5G網(wǎng)絡(luò)中基于云的體系結(jié)構(gòu)研究

董春利，王 莉，張 暉

（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211188；2.上海劍曦信息科技有限公司，上海 200051；3.南京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)

云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)提供按需、簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的方式訪問可配置資源的共享池，而不必?fù)?dān)心資源管理[1]。蜂窩移動(dòng)通信包含了云，對(duì)通信系統(tǒng)可以提供其好處。我們將看到用于5G網(wǎng)絡(luò)基于云的體系結(jié)構(gòu)或基于云的無線接入網(wǎng)絡(luò)（Cloudbased Radio Access Network，C-RAN）。

第一個(gè)C-RAN由中國(guó)移動(dòng)研究院提出[2]。所有C-RAN的基本思想，都是在云中執(zhí)行服務(wù)器消息區(qū)塊（Server Message Block，MBS）的大部分功能，從而將MBS的功能劃分為控制層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。控制層和數(shù)據(jù)層的功能分別在云中和MBS中執(zhí)行。因此，C-RAN提供動(dòng)態(tài)的服務(wù)分配方案，用于在不安裝昂貴的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

具體而言，MBS具有兩個(gè)主要組件：（1）基帶單元（BBU，用于使用基帶處理器來實(shí)現(xiàn)基帶處理）；（2）遠(yuǎn)程無線電頭端（Remote Radio Head，RRH）（用于執(zhí)行無線電功能）。大部分的C-RAN將基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）放在云中，留在MBS中。因此，C-RAN提供了一個(gè)易于擴(kuò)展和靈活的架構(gòu)。在本文結(jié)尾處可看到C-RAN的優(yōu)勢(shì)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)中部署C-RAN面臨的挑戰(zhàn)

（1）有效的前傳數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)：MBS功能的靈活的云端是以從RRH到BBU的有效前傳數(shù)據(jù)為代價(jià)的。向云端快速有效地傳輸數(shù)據(jù)對(duì)C-RAN的性能具有相應(yīng)的影響[3]。

（2）實(shí)時(shí)性能：因?yàn)閷⑹褂肅-RAN而不是為用戶提供所有服務(wù)的MBS，所以需要像MBS一樣快速地傳輸和處理云中的所有數(shù)據(jù)；否則，使用C-RAN很難發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)問題的解決方案。

（3）可靠性：云提供商對(duì)其硬件和軟件無故障執(zhí)行不作任何保證。因此，使用C-RAN很難模擬無差錯(cuò)的MBS。

（4）安全性：云的資源由多個(gè)用戶共享，永遠(yuǎn)不受單一權(quán)威的控制。因此，惡意用戶可能容易訪問C-RAN的控制層，將導(dǎo)致更嚴(yán)重的問題。

（5）可管理性：十分清楚，不安全的C-RAN可以被任何云用戶接入，這對(duì)C-RAN的可管理性帶來了額外的挑戰(zhàn)。此外，在特定時(shí)間間隔內(nèi)，云資源的動(dòng)態(tài)分配是一個(gè)關(guān)鍵問題。否則，C-RAN可能會(huì)面臨額外的延遲。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)中基于云的體系結(jié)構(gòu)

3 5G網(wǎng)絡(luò)中C-RAN架構(gòu)

3.1 2層C-RAN架構(gòu)

作者提出了兩種基于MBS功能劃分的C-RAN架構(gòu)：①全集中的C-RAN，其中BBU和MBS的所有其他更高級(jí)功能位于云端，而RRH僅位于MBS中；②部分集中的C-RAN，其中RRU和BBU的一些功能位于MBS中，而BBU的其余功能和MBS更高級(jí)別的功能位于云端。因此，作者提出了僅使用2層，即實(shí)現(xiàn)C-RAN的控制層和數(shù)據(jù)層，如下所示[2]。

3.1.1 數(shù)據(jù)層

它包含異構(gòu)物理資源（例如無線接口設(shè)備）和執(zhí)行信號(hào)處理任務(wù)（例如信道解碼，解復(fù)用和快速傅里葉變換）。

3.1.2 控制層

執(zhí)行基帶處理和資源管理（應(yīng)用交付、QoS、實(shí)時(shí)通信、無縫移動(dòng)、安全、網(wǎng)絡(luò)管理、調(diào)節(jié)和功率控制）。

Rost等[3]介紹了具有控制層和數(shù)據(jù)層的RAN-as-aservice（RANaaS）概念。但是，在RANaaS中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求和特性，云提供靈活和按需的RAN功能（如網(wǎng)絡(luò)管理，擁塞控制，無線資源管理，媒體訪問控制和物理層管理）。因此，不需要將功能提前分配給控制層和數(shù)據(jù)層，RANaaS提供了更多的彈性。

至此人們可以清楚C-RAN將如何工作。但是，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能，執(zhí)行延遲關(guān)鍵型應(yīng)用的RRH可能會(huì)連接到附近的小型云，而其他未遵守實(shí)時(shí)應(yīng)用的RRH可能會(huì)連接到更大的云。軟空氣也是一個(gè)雙層C-RAN，它執(zhí)行移動(dòng)性管理，資源有效的網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及云中的分布式和協(xié)作式流量平衡。

3.2 3層C-RAN架構(gòu)

全集中的C-RAN架構(gòu)有一些缺點(diǎn)，如數(shù)據(jù)層和控制層之間原始基帶樣本的連續(xù)交換，而控制層通常遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)層，導(dǎo)致處理延遲。

為了消除這些缺點(diǎn)，Liu等[4]提出了云和蜂窩系統(tǒng)的融合（CONCERT）。在這個(gè)架構(gòu)中，控制層的頂部引入了一個(gè)軟件定義服務(wù)層。CONCERT中各層的功能如下。

3.2.1 數(shù)據(jù)層

與全集中的C-RAN數(shù)據(jù)層相同，RRH具有不太強(qiáng)大的計(jì)算資源，對(duì)應(yīng)用級(jí)計(jì)算。

3.2.2 控制層

作為一個(gè)邏輯上集中的實(shí)體工作。控制層協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)層資源，并提供軟件定義的服務(wù)層的軟件資源。控制層提供到數(shù)據(jù)層的服務(wù)有：無線接口管理，有線網(wǎng)絡(luò)管理，位置感知計(jì)算管理。

3.2.3 軟件定義的服務(wù)層

作為一個(gè)虛擬的基站（BS），向數(shù)據(jù)層提供服務(wù)（例如，應(yīng)用交付，QoS，實(shí)時(shí)通信，無縫移動(dòng)，安全，網(wǎng)絡(luò)管理，調(diào)節(jié)和功率控制）。

Wu等[5]通過將整個(gè)RAN移動(dòng)到云，增強(qiáng)了C-RAN架構(gòu)和RANaaS。所提出的架構(gòu)也有3層，其中數(shù)據(jù)層和控制層與C-RAN的各層相同。第三層稱為服務(wù)層，在云中執(zhí)行，并提供比文獻(xiàn)[3]的軟件定義服務(wù)層更多的功能，例如流量管理、小區(qū)配置、干擾控制、功能組件分配給物理元素，以及視頻流媒體服務(wù)。

4 5G網(wǎng)絡(luò)中C-RAN的優(yōu)勢(shì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)管理簡(jiǎn)單

C-RAN便于按需安裝虛擬資源并執(zhí)行基于云的資源，以動(dòng)態(tài)管理干擾、流量、負(fù)載平衡、移動(dòng)性以及做協(xié)作信號(hào)處理。

4.2 降低成本

部署和安裝MBS來提高網(wǎng)絡(luò)容量非常耗時(shí)，成本也很高。然而，C-RAN的部署無成本，并提供了像MBS一樣的常規(guī)服務(wù)。因此，運(yùn)營(yíng)商只需要在MBS中部署、安裝和操作RRH。

4.3 節(jié)省用戶和MBS的能量

C-RAN允許用戶和MBS將其耗能任務(wù)轉(zhuǎn)移到附近的云，從而節(jié)省了用戶和MBS的能量。

4.4 改善頻譜利用率

C-RAN可以在參與的MBS之間共享CSI，流量數(shù)據(jù)和移動(dòng)業(yè)務(wù)的控制信息，從而增加了MBS之間的協(xié)作，并減少了干擾。

5 結(jié)語

從數(shù)據(jù)層到控制層，基于MBS的功能選擇是關(guān)鍵的一步。然而，選擇在云和MBS中執(zhí)行的功能是不平凡的。安全性和隱私問題與受云計(jì)算影響的C-RAN關(guān)聯(lián)。因此，C-RAN的發(fā)展必須同時(shí)處理與云和無線蜂窩通信相關(guān)的、固有的挑戰(zhàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]PANWAR N，SHARMA S，SINGH A K.A survey on 5G：The next generation of mobile communication[J]. Physical Communication，2016（18）：64-84.

[2]RAN C.The road towards green RAN[EB/OL].（2017-05-06）[2018-03-13].http://labs.chinamobile.com/cran/wp-content/uploads/CRAN_white_paper_v2_5_EN.pdf.

[3]ROST P，BERNARDO S C J，DOMENICO A D，et al.Cloud technologies for flexible 5G radio access networks[J].Communications Magazine，2014（5）：68-76.

[4]LIU J，ZHAO T，ZHOU S，et al.Concert: a cloud-based architecture for next-generation cellular systems[J].Wireless Communications，2014（6）：14-22.

[5]WU J，ZHANG Z，HONG Y，et al.Cloud radio access network（C-RAN）：a primer[J].Network，2015（1）：35-41.