李登山，鄭興運，趙力強,2

（1.西安電子科技大學，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學廣州研究院，廣東 廣州 510100）

0 引言

隨著移動互聯網和智能設備的快速發展，出現了更多業務需求，傳統無線接入網采取傳統點對點的結構，結構固化，針對6G 全息通信、感官互聯、數字孿生、元宇宙等新型應用[1-2]，無法很好地滿足網絡的要求。

基于服務的5G 核心網架構已經應用了容器化、服務化等云原生技術使核心網具有靈活性和可擴展性。在無線接入網側引入服務化的思想[3-6]，使得無線接入網能夠靈活、獨立地實現網元功能，方便更新迭代，因此無線接入網也亟須服務化[7]，具備開放、靈活擴展的能力。下一代移動網（NGMN,Next Generation Mobile Networks）集成通信、傳感、計算、控制和存儲的功能[8-9]，可以定制化無線接入網服務，滿足多樣化的服務需求。

開源平臺OAI（Open Air Interface）已經引入了網絡功能虛擬化（NFV,Network Function Virtualization）技術[10-13]將無線接入網分為基帶處理單元（BBU,Base Band Unit）和射頻拉遠單元（RRH,Radio Remote Head）兩部分。其中BBU 可以運行在通用服務器上，并且通過USB3.0 接口將USRPB210 與通用服務器相連來實現RRH 的功能。OAI 平臺還提供了首個開源軟件定義無線接入網（SD-RAN,Software Defined -Radio Access Network）控制器平臺[14-16]。

為了實現無線接入網的服務化，將控制面拆分為獨立的網元功能，然后根據業務需要定制資源，完成對無線資源的智能控制。并且通過平臺實現驗證服務化性能。

1 服務化架構

圖1 為服務化無線接入網[17-18]控制面架構圖，包含四層，分別是基礎設施層、虛擬化層、功能層和應用層。基礎設施層處于系統底層，為系統提供所需的物理資源，包含計算資源如中央處理單元（CPU,Central Processing Unit）、現場可編程門陣列（FPGA,Field Programmable Gate Array）；緩存資源如內存、硬盤；通信資源如BBU、RRH。虛擬化層負責虛擬化和管理計算、內存、通信資源，根據應用可以按需分配和使用虛擬資源，采用了虛擬機和docker 容器技術。功能層負責控制RAN 的資源、配置和部署，為上層網絡控制應用實現定制化無線網絡服務。包括狀態監控功能（SMF,Status Monitor Function）、QoS 分析功能（QAF,QoS Analysis Function）、策略配置功能（PCF,Policy Configurator Function）和無線資源控制功能（RCF,Resource Control Function），應用層是功能層實現的控制應用，采用了典型的5G 應用：增強移動寬帶（eMBB,enhanced Mobile Broadband）、超高可靠和低延時通信（URLLC,Ultra Reliable and Low Latency Communication）和海量機器類通信（mMTC,massive Machine Type of Communication）[19]。

圖1 服務化無線接入網控制面架構

該架構借鑒了微服務、服務化架構（SBA,Service Based Architecture）和5G 核心網架構[20]的思想，將控制面解耦，拆分為四個獨立的控制操作邏輯，并將其構建為容器化的微服務，服務之間通過RESTful API 進行通信，以進行無線接入網的控制，實現可擴展的定制化服務無線接入網部署與配置。

功能層的四個網絡功能（NF,Network Function）功能如下：SMF 實時更新無線接入網配置，控制面需要獲取無線接入網的狀態信息和運行日志，以便感知無線接入網的網絡拓撲和資源的使用狀況，計算是否需要更新無線接入網的配置，根據實時感知調整資源的配置，進而更好地滿足用戶需求；QAF 根據SMF 感知的基站信息和接入基站的用戶信息計算基站和用戶的QoS，判斷基站和用戶的QoS 是否滿足業務所需的要求，進而發出更新網絡配置的請求，更好地應對動態變化的業務需求；PCF 解析QAF 的更新配置請求，識別策略、調用配置模板并修改模板參數。接入基站的用戶數量以及用戶請求都在隨時發生變化，因此需要實時更新無線接入網的配置，RCF 可以在基站運行過程中實時修改無線接入網的配置，如：基站的帶寬、頻帶、功率，基站調度用戶的策略、虛擬資源塊（vRB,virtual Resource Block）等，根據結果分配資源，以滿足不同業務場景的差異化需求。

控制流程將通感算進行融合，一次流程如下：首先SMF 隨時感知基站的信息和接入基站的用戶信息，然后通過服務化接口將感知到的信息發送給QAF，之后QAF根據信息計算是否需要更改無線接入網配置，如果不需要更改則完成一次流程，如果需要更改則向PCF 發送更新配置請求，PCF 收到請求后會將需要的配置信息修改到模板中并發送給RCF 完成配置的更新，進而完成一次流程。

2 平臺實現

平臺實現以OAI 為基礎，首先搭建了一個包含無線接入網、核心網和終端的端到端試驗平臺，然后以eMBB 業務為例部署了服務化無線接入網控制面的網絡功能，最后將平臺部署在docker 容器內，利用Kubernetes 進行編排和管理。

2.1 平臺軟件環境配置

表1 為軟件配置版本，核心網采用了開源項目OAI的openair-cn 平臺，該平臺實現了3GPP 在Release14 中提出的核心網控制面和用戶面分離的特性；無線接入網用戶面采用了開源項目OAI 的openairinterface5g 平臺，該平臺實現3GPP 在Release12 中提出的長期演進（LTE,Long Term Evolution）平臺；服務化RAN 控制面基于開源項目Mosaic5G 的FlexRAN 平臺，該平臺基于SD-RAN 思想實現了無線接入網的控制面和用戶面分離，對其進行二次開發，將功能拆分為SMF、QAF、PCF 和RCF 來實現。

表1 軟件配置版本

2.2 平臺硬件配置

表2 為硬件配置平臺所需硬件環境，包括三臺通用X86 服務器、一臺通用軟件通用無線電外設（USRP,Universal Software Radio Peripheral）、一臺小米無線路由器和三臺智能手機，下面對其作用和配置進行介紹。

表2 硬件參數配置

三臺通用X86 服務器：分別用于部署核心網、接入網用戶面和接入網控制面，實現一個端到端的移動通信網絡。

一臺通用軟件無線電外設：用于實現無線接入網的射頻收發單元RRH 的功能，通過高速鏈路連接部署了接入網用戶面的服務器。

一臺小米無線路由器：用于在不同的物理主機之間實現數據的交換。

三臺智能手機：用于模擬終端用戶收發數據流量。

2.3 實驗平臺部署

基于軟硬件環境配置，對實驗平臺進行部署。平臺利用docker 和Kubernetes 進行部署，每個服務器為一個集群，將部署了服務化無線接入網控制面的服務器作為Master Node；部署了核心網的服務器作為Worker Node1；部署了無線接入網用戶面的服務器作為Worker Node2，并通過USB3.0 接口與USRP 連接，將核心網的用戶面功能下沉到用戶的邊緣，減小時延。Kubernetes將預定義的yaml 文件作為模板對平臺進行實例化。

oai-ran 的運行需要讀取一個配置文件，根據文件的參數運行程序。該文件包括oai-ran 的IP 地址和端口以及基站運行的一些參數模式設置。表3 為幾個重要的演進型基站（E-UTRAN NodeB,eNB）配置參數：

表3 eNB配置參數

3 實驗結果

實驗結果從下行速率、服務響應時間和平均信令開銷三個方面對比通感算融合服務化無線接入網和單體式無線接入網平臺（OAI）的性能。

3.1 下行速率

為了對比服務化無線接入網與單體式無線接入網的性能，實驗通過分別部署服務化無線接入網與單體式無線接入網訪問業務，測試下行速率，結果如圖2 所示：

因為服務化無線接入網和單體式無線接入網使用了相同的基站配置文件，所以用戶獲得的帶寬資源相同。從圖2 中可以看出，服務化無線接入網和單體式無線接入網的下行速率大致相等，所以服務化無線接入網和單體式無線接入網具有相似的網絡容量。

3.2 控制服務響應時間

本實驗將服務響應時間定義為向應用發起請求到獲得服務的時間，包括部署系統、用戶接入、重新配置一次無線網絡的總時間。服務化無線接入網平臺采用Kubernetes 技術基于eMBB 業務控制應用模板實例化，通過NF 之間相互通信完成該過程；單體式無線接入網平臺通過shell 腳本文件部署docker 容器完成同樣的過程。為了證明服務化無線接入網平臺可以提升系統的響應時間，實驗分別測量單體式無線接入網平臺和服務化無線接入網平臺控制服務的響應時間對比。每次增加一個用戶接入，分別測量接入網絡的用戶數量從0個增加到3 個的服務響應時間，結果如圖3 所示：

圖3 服務響應時間對比圖

從圖3 中可以看出隨著接入無線網絡的用戶數量的增加，單體式無線接入網的服務響應時間始終高于服務化無線接入網，單體式無線接入網響應時間分別為12.2 s、13.4 s、14.4 s，服務化無線接入網響應時間分別為8.4 s、9.87 s、10.22 s，服務化無線接入網比單體式無線接入網的服務響應時間降低30%左右。

一方面原因是服務化無線接入網的每個NF 解耦后獨立性較強，實例化需要的資源和依賴不多且可多個NF 并行實例化；單體式無線接入網的NF 耦合性較強，需要的資源和環境依賴相較于服務化無線接入網單個NF 多，實例化時間較長。另一方面原因是服務化無線接入網配置資源請求執行時間相對較短。因此服務化無線接入網平臺相較于單體式無線接入網平臺可以降低服務的響應時間，提升服務響應速度。

3.3 信令開銷

為了分析通感算融合的服務化無線接入網控制面的信令開銷，實驗通過分別部署服務化無線接入網平臺和單體式無線接入網平臺，分別使用抓包工具wireshark，在部署了無線接入網用戶面功能oai-ran 的容器內抓取數據流量并進行分析。每次增加一個用戶接入該網絡，接入網絡的用戶數量從0 個增加到3 個，分別抓取一分鐘的數據包的測量信令開銷，結果如圖4 所示：

圖4 信令開銷對比圖

從圖4 中可以看出單體式無線接入網平臺與服務化無線接入網平臺信令開銷均隨接入用戶數量增加而增加；服務化無線接入網的SMF 信令開銷不隨接入用戶數量變化，這是因為SMF 監控無線接入網的狀態信息，由于用戶較少，用戶狀態信息相對于基站狀態信息少很多，所以絕大多數都是基站的狀態信息和運行日志，所以少量的用戶變化對SMF 的信令的開銷影響不明顯。

單體式無線接入網的信令開銷比服務化無線接入網的信令開銷小，這是由于解耦產生了部分額外信令開銷，將無線接入網控制面解耦后，需要將原本不同模塊或者文件之間調用的參數和處理過程轉變為NF 之間的數據的發送和接收，增加了數據封裝、解封裝和收發的過程，因此增加了少量的信令開銷。單體式無線接入網的信令開銷與服務化無線接入網RCF 的信令開銷相近是因為RCF 的功能與原本的控制面相似，都是進行無線資源的分配，區別只是靜態分配與動態分配，抓包時刻用戶正在訪問視頻業務，沒有業務變化，所以靜態分配與動態分配在這里區別不大。

總體上來說，服務化帶來的額外信令開銷很小，在30 KB/s左右，解耦后可根據服務需求的不同進行輕量化部署，在基站資源可以滿足用戶需求的普通情況下，只需要部署SMF 進行監控，通過監控數據分析基站資源無法滿足用戶需求時再部署RCF 對無線接入網進行重新配置，配置結束后又可以終止RCF，這樣做可以減少近一半的信令開銷。

4 結束語

為實現6G 對多樣化業務的支持，通感算融合與服務化必不可少，本文將無線接入網的控制面解耦，通過試驗平臺證明了服務化架構可以在保證網絡容量的同時，降低服務響應時間和信令開銷，并且提升無線接入網的靈活性。

相較于單體式無線接入網，服務化無線接入網增加了存儲的信息，因此對于內存有額外的占用，大小與基站當前服務的用戶數量成正比，并且智能資源分配算法與各NF 之間通信協議轉換也增加了CPU 的資源消耗。

目前該平臺對于時延沒有明顯提升，其中一個原因是NF 之間需要頻繁地交互，并且各NF 完成的功能都需要控制面接口才能對eNB 下發指令，未來可以將通感算融合與無線接入網控制面一同實現，進而減少時延。