5G基站平臺軟件的挑戰(zhàn)與解決方案

　　1. 行業(yè)背景

　　在通信行業(yè)，隨著移動技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，對于5G通信帶寬的需求呈現(xiàn)出爆炸式的增長。如圖1所示，與4G技術(shù)相比，5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎途W(wǎng)絡(luò)時延提高了10倍，而傳輸時間間隔(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(shù)據(jù)處理能力要大幅提高，對5G基站軟件處理的實時性提出了更為嚴(yán)苛的要求;同時伴隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)NFV的出現(xiàn)，5G基站的軟硬件結(jié)構(gòu)和4G對比也需要重新構(gòu)架。

　　圖1. 4G與5G關(guān)鍵指標(biāo)對比

　　2. 5G基站的技術(shù)演進趨勢

　　基于上面的新特性，5G基站出現(xiàn)了新的技術(shù)演進趨勢。首先，與傳統(tǒng)4G基站中L1、L2和L3層都放在靠近天線單元的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(yīng)用需求，Cloud端與RAN端支持功能模塊結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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)演變的過程中基站的硬件和軟件結(jié)構(gòu)更加靈活多變以滿足不同業(yè)務(wù)場景的需求，如圖3所示。

　　圖3. 4G向5G基站技術(shù)演變結(jié)構(gòu)圖

　　其次，隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)NFV的出現(xiàn)，5G基站也在朝著虛擬化的方向演進, 如圖4所示。虛擬化的優(yōu)勢在于，分布在天線端的BBU可以被虛擬化為資源池,由Cloud端統(tǒng)一進行管理和調(diào)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(jié)構(gòu)圖

　　3. 面臨的挑戰(zhàn)

　　作為新技術(shù)，5G也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的就是在數(shù)據(jù)速率提高10倍的前提下，傳輸時間間隔(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，對軟件實時性的要求有了極大的增強;同時為了滿足C-RAN虛擬化技術(shù)集中化處理的要求，L2層功能結(jié)構(gòu)的不同劃分對應(yīng)的負(fù)載動態(tài)變化范圍非常大，對L2層控制面的調(diào)度和處理能力有了更嚴(yán)苛的要求。上面所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)就要求在5G基站中對操作系統(tǒng)有非常強的實時處理能力以及極高的軟件處理性能。

　　同時，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，來實現(xiàn)各種虛擬化業(yè)務(wù)，并與L2層的實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)完美的融合。

　　4. ENEA面向5G基站的操作系統(tǒng)軟件解決方案

　　在實現(xiàn)時，為了滿足5G高帶寬、高數(shù)據(jù)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)等專用硬件器件中來處理。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，在上面運行多核實時操作系統(tǒng)對多核資源進行調(diào)度和管理;同時運行NFV平臺軟件，并根據(jù)5G C-RAN不同集中處理方式，對不同的功能模塊進行虛擬化，實現(xiàn)Cloud端對RAN端資源的統(tǒng)一管理。

　　ENEA作為全球領(lǐng)先的實時操作系統(tǒng)以及NFV平臺軟件提供商，為5G基站的實現(xiàn)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(tǒng)軟件解決方案，以滿足5G C-RAN基站技術(shù)實現(xiàn)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，由于對軟件的實時性要求嚴(yán)苛，其對應(yīng)多核處理器上運行實時性性能卓越的多核實時操作系統(tǒng)Enea OSE RTOS;而L3和O&M運維層等對于實時性要求相對寬松，對應(yīng)的多核處理器上運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)Enea Linux。這種方案與傳統(tǒng)基站中基帶和控制層分別跑RTOS和Linux的方案類似，如圖5所示。它對應(yīng)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(xiàn)，就要求通過NFV在同一套硬件處理器上實現(xiàn)多個虛擬機，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能與硬件解耦，以承載更多軟件處理的功能，從而達(dá)到資源靈活分配、降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)的多核處理器上仍運行多核實時操作系統(tǒng)Enea OSE RTOS;而L3和O&M運維層等以及L2層的剩余功能，則通過ENEA NFV虛擬化平臺技術(shù)在x86或者ARM服務(wù)器上實現(xiàn)多個VM虛擬機，在上面實現(xiàn)虛擬化業(yè)務(wù)，如圖6所示。它對應(yīng)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)來說，其終極目的是要將運行在多核處理器上L1、L2和L3層的所有功能都進行虛擬化，使每一層的資源都能在Cloud端進行配置和管理，從而最大限度的發(fā)揮資源調(diào)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Enea NFV不但實現(xiàn)了L3和O&M運維層的虛擬化，還實現(xiàn)了L1和L2層的虛擬化。在x86或者ARM服務(wù)器上實現(xiàn)多個VM虛擬機，各個虛擬機之間通過虛擬交換機技術(shù)OVS來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。而在L1和L2層的虛擬機中，仍然運行Enea OSE RTOS多核實時操作系統(tǒng)作為Guest OS，以滿足L1和L2層實時性要求，如圖7所示。它對應(yīng)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(jié)束語

　　5G技術(shù)作為4G的延伸和演進，它的推進和實現(xiàn)離不開通信設(shè)備廠商和操作系統(tǒng)軟件廠商在技術(shù)上的積累與沉淀，以及彼此在軟硬件上的高度契合。作為專注于移動通信領(lǐng)域?qū)崟r操作系統(tǒng)和NFV平臺技術(shù)的軟件廠商，ENEA(瑞典宜能)成立于1968年，并于1989 年在瑞典上市，是OpenNFV開源組織的主要貢獻者之一。

　　針對5G領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)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(tǒng)軟件解決方案，分別對應(yīng)5G C-RAN在不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下的不同部署方式。包括：

　　? 分布式結(jié)構(gòu)解決方案，與傳統(tǒng)4G基站對應(yīng)，其具有結(jié)構(gòu)扁平化、容易部署的特點，業(yè)務(wù)場景適合鄉(xiāng)村等網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、人口密度小的地方。

　　? 全集中式結(jié)構(gòu)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(dá)了最優(yōu)，適合于城市中辦公室、商場、體育場、廣場等人流密集的熱點區(qū)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(jié)構(gòu)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所。