5G基站平台App的挑战与解决方案

jian513218

1. 行业背景

在通信行业，随着移动技术的发展以及物联网设备的接入，对于5G通信带宽的需求呈现出爆炸式的增长。如图1所示，与4G技术相比，5G数据传输的速率和网络时延提高了10倍，而传输时间间隔（TTI）却从1ms降到了0.2ms，网络的容量和基站的密度也都大幅增加。这就要求5G的基站数据处理能力要大幅提高，对5G基站App处理的实时性提出了更为严苛的要求；同时伴随着网络功能虚拟化技术NFV的出现，5G基站的软硬件结构和4G对比也需要重新构架。

图1. 4G与5G关键指标对比

2. 5G基站的技术演进趋势

基于上面的新特性，5G基站出现了新的技术演进趋势。首先，与传统4G基站中L1、L2和L3层都放在靠近天线单元的RAN中处理的分布式方式相比，5G C-RAN对L1、L2和L3层的处理更加靠近Cloud端，更加集中。而且针对不同的应用需求，Cloud端与RAN端支撑功能模块结构的不同划分的集中处理方式。如图2所示，在5G C-RAN中，既要支撑传统4G基站的分布式处理方式，也要支撑将所有功能模块放在Cloud端的全集中式处理，还支撑仅将PHY分布在RAN端而将其它模块集中在Cloud，以及仅将PDCP集中在Cloud端处理而其它模块分布在RAN端的半集中处理方式。

图2. 5G C-RAN不同集中式处理方式的功能结构划分

正是因为5G中这种灵活多样的集中式处理方式，就要求4G向5G技术演变的过程中基站的硬件和App结构更加灵活多变以满足不同业务场景的需求，如图3所示。

图3. 4G向5G基站技术演变结构图

其次，随着网络虚拟化技术NFV的出现，5G基站也在朝着虚拟化的方向演进, 如图4所示。虚拟化的优势在于，分布在天线端的BBU可以被虚拟化为资源池,由Cloud端统一进行管理和调度，从而优化资源的配置和使用。

图4. 5G基站技术向虚拟化演变结构图

3. 面临的挑战

作为新技术，5G也面临着诸多挑战。首当其冲的就是在数据速率提高10倍的前提下，传输时间间隔(TTI)需要从1ms下降到0.2ms，这就要求基站的处理速度要大幅提升，对App实时性的要求有了极大的增强；同时为了满足C-RAN虚拟化技术集中化处理的要求，L2层功能结构的不同划分对应的负载动态变化范围非常大，对L2层控制面的调度和处理能力有了更严苛的要求。上面所面临的技术挑战就要求在5G基站中对操作系统有非常强的实时处理能力以及极高的App处理性能。

同时，对于虚拟化处理技术NFV，5G也要求需要有强有力的NFV平台App的支撑，来实现各种虚拟化业务，并与L2层的实时操作系统实现完美的融合。

4. ENEA面向5G基站的操作系统App解决方案

在实现时，为了满足5G高带宽、高数据速率的技术要求，基带L1层对运算性能要求极高的功能模块需要放在运算速度高的FPGA、ASIC以及硬件加速器（HW ACC）等专用硬件器件中来处理。而L1层其它功能模块以及L2和L3层则可以放在SoC多核处理器上处理，在上面运行多核实时操作系统对多核资源进行调度和管理；同时运行NFV平台App，并根据5G C-RAN不同集中处理方式，对不同的功能模块进行虚拟化，实现Cloud端对RAN端资源的统一管理。

ENEA作为全球领先的实时操作系统以及NFV平台App提供商，为5G基站的实现提供了完备的App产品，并基于这些App产品提供了多套完整的操作系统App解决方案，以满足5G C-RAN基站技术实现灵活多样的要求。

4.1 方案1：Enea OSE RTOS + Enea Linux

在该方案中，基带L1层剩余的对运算要求相对不高的部分以及L2层的全部功能，由于对App的实时性要求严苛，其对应多核处理器上运行实时性性能卓越的多核实时操作系统Enea OSE RTOS；而L3和O&M运维层等对于实时性要求相对宽松，对应的多核处理器上运行嵌入式Linux操作系统Enea Linux。这种方案与传统基站中基带和控制层分别跑RTOS和Linux的方案类似，如图5所示。它对应为图2中Distributed分离式C-RAN基站部署方式。

图5. Enea OSE RTOS + Enea Linux

4.2 方案2：Enea OSE RTOS + Enea NFV

5G C-RAN中网络功能虚拟化技术NFV的出现，就要求通过NFV在同一套硬件处理器上实现多个虚拟机，使网络设备功能与硬件解耦，以承载更多App处理的功能，从而达到资源灵活分配、降低网络设备成本的目的。ENEA NFV虚拟化平台技术和虚拟化解决方案可以完美地满足这一技术需求。在该方案中，基带L1层剩余的对运算要求相对不高的部分和L2层部分功能，其对应的多核处理器上仍运行多核实时操作系统Enea OSE RTOS；而L3和O&M运维层等以及L2层的剩余功能，则通过ENEA NFV虚拟化平台技术在x86或者ARM服务器上实现多个VM虚拟机，在上面实现虚拟化业务，如图6所示。它对应图2中PHY Split和PDCP Split集中式C-RAN基站部署方式。

图6. Enea OSE RTOS + Enea NFV

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

对于5G C-RAN的NFV虚拟化技术来说，其终极目的是要将运行在多核处理器上L1、L2和L3层的所有功能都进行虚拟化，使每一层的资源都能在Cloud端进行配置和管理，从而最大限度的发挥资源调度的灵活性。针对这一终极目的，ENEA也提供了一套App解决方案。在该方案中，通过Enea NFV不但实现了L3和O&M运维层的虚拟化，还实现了L1和L2层的虚拟化。在x86或者ARM服务器上实现多个VM虚拟机，各个虚拟机之间通过虚拟交换机技术OVS来实现网络通信。而在L1和L2层的虚拟机中，仍然运行Enea OSE RTOS多核实时操作系统作为Guest OS，以满足L1和L2层实时性要求，如图7所示。它对应图2中Centralized 的C-RAN基站部署方式。

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

5. 结束语

5G技术作为4G的延伸和演进，它的推进和实现离不开通信设备厂商和操作系统App厂商在技术上的积累与沉淀，以及彼此在软硬件上的高度契合。作为专注于移动通信领域实时操作系统和NFV平台技术的App厂商，ENEA(瑞典宜能)成立于1968年，并于1989 年在瑞典上市，是OpenNFV开源组织的主要贡献者之一。

针对5G领域面临的挑战和发展趋势，ENEA提供了三种全新的、面向5G基站的操作系统App解决方案，分别对应5G C-RAN在不同业务应用场景下的不同部署方式。包括：

分布式结构解决方案，与传统4G基站对应，其具有结构扁平化、容易部署的特点，业务场景适合乡村等网络覆盖广、人口密度小的地方。

全集中式结构解决方案，采用了虚拟化NFV技术，硬件资源的配置和利用到达了最优，适合于城市中办公室、商场、体育场、广场等人流密集的热点区域，这些地方对网络的速率和性能要求非常高。

而半集中式结构解决方案，则居于前两者之间，适合于覆盖相对较广、人流相对不密集的场所。