基于樹莓派的小型5G系統研究

王鵬 王齊 趙鑫 李昌駿

摘要：5G系統以其大吞吐低延遲的特性為自動駕駛、工業“智”造以及“元宇宙”等新概念提供了有力的支撐。因此，面向5G系統的學習及研究對于持續支撐新型業務的發展具有非常重要的意義。然而，現有的5G系統以大型商用系統為主，使得如本科生研究小組這種小型研究團隊難以開展針對5G系統的研究及優化。為此，文章借助樹莓派，將復雜開源5G項目進行解耦，并對其結構進行重構，設計了一套面向學習實踐的小型5G系統——RespG。該系統為5G學習有需求的用戶開辟了一條新的學習道路。實驗數據表明，該系統可實現與802.11ax相當的性能，驗證了項目的可行性。

關鍵詞：5G；5G核心網；O-RAN；Free5GC；樹莓派

中圖分類號：TP393；TN914 ?文獻標志碼：A

0 引言

隨著第五代通信技術的愈發成熟，各大商業公司（移動、電信等通信公司）逐步開始布局商用5G領域。5G商用設施于2020年開始全面落地。國家制定了全面開展5G和千兆光纖網等新一代通信基礎設施的建設與普及政策，在基于第五代移動通信的高速度、低功耗、低延遲和萬物互聯等特點建設數字中國等方面給予一定的政策支持，鼓勵市場和企業參與5G研發、部署和使用。

為此，本文提出了一套基于樹莓派的小型化5G系統——RespG。本系統擁有模型小型化、結構簡單化等特點。筆者通過對開源項目Free5GC的功能進行精簡及包裝，保留關鍵和必要的功能，將其部署在虛擬機中，將裝有開源項目UERANSIM的樹莓派與計算機連接，從而實現5G核心網和RAN的連接，最終實現了5G系統的部署。本系統為教育界相關5G系統、5G核心網的教學與講解提供模型基礎。

1 現有5G系統存在的問題

1.1 不能直接實現接入網運行的系統

在目前所運行的大部分5G系統中，5G核心網與5G接入網是兩個不同的系統。其中，5G核心網用于處理申請、實現功能、反饋信息。5G接入網是通過基站將信號進行轉換從而實現收發功能［1］。本文則將5G核心網與5G接入網看作一個整體。

1.2 結構較為復雜，不利于針對性地研究5G系統原理

現有的5G系統開源項目都在不斷增加核心網的功能，使得核心網的功能可以更加完善靈活、適應更多的場景，但這也導致了核心網的功能過于冗雜，不利于初學者對5G核心網的原理進行針對性的研究［2］。

1.3 沒有全方位普及，不方便研究者學習

從目前存在的5G信號覆蓋場所來看，仍有些地區未被5G信號覆蓋，而且已經存在5G信號的場所所用的5G系統大多為復雜、企業私有的系統。對于研究者而言，目前缺少一個便捷、簡練的5G模擬環境。

2 關于5G核心網的相關研究

目前關于5G核心網的研究大致可以分為對核心網的搭建和核心網功能的拓展。

2.1 核心網的搭建

對于核心網搭建的研究，部分是為了使核心網更加靈活，可以滿足現今更多的需求，主要是通過將基于服務的架構引入移動網絡實現。

2.2 核心網功能的拓展

核心網功能拓展的研究大部分都是針對網絡切片功能實現的［3］，也有對5G核心網中網絡切片的可拓展性和性能分析，如通過引入基于PEPA的新復合結構構建模型來維護和提升現有服務的切片容量。

5G核心網的不同之處在于網絡功能虛擬化基礎設施的云化DC建設，對應用層和核心網實現云化，將5G核心網進行虛擬化部署是5G核心網部署的關鍵。5G核心網的下沉、CU（即eNB的中心單元）、DU（即eNB的分布單元）的合并集中虛擬化部署是5G技術的關鍵，如圖1所示。

3 基于樹莓派的小型化5G系統設計

3.1 模塊設計

在實驗的設計上，本文借用了Github的開源項目——Free5GC和UERANSIM。本實驗的目標如下：

3.1.1 系統小型化

當前的5G核心網功能繁多，如流量使用報告、分組路由和轉發等，不利于初學者對5G核心網的學習。

本實驗通過刪除核心網的非必要功能，如流量使用報告、轉發等功能，只保留核心網用戶信息的注冊、管理和實現用戶接入網絡的功能，使得整個核心網變得更加簡潔明了，更便于初學者的學習和使用。

3.1.2 結構簡單化

本實驗將傳統的5G信號收發系統轉換為大型基站，簡化為3個模塊，即核心網功能實現模塊、射頻信號與數字信號轉譯模塊和射頻信號收發模塊，以實現核心網、O-RAN和射頻基站的功能，從而實現5G系統的部署。

3.2 核心網功能實現模塊

本實驗將Free5GC安裝在虛擬機中，以實現5G核心網的虛擬化功能。對于核心網的數據接收與發送功能的實現，本實驗采用了光纖的方式將搭載信號轉譯模塊的樹莓派與搭載5G核心網的Linux虛擬機相連，通過N2接口從收到的射頻信號中提取NAS數據傳輸到核心網中的接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模塊中，并逐步將功能信息傳輸到對應的功能模塊中，在功能模塊中實現該功能后，再通過AMF和N2接口傳回樹莓派。

3.3 射頻信號與數字信號轉譯模塊

信號轉譯模塊即5G基站中的RAN功能。本實驗通過將開源項目UERANSIM安裝在樹莓派上來實現O-RAN，即把CU和DU存放在樹莓派內部的Linux運行系統中，實現CU和DU的虛擬化，進而實現對收到的射頻信號的轉譯和對核心網發出信號的編譯。

3.4 實驗裝置搭建

核心網功能的實現是通過安裝Free5GC于本地虛擬機中并進行配置修改。O-RAN功能的實現是通過在樹莓派安裝UERANSIM配置修改，從而使樹莓派擁有O-RAN的功能，實現接入網（基站）。最后通過核心網以及接入網互相更改IP地址實現二者的連接。

4 系統實現

4.1 實驗流程

本實驗進行了Free5GC和UERANSIM的安裝并修改了相關配置。通過啟動充當5G核心網的Free5GC和充當O-RAN的UERANSIM，并將O-RAN與核心網相連接，再從O-RAN注冊一個UE并接收返回的虛擬網卡，通過該通道實現互聯網連接。

4.2 Free5GC與該實驗的適配方法

首先，克隆Free5GC開源項目到本地文件中。其次，由于UE需要向AMF組件發送注冊請求以及和SMF、UPF的交互，所以需要將本地相關配置文件中的接口IP地址改為當前虛擬機分配的IP地址。最后，通過啟動WebConsole進入網頁控制臺添加UE（相關配置可自行改動）。

4.3 UERANSIM與該實驗的適配方法

首先，將UERANSIM克隆到樹莓派所安裝的系統中。其次，由于系統需要與核心網連接，所以需要修改相關接口的IP地址（包括樹莓派分配的IP地址以及AMF的IP地址），在確保一致的情況下即可啟動相關程序進行實驗。

4.4 系統測試

本文利用iperf 3工具對該小型5G系統進行了數據傳輸測試，以此證明該5G系統的可用性。

為了解核心網性能的情況，本文對實驗核心網與本地核心網進行了基于TCP協議吞吐量測試，以此獲取該5G系統的核心網與本地核心網文件傳輸效率。為了減小誤差，該測試每項數據都經過了5次測試取平均值。經過測試并統計得出了該5G系統核心網的TCP上行平均吞吐率為75 Mb/s，TCP下行平均吞吐率為85 Mb/s，本地核心網上行平均吞吐率為85 Mb/s，本地核心網下行平均吞吐率為95 Mb/s。結果如圖2所示，設備數據傳輸速率較為穩定，沒有出現斷層現象，平均吞吐量與本地數據情況相差不大，能夠支持設備正常應用。其他項目受TCP擁塞控制算法的影響，在路徑上運行的吞吐率約為200 Mb/s，輔助吞吐量802.11 n，標稱吞吐率約為70 Mb/s，略低于本實驗的結果，表明該系統對文件的網絡實際數據傳輸速率足夠支持設備的正常使用。

本實驗分別對核心網進行了基于UDP協議的上行和下行的吞吐量測試和延遲抖動測試，以此測試該系統核心網的即時通信、在線視頻音頻播放傳輸等功能。經過測試并統計得出了該5G系統核心網的UDP平均上行吞吐量為120 Mb/s，UDP平均下行吞吐量為110 Mb/s，UDP上行延遲抖動平均為0.2 ms，UDP下行延遲抖動平均為0.25 ms。設備數據傳輸 ?速率較為穩定，可靠性能高。平均吞吐量能正常滿足需求，表明該系統對即時通信、在線視頻和音頻播放傳輸等功能的網絡實際數據傳輸速率足夠支持設備的正常使用。

本實驗對實驗接入網進行了基于TCP協議的吞吐量測試，以此測試該5G系統的接入網文件傳輸效率。經過測試并統計得出了該5G系統接入網的TCP上行平均吞吐率為5.5 Gb/s，TCP下行平均吞吐率為10 Gb/s，本地接入網的TCP上下行平均吞吐率為18 Gb/s。從實驗結果來看，實驗設備的接入網TCP吞吐量仍能支持設備應用的正常使用，設備數據傳輸速率也較為穩定。本文在實驗的過程中，對接入網UDP數據也同樣進行了測試，由于結果與TCP結果趨勢相同，本文不再重復敘述接入網UDP結果數據。

5 結語

本文對該5G系統的基本功能進行了一系列的測試，如對接入網和核心網的TCP和UDP吞吐量測試和延遲抖動測試，證明了該系統是可行的。本實驗的研究為教育界提供了一套較為完善的基礎5G核心網和5G系統，可以通過樹莓派和虛擬機進行快速部署，以此來達到模擬5G系統模型的實現，進行5G教學。

參考文獻

［1］張健，李承基，王濤.廣電5G核心網規劃思考［J］.廣播電視網絡，2022（6）：33-35.

［2］郎睿.5G核心網創新技術研究及應用探索［J］.中國新通信，2022（3）：81-83.

［3］SATTAR D，MATRAWY A . Optimal slice allocation in 5G core networks［J］.IEEE Networking Letters， 2019（2）：48-51.

（編輯 王雪芬）

Research on a small 5G system based on Raspberry Pi

Wang Peng， Wang Qi， Zhao Xin， Li? Changjun

（School of Computing， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101， China）

Abstract： The 5G system provides strong support for new concepts such as autonomous driving， industrial “intelligent” manufacturing， and “Metaverse” due to its high throughput and low latency characteristics. Therefore， learning and research on 5G systems is of great significance for continuously supporting the development of new businesses. However， the challenge is that existing 5G systems are mostly commercial systems， making it difficult for small research teams like undergraduate student research groups to study 5G systems. To this end， the paper utilizes Raspberry Pi to decouple complex open source 5G projects and restructure their structure， designing a small 5G system for learning and practice：RespG. This system paves the way for learning 5G simply and easily. Experimental results indicate that the system can achieve comparable performance to 802.11ax.

Key words： 5G; 5G core network; O-RAN; Free5GC; Raspberry pi