小基站;虛擬化;應用分析

0 引言

在通信行業，雖然網絡虛擬化的概念早已經開始研究，但是現在的應用主要還在核心網領域，因為典型的核心網網元與無線接入網由于本身的功能特點不同，對虛擬化環境有不同的要求，加上業務場景的變化和實際部署性能、成本考慮等，從而導致接入網設備對虛擬化設施的架構和實現提出了不同的要求和這方面研究的缺失。本文簡要分析了傳統網絡設備中無線接入網部分的特點，結合5G室內小基站部署的場景，給出了典型的虛擬化平臺架構及未來發展趨勢。

1 小基站角色定位的轉變

在5G網絡建設的初期，為迅速推廣5G以滿足居民的正常體驗，運營商在5G的信號覆蓋上多采用宏基站覆蓋的方式。然而到后期，隨著室外可用站址的逐漸減少、新站址的談點難度增加、密集區域流量的逐漸增加，可增加小基站以補盲和解決話務密度問題。小基站的價值在于可以解決宏基站的難題，例如對站點條件要求較高、覆蓋深度不夠等。通過在人群和建筑密集的地方增加小基站，有針對性地對宏基站信號弱覆蓋的區域進行補充，確保5G信號的質量。在流量熱點地區，小基站因為其靈活性對選取站點的條件較低，也可以在更小范圍內提升容量，幫助宏基站分流。此外，小基站的體積較小，部署方式較為簡單，建設成本也較低。

2 基于通用服務器的5G小基站架構與應用

（一）開放架構的5G小基站

近期，以O-RAN（Open-RadioAccessNetwork，開放無線接入網）聯盟及TIP（TelecomInfraProject，電信基礎設施項目）等為代表的倡導接入網開放的聯盟組織，陸續發布有關接入網開放設備的標準推動及試商用信息。其中，O-RAN聯盟的目標是實現無線接入網的接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化和網絡智能化，以降低接入網成本、推動無線接入網架構開放與智能為出發點。2019年初，日本樂天移動首批4G基站開通，計劃以全IT化的方式建設4G/5G網絡，通過基站虛擬化、白盒化，建成端到端的云原生移動網絡。另外，在“TIP2019峰會”上，沃達豐發布了對歐洲超過十萬個開放基站的采購指標，并要求供應商遵循O-RAN技術規范。2020年初，土耳其電信、IpT（秘魯電信運營商）等多家運營商先后宣布將采用軟硬件解耦的方式來實現5G網絡部署。

（二）5G室內專網特點

對于室內行業應用要更加豐富的5G支撐網絡，因為垂直行業應用都有其自身的需求點，即需求肯定是碎片化、復雜化的，很難用統一的網絡部署方式滿足這些所有差異化的客戶需求。例如，智慧礦山的關鍵需求是：井下遠程高清視頻、危險作業面的穩定可靠的無人挖礦、礦井設備運行狀態監控、井下人員資產信息的實時定位、自動化巡檢等;而智慧工廠的關鍵需求是數據不出廠的安全需求、確定性大帶寬低時延需求、泛在網絡融合的需求。即各種應用關心的點是不一樣的，這些應用對設備的功耗、體積、認證需求也都不一樣，如礦井下面的設備，只做入網認證不夠，還要做防爆認證、煤安認證等。但對于行業關心的是，如何真正高效、全面地滿足其應用場景的所有需求。

（三）面向室內小基站的虛擬化場景分析

虛擬化主要是對計算或者存儲資源進行集中部署和分配，從而提高資源利用率和分配效率。目前虛擬化應用最多的是數據中心，對服務器進行池化，這就要求一定數量的服務器進行集中部署?？紤]到基站部署要根據業務和覆蓋需求因地制宜，同時考慮室內小基站的覆蓋能力，基于通用服務器的5G小基站主要面向兩種場景：室內公眾網絡和區域行業應用。

面向垂直行業的5G應用與公網不同，尤其是工業園區，對網絡性能指標及對設備功耗和體積的要求相對寬松，成本方面相對公網也沒有那么敏感，但是業務多樣性增加，希望網絡能夠提供定制化的服務。同時，由于區域相對集中，更適合根據需要對BBU進行集中部署。這種場景下，小基站部署時適合采用虛擬專網的形式進行網絡部署，用于滿足5G中多種業務能力的靈活需求，而采用云化、虛擬化技術，可以實現無線網絡資源的池化共享，進行快速部署，同時還有利于他們盡快、便捷地實現虛擬無線接入網（VirtualRadioAccessNetwork，vRAN）與MEC/UPF（UserPlaneFunction，用戶面功能）的共平臺部署，以及未來平臺的升級拓展，從而滿足多種業務對于無線底層基礎資源的彈性伸縮需求，實現池化增益和規模效益。

3 虛擬化技術發展與應用

虛機較容器的發展更早，因此商用時間長，產品比較成熟，目前最具代表性的商業系統虛擬化軟件系列VMwareESX來自美國的威睿公司，從虛機的底層支持到應用管理都有完善的解決方案。此外，也有眾多的開源解決方案，很多廠家基于這些開源項目建設自己的應用平臺進行應用，這里其中最重要的就是KVM（Kernel-basedVirtualMachine）和OpenStack（云計算管理平臺）。KVM是一個開源的系統虛擬化模塊，它使用Linux自身的調度器進行管理，核心源碼很少。雖然KVM需要硬件支持，但是使用通用服務器的小基站可以很好地適配這個需求。OpenStack即開源云計算管理平臺項目，利用它可以根據自己的需要來搭建基礎設施，同時可以自由地擴充集群規模。這些開源項目的興起為開發自己的虛擬化平臺提供了條件，同時這些項目又有良好的標準化基礎，使得不同廠家的平臺應用很容易實現兼容。

4 vRAN虛擬化平臺架構及應用

（一）虛擬化平臺架構

虛擬化平臺包括虛擬層、虛擬化應用和虛擬化控制管理功能以及相應的基礎硬件支持。其中，基站軟件對硬件存儲要求很低，重點考慮的是虛擬層對存儲空間的需求，只需要本地存儲保障一定數量的容器/安全容器啟動運行，并具備相對的可擴展性。虛擬層主要為上層應用提供虛擬的計算和網絡轉發功能，其中，虛擬計算單元由Docker容器/安全容器實現，Docker容器需要在操作系統中配置Docker-runtime，安全容器使用Kata-container，需要配置Kata-runtime，它的優點是與Docker類似，為了接入K8S，接口需要支持容器運行時接口（ContainerRuntimeInterface，CRI-O）。Kubernetes則針對容器/安全容器提供了虛擬化應用實例的管理、編排功能。虛擬交換功能使用開源虛擬交換機（OpenvSwitch，OvS）實現，主要依賴數據平面開發套件（DataPlaneDevelopmentKit，DPDK）技術。虛擬層運行在操作系統上，考慮可用和穩定性，服務器的操作系統可以選擇CentOS，在CentOS上需要實現對虛擬層的支持，包括實時內核（real-timepreemptionpatcheset，在低延時的基礎上通過幾種手段（高精時鐘、中斷線程）盡量達到硬實時要求）、容器運行時、標準容器接口、主板管理等。

（二）低成本方案應用于公眾網絡

公眾網絡的主要需求是在滿足性能和覆蓋等無線網絡指標基礎上盡量實現成本最優化，這種應用場景對于5G擴展型小基站的應用要求與傳統設備的需求方向一致，性能、成本、功耗、體積和可靠性是主要指標需求。針對公網室內覆蓋部署，為了能替換傳統無源室分方案，降低設備成本，基于軟硬件解耦的5G擴展型小基站的基帶硬件可考慮采用低規格、定制化的單機版服務器，軟件基于非虛擬化的物理機運行，可以兼顧性能和成本。

5 小基站發展現狀及未來部署

（一）小基站發展現狀

相較于國外，國內的小基站發展相對較為緩慢，根據運營商的推廣進度，設備商的重點在宏基站上。目前來看，涉足小基站的有主流電信設備廠商、中小型設備廠商。華為、中興、愛立信等電信設備廠商在小基站市場在研發都投入較大并且強調“宏基站+小站”的協同配合。

（二）未來發展

在小基站發展的過程中，5G白盒化受到業界的高度關注，運營商們也紛紛致力于白盒化基站的探索。網絡的變革也已經從不斷升級開發核心網的功能，轉向逐步改造接入網設備，使其更加小型化、智能化。對于運營商來說，白盒化可以改變以往無線接入網領域的設備軟硬件一體化、與核心網緊耦合化的特點?？梢越档统杀?，也使得網絡的建設規劃方案具有更多的可能性，同時能夠響應不同2B、2C的業務需求。相信在未來的發展中，在運營商的共同推動下，5G小基站能夠發揮其更大的價值。

6 結束語

在5G部署場景中，面向室內覆蓋的有源小基站成為重要技術方案之一。其中，5G擴展型小基站可以作為接入網開放的突破口，通過基站設備的軟硬件解耦邁向更開放和智能的網絡發展階段。本文對開放架構的5G擴展型小基站的實現方式進行總結與展望，不同切分方式的實現方案都可以通過虛擬化基帶處理功能，達到提升系統靈活度的目的。針對不同應用場景，開放架構的小基站有利于提供差異化的設備類型，從而實現個性化服務。

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作者簡介：

劉潤方，男，漢族，就讀于東南大學經濟管理學院，研究方向：經濟管理.