5G基站平台软件的挑战与解决方案

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基站软件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端支持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，既要支持传统4G基站的分布式处理方式，也要支持将所有功能模块放在Cloud端的全集中式处理，还支持仅将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软件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，对软件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软件处理性能。

同时，对于虚拟化处理技术NFV，5G也要求需要有强有力的NFV平台软件的支撑，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基站的操作系统软件解决方案

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平台软件，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平台软件提供商，为5G基站的实现提供了完备的软件产品，并基于这些软件产品提供了多套完整的操作系统软件解决方案，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，由于对软件的实时性要求严苛，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，以承载更多软件处理的功能，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也提供了一套软件解决方案。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软件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平台技术的软件厂商，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基站的操作系统软件解决方案，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。