面向6G通感算深度融合的服务化无线接入网试验平台*

李登山，郑兴运，赵力强,2

（1.西安电子科技大学，陕西 西安 710071；2.西安电子科技大学广州研究院，广东 广州 510100）

0 引言

随着移动互联网和智能设备的快速发展，出现了更多业务需求，传统无线接入网采取传统点对点的结构，结构固化，针对6G 全息通信、感官互联、数字孪生、元宇宙等新型应用[1-2]，无法很好地满足网络的要求。

基于服务的5G 核心网架构已经应用了容器化、服务化等云原生技术使核心网具有灵活性和可扩展性。在无线接入网侧引入服务化的思想[3-6]，使得无线接入网能够灵活、独立地实现网元功能，方便更新迭代，因此无线接入网也亟须服务化[7]，具备开放、灵活扩展的能力。下一代移动网（NGMN,Next Generation Mobile Networks）集成通信、传感、计算、控制和存储的功能[8-9]，可以定制化无线接入网服务，满足多样化的服务需求。

开源平台OAI（Open Air Interface）已经引入了网络功能虚拟化（NFV,Network Function Virtualization）技术[10-13]将无线接入网分为基带处理单元（BBU,Base Band Unit）和射频拉远单元（RRH,Radio Remote Head）两部分。其中BBU 可以运行在通用服务器上，并且通过USB3.0 接口将USRPB210 与通用服务器相连来实现RRH 的功能。OAI 平台还提供了首个开源软件定义无线接入网（SD-RAN,Software Defined -Radio Access Network）控制器平台[14-16]。

为了实现无线接入网的服务化，将控制面拆分为独立的网元功能，然后根据业务需要定制资源，完成对无线资源的智能控制。并且通过平台实现验证服务化性能。

1 服务化架构

图1 为服务化无线接入网[17-18]控制面架构图，包含四层，分别是基础设施层、虚拟化层、功能层和应用层。基础设施层处于系统底层，为系统提供所需的物理资源，包含计算资源如中央处理单元（CPU,Central Processing Unit）、现场可编程门阵列（FPGA,Field Programmable Gate Array）；缓存资源如内存、硬盘；通信资源如BBU、RRH。虚拟化层负责虚拟化和管理计算、内存、通信资源，根据应用可以按需分配和使用虚拟资源，采用了虚拟机和docker 容器技术。功能层负责控制RAN 的资源、配置和部署，为上层网络控制应用实现定制化无线网络服务。包括状态监控功能（SMF,Status Monitor Function）、QoS 分析功能（QAF,QoS Analysis Function）、策略配置功能（PCF,Policy Configurator Function）和无线资源控制功能（RCF,Resource Control Function），应用层是功能层实现的控制应用，采用了典型的5G 应用：增强移动宽带（eMBB,enhanced Mobile Broadband）、超高可靠和低延时通信（URLLC,Ultra Reliable and Low Latency Communication）和海量机器类通信（mMTC,massive Machine Type of Communication）[19]。

图1 服务化无线接入网控制面架构

该架构借鉴了微服务、服务化架构（SBA,Service Based Architecture）和5G 核心网架构[20]的思想，将控制面解耦，拆分为四个独立的控制操作逻辑，并将其构建为容器化的微服务，服务之间通过RESTful API 进行通信，以进行无线接入网的控制，实现可扩展的定制化服务无线接入网部署与配置。

功能层的四个网络功能（NF,Network Function）功能如下：SMF 实时更新无线接入网配置，控制面需要获取无线接入网的状态信息和运行日志，以便感知无线接入网的网络拓扑和资源的使用状况，计算是否需要更新无线接入网的配置，根据实时感知调整资源的配置，进而更好地满足用户需求；QAF 根据SMF 感知的基站信息和接入基站的用户信息计算基站和用户的QoS，判断基站和用户的QoS 是否满足业务所需的要求，进而发出更新网络配置的请求，更好地应对动态变化的业务需求；PCF 解析QAF 的更新配置请求，识别策略、调用配置模板并修改模板参数。接入基站的用户数量以及用户请求都在随时发生变化，因此需要实时更新无线接入网的配置，RCF 可以在基站运行过程中实时修改无线接入网的配置，如：基站的带宽、频带、功率，基站调度用户的策略、虚拟资源块（vRB,virtual Resource Block）等，根据结果分配资源，以满足不同业务场景的差异化需求。

控制流程将通感算进行融合，一次流程如下：首先SMF 随时感知基站的信息和接入基站的用户信息，然后通过服务化接口将感知到的信息发送给QAF，之后QAF根据信息计算是否需要更改无线接入网配置，如果不需要更改则完成一次流程，如果需要更改则向PCF 发送更新配置请求，PCF 收到请求后会将需要的配置信息修改到模板中并发送给RCF 完成配置的更新，进而完成一次流程。

2 平台实现

平台实现以OAI 为基础，首先搭建了一个包含无线接入网、核心网和终端的端到端试验平台，然后以eMBB 业务为例部署了服务化无线接入网控制面的网络功能，最后将平台部署在docker 容器内，利用Kubernetes 进行编排和管理。

2.1 平台软件环境配置

表1 为软件配置版本，核心网采用了开源项目OAI的openair-cn 平台，该平台实现了3GPP 在Release14 中提出的核心网控制面和用户面分离的特性；无线接入网用户面采用了开源项目OAI 的openairinterface5g 平台，该平台实现3GPP 在Release12 中提出的长期演进（LTE,Long Term Evolution）平台；服务化RAN 控制面基于开源项目Mosaic5G 的FlexRAN 平台，该平台基于SD-RAN 思想实现了无线接入网的控制面和用户面分离，对其进行二次开发，将功能拆分为SMF、QAF、PCF 和RCF 来实现。

表1 软件配置版本

2.2 平台硬件配置

表2 为硬件配置平台所需硬件环境，包括三台通用X86 服务器、一台通用软件通用无线电外设（USRP,Universal Software Radio Peripheral）、一台小米无线路由器和三台智能手机，下面对其作用和配置进行介绍。

表2 硬件参数配置

三台通用X86 服务器：分别用于部署核心网、接入网用户面和接入网控制面，实现一个端到端的移动通信网络。

一台通用软件无线电外设：用于实现无线接入网的射频收发单元RRH 的功能，通过高速链路连接部署了接入网用户面的服务器。

一台小米无线路由器：用于在不同的物理主机之间实现数据的交换。

三台智能手机：用于模拟终端用户收发数据流量。

2.3 实验平台部署

基于软硬件环境配置，对实验平台进行部署。平台利用docker 和Kubernetes 进行部署，每个服务器为一个集群，将部署了服务化无线接入网控制面的服务器作为Master Node；部署了核心网的服务器作为Worker Node1；部署了无线接入网用户面的服务器作为Worker Node2，并通过USB3.0 接口与USRP 连接，将核心网的用户面功能下沉到用户的边缘，减小时延。Kubernetes将预定义的yaml 文件作为模板对平台进行实例化。

oai-ran 的运行需要读取一个配置文件，根据文件的参数运行程序。该文件包括oai-ran 的IP 地址和端口以及基站运行的一些参数模式设置。表3 为几个重要的演进型基站（E-UTRAN NodeB,eNB）配置参数：

表3 eNB配置参数

3 实验结果

实验结果从下行速率、服务响应时间和平均信令开销三个方面对比通感算融合服务化无线接入网和单体式无线接入网平台（OAI）的性能。

3.1 下行速率

为了对比服务化无线接入网与单体式无线接入网的性能，实验通过分别部署服务化无线接入网与单体式无线接入网访问业务，测试下行速率，结果如图2 所示：

因为服务化无线接入网和单体式无线接入网使用了相同的基站配置文件，所以用户获得的带宽资源相同。从图2 中可以看出，服务化无线接入网和单体式无线接入网的下行速率大致相等，所以服务化无线接入网和单体式无线接入网具有相似的网络容量。

3.2 控制服务响应时间

本实验将服务响应时间定义为向应用发起请求到获得服务的时间，包括部署系统、用户接入、重新配置一次无线网络的总时间。服务化无线接入网平台采用Kubernetes 技术基于eMBB 业务控制应用模板实例化，通过NF 之间相互通信完成该过程；单体式无线接入网平台通过shell 脚本文件部署docker 容器完成同样的过程。为了证明服务化无线接入网平台可以提升系统的响应时间，实验分别测量单体式无线接入网平台和服务化无线接入网平台控制服务的响应时间对比。每次增加一个用户接入，分别测量接入网络的用户数量从0个增加到3 个的服务响应时间，结果如图3 所示：

图3 服务响应时间对比图

从图3 中可以看出随着接入无线网络的用户数量的增加，单体式无线接入网的服务响应时间始终高于服务化无线接入网，单体式无线接入网响应时间分别为12.2 s、13.4 s、14.4 s，服务化无线接入网响应时间分别为8.4 s、9.87 s、10.22 s，服务化无线接入网比单体式无线接入网的服务响应时间降低30%左右。

一方面原因是服务化无线接入网的每个NF 解耦后独立性较强，实例化需要的资源和依赖不多且可多个NF 并行实例化；单体式无线接入网的NF 耦合性较强，需要的资源和环境依赖相较于服务化无线接入网单个NF 多，实例化时间较长。另一方面原因是服务化无线接入网配置资源请求执行时间相对较短。因此服务化无线接入网平台相较于单体式无线接入网平台可以降低服务的响应时间，提升服务响应速度。

3.3 信令开销

为了分析通感算融合的服务化无线接入网控制面的信令开销，实验通过分别部署服务化无线接入网平台和单体式无线接入网平台，分别使用抓包工具wireshark，在部署了无线接入网用户面功能oai-ran 的容器内抓取数据流量并进行分析。每次增加一个用户接入该网络，接入网络的用户数量从0 个增加到3 个，分别抓取一分钟的数据包的测量信令开销，结果如图4 所示：

图4 信令开销对比图

从图4 中可以看出单体式无线接入网平台与服务化无线接入网平台信令开销均随接入用户数量增加而增加；服务化无线接入网的SMF 信令开销不随接入用户数量变化，这是因为SMF 监控无线接入网的状态信息，由于用户较少，用户状态信息相对于基站状态信息少很多，所以绝大多数都是基站的状态信息和运行日志，所以少量的用户变化对SMF 的信令的开销影响不明显。

单体式无线接入网的信令开销比服务化无线接入网的信令开销小，这是由于解耦产生了部分额外信令开销，将无线接入网控制面解耦后，需要将原本不同模块或者文件之间调用的参数和处理过程转变为NF 之间的数据的发送和接收，增加了数据封装、解封装和收发的过程，因此增加了少量的信令开销。单体式无线接入网的信令开销与服务化无线接入网RCF 的信令开销相近是因为RCF 的功能与原本的控制面相似，都是进行无线资源的分配，区别只是静态分配与动态分配，抓包时刻用户正在访问视频业务，没有业务变化，所以静态分配与动态分配在这里区别不大。

总体上来说，服务化带来的额外信令开销很小，在30 KB/s左右，解耦后可根据服务需求的不同进行轻量化部署，在基站资源可以满足用户需求的普通情况下，只需要部署SMF 进行监控，通过监控数据分析基站资源无法满足用户需求时再部署RCF 对无线接入网进行重新配置，配置结束后又可以终止RCF，这样做可以减少近一半的信令开销。

4 结束语

为实现6G 对多样化业务的支持，通感算融合与服务化必不可少，本文将无线接入网的控制面解耦，通过试验平台证明了服务化架构可以在保证网络容量的同时，降低服务响应时间和信令开销，并且提升无线接入网的灵活性。

相较于单体式无线接入网，服务化无线接入网增加了存储的信息，因此对于内存有额外的占用，大小与基站当前服务的用户数量成正比，并且智能资源分配算法与各NF 之间通信协议转换也增加了CPU 的资源消耗。

目前该平台对于时延没有明显提升，其中一个原因是NF 之间需要频繁地交互，并且各NF 完成的功能都需要控制面接口才能对eNB 下发指令，未来可以将通感算融合与无线接入网控制面一同实现，进而减少时延。