软件无线电原理与应用（5g网络架构及关键技术分析）

随着 5G 最终到达终端消费者，无线通信的世界即将发生变化。5G 最大的承诺之一是大规模设备通信，为革命性的物联网系统提供动力，例如自动驾驶汽车、元宇宙硬件、游戏虚拟现实 (VR) 和智能工厂。这场革命所需的一些 5G 技术包括机器对机器 (M2M) 通信、大规模机器类型通信 (mMTC)、超可靠低延迟通信 (uRLLC) 和增强型移动宽带 (eMBB)。在这种情况下，基站的优化对于提供低延迟连接、频谱和处理资源的最佳共享以及密集的小蜂窝部署至关重要。此外，5G 将提供跨多技术网络的融合网络通信，以及与卫星、蜂窝网络、云、数据中心和家庭网关合作的开放通信系统。此外，5G 系统将是自主的，并且能够根据所需的 QoS 自行调整，以动态处理应用驱动的网络。在此背景下，我们将在此讨论通过开放无线电接入网络 (O-RAN) 技术实现的 5G 基于移动服务的架构 (SBA) 的编排。本文还探讨了 5G 中软件定义无线电 (SDR) 和软件定义网络 (SDN) 的使用，它们支持网络功能虚拟化 (NFV)、网络切片、云/边缘计算、人工智能 (AI) 和机器学习（ML）。

5G网络架构5G 结构的第一个组成部分是传输网络，它将 5G RAN 连接到核心网络。它可以分为三种结构：前传、中传和回传（见图1）。分布式单元（DU）通过前传网络连接到远程无线电单元（RRU），每个DU可以覆盖从几公里到50多公里的距离，控制多个天线。中程通过将分布式单元 (DU) 链接到中央单元 (CU) 来执行中间连接。最后，回程链路将中央单元和远程/移动系统连接到核心网络。

图1：5G 网络架构由三种结构组成
除传输网络外，5G 核心网络还包含多个用于访问和控制的组件。在 SBA 架构中，组件排列在一组互连的网络功能 (NF) 中，包括NF存储库功能（NRF）、网络切片选择功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）、用户平面功能（UPF）、会话管理功能（SMF）、接入和移动管理功能（AMF）和数据网络(DN)。在用户设备(UE) 端，通过 gNB 节点控制和执行访问，这些节点通过NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。 NG接口承载用户面和控制面协议：用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话，控制面控制会话和与网络的连接，包括服务请求和传输资源。访问和移动管理功能 (AMF) 和数据网络 (DN)。在用户设备 (UE) 端，通过 gNB 节点控制和执行访问，这些节点通过 NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。NG接口承载用户面和控制面协议：用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话，控制面控制会话和与网络的连接，包括服务请求和传输资源。访问和移动管理功能 (AMF) 和数据网络 (DN)。在用户设备 (UE) 端，通过 gNB节点控制和执行访问，这些节点通过 NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。NG接口同时承载用户面和控制面协议：用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话，控制面控制会话和与网络的连接，包括服务请求和传输资源。为了更好地了解 5G 的优势，让我们将其与巨大的 4G/LTE 技术进行比较。首先，5G 技术的核心根本不同，使用毫米波、大规模 MIMO 连接、云原生软件设计和高水平的系统虚拟化。其次，3GPP 5G 是基于服务的架构，这意味着系统元素被定义为网络功能 (NF)，为其他具有授权访问权限的 NF 提供服务。基于服务的性质比 4G/LTE 实施更具吸引力，因为它提供了网络切片、功能虚拟化、基于云的系统以及与Open-RAN 技术更好的兼容性。此外，UPF 的实现，以解耦网关控制和用户平面，以及 AMF，将会话管理与连接和移动性管理分开，在 4G 协议中找不到。在 5G 中，用户平面和控制平面是解耦的，因为 UE 流量是 4G 的 1000 倍。最后，5G 系统允许使用更小、更专业的网络小区，例如 fempto 小区和 pico 小区。 5G 最重要的方面之一是 RAN 元素的解耦和虚拟化，它允许更智能、动态和灵活的网络不同应用。RAN 开发运动的前沿是开放式 RAN (O-RAN) 架构。通过开放 RAN 组件之间的接口，O-RAN 允许运营商在同一系统中结合不同的供应商，从而提高灵活性并让运营商可以自由地与选择的技术提供商合作。在O-RAN中，基站分为两个：集中单元（CU）和分布式单元（DU）（图2）。CU 负责更大的时间尺度功能，而 DU 负责时间关键任务。在链的末端，远程无线电单元 (RRU) 管理所有 RF 通信和组件，例如调制、编码、和避免干扰。在协议栈方面，CU处理高层，DU管理低层，RRU处理物理层。CU 和 DU 之间的开放接口称为高层拆分 (HLS)，而 DU 和 RRU 之间的连接由低层拆分 (LLS) 接口组成。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN智能控制器 (RIC) 上运行。RIC 平台提供对 RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上运行。RIC 平台提供对 RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上运行。RIC 平台提供对RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。

图2：显示了开放式 RAN (O-RAN) 架构

软件无线电 (SDR)软件定义无线电或 SDR 是由模拟无线电前端 (RFE)、基于 FPGA 的数字单元和混合信号接口组成的无线电系统，通常通过 ADC 和 DAC。RFE 负责接收和发送 RF 信号的模拟部分，由 DAC/ADC 接口离散化。RFE 是电路的重要组成部分，因为它定义了信号范围、通道数和带宽。市场上性能最高的 RFE 可实现 3GHz 的瞬时带宽，使用多达 16 个独立通道。SDR 的核心是一个配置有 DSP 功能的 FPGA：调制/解调、上/下变频和数据分组。FPGA 是完全可重构的数字逻辑矩阵，因此同一系统可以支持多种处理算法、最先进的协议、甚至在不改变硬件的情况下实现人工智能。SDR 提供低延迟、灵活性、高互操作性（对于 5G 物理层很重要）和大规模 MIMO 功能——对于波束赋形和空间复用非常有用。一个商业例子是Per Vices 的Cyan SDR（图 3），可用作 5G 基站和测试台/仿真器的核心。

图3：Per Vices Cyan 可用于 5G 基站
在 5G 环境中，RRU 和基带单元 (BBU) 都可以包含一个或多个 SDR 单元来执行无线电相关功能，从而提供兼容性、互操作性和灵活性。例如，在 gNodeB 5G BBU 中，与 RRU 的连接是使用 eCPRI 光纤实现的。在这些情况下，SDR 必须同时包含eCPRI 和千兆以太网 (GBE) 端口，以及处理 MIMO天线的能力。另一方面，RRU SDR 需要符合应用的频率范围，它可以属于 FR1 或 FR2 类别。FR1（频率范围 1）涵盖 6GHz 以下频率（600 至 6000 MHz），而 FR2（频率范围 2）涵盖 24.25 至 52.6GHz 的频带。与 FR1 相比，FR2 频段适用于更短距离/更高带宽的应用。必须选择并配置 RRU SDR 以在所需频谱内工作。小型蜂窝也从 SDR 实施中受益，因为市场上很容易获得轻巧、低功耗和紧凑的完整射频解决方案。 SDR 实施的重要性源于其在O-RAN 系统中的作用。三个最重要的 O-RAN 标志是分解、虚拟化和软件化，最后一个由 SDR 提供。软件化是实现 URLLC、eMBB 和 mMTC 功能的基础。此外，基于 SDR 的系统灵活、可升级和可互操作，使操作员无需不断更换硬件即可控制 RAN。SDR 还可以遵守 RIC 生成的指令，这对于 RAN 优化和自动化至关重要。

软件定义网络 (SDN)软件定义网络 (SDN) 是控制平面功能和转发功能之间的物理分离。典型的 SDN 架构分为三个部分：应用层、控制层（SDN 控制器运行的地方）和物理基础设施。各层通过 API 相互通信（北向 API 用于应用程序控制通信，南向 API 用于控制基础设施）。SDN 提高了可编程性并实现了更高水平的网络自动化和优化。它还在结构内提供类似云的功能，允许从物理层、数据分析算法和通过虚拟覆盖网络进行系统虚拟化的集中计算和网络控制抽象。系统虚拟化支持 5G 中最重要的功能之一：网络切片是指将物理网络划分为多个虚拟网络，这些虚拟网络是独一无二的，并且针对特定的服务或应用程序进行了优化。每个虚拟网络或切片只能配置执行特定任务所需的特定资源，例如自动驾驶汽车、物联网设备和移动服务。这种技术最明显的优势是资源分配的优化和调整，以满足特定客户和细分市场的需求。客户端服务可以分为 eMBB、mMTC 和 urLLC，每个类别都有自己的吞吐量、带宽、延迟和鲁棒性要求（图 4）。网络切片是通过结合使用 SDN、SDR、网络功能虚拟化、数据分析和自动化来实现的。

图4：这是 5G 网络切片的图像
端到端自动化，特别是要设计网络切片方法，网络功能虚拟化 (NFV) 至关重要。这种方法可以实现 RAN 和核心网络功能的虚拟化，这些功能曾经由硬件执行，例如路由、扩展、安全和负载平衡。通过在软件中实现网络功能，运营商无需更换硬件，即可使用最先进的算法不断更新网络功能，节省时间，降低安装成本和客户干扰。此外，NFV 允许通过网络切片实时重新调整用途和重新分配功能，以及对 RAN 资源进行切片间和切片内控制。

用于优化网络资源的 SDR 和 SDN/NFV5G 系统所需的大量数据吞吐量很容易使最先进的 LTE 网络不堪重负。例如，典型的基于 CPRI 的 LTE 前传通常处理大约 10-20 MHz 的通道带宽，这在 10 通道连接中转换为大约 10 Gbps。另一方面，5G 处理 100 MHz 到 500MHz 范围内的带宽，并且通过大规模 MIMO 扩展，前传吞吐量可以达到 Tbps 范围。CPRI 光纤已经不够用了，需要优化技术，例如增强型 CPRI (eCPRI)。在 eCPRI 接口前传中，物理层功能在 RRU 和 DU 之间以优化的比例进行拆分，从而增加了 RUU 的复杂度，同时减少了前传的负载。性能优化的要求不仅限于前传，因为资源实例化的位置、访问和管理都很大程度上取决于服务切片的要求。在这种情况下，基于 SDR 和 SDN/NFV 的结构（图5）可以提供帮助。 5G 优化有几种不同类型的编排和控制。例如，软件定义的 RAN (SD-RAN) 社区正在开发与 O-RAN 兼容的开源 RIC 控制器。SD-RAN 项目专注于开发近实时 RIC (nRT-RIC)，以优化网络控制的动态和延迟，其中最突出的是开源μONOS-RIC。除了开源特性外，μONOS-RIC 还兼容基于 AI/ML 的应用程序，可针对大规模 MIMO、自组织网络 (SON) 和智能无线电资源管理 (RRM) 进行优化。最近开发的另一项优化技术是跨层控制器 (CLC)，它根据实时监控的 RAN 条件应用于网络切片之间的资源分配和配对。

图5：SDN/NFV 可应用于 5G RAN 以优化性能
在基于O-RAN的架构中，网络优化的主要目标是提高各种条件下的整体性能，防止网络不稳定，并以最小的服务损失解决问题。它通过不断测量 KPI 和众包信息，并做出相应的控制和调整单元的决策来做到这一点。这可以防止拥塞、过载和干扰，并减少延迟。在 O-RAN 中，通过 nRT-RIC 执行优化。外部智能可以在 nRT-RIC 之上运行，根据 AI/ML 算法做出决策。AI/ML 驱动的 nRT-RIC 支持使用高级管理算法，例如动态频谱共享 (DSS) 和 NSSI 资源分配优化。在 O-RAN 架构中，SplitOption 7-2x LLS 符合多种优化技术，包括波束成形优化。波束成形可通过将射频波束聚焦到特定位置来提高数据吞吐量和并行连接数量，并提高网络的功率效率和信噪比。大规模 MIMO 天线在波束成形优化中发挥着重要作用。在这些系统中，控制器设定一个全局优化目标，每个 MIMO 小区对波束做出部分贡献。SDR BBU 是 MIMO 天线动态和相干协调的基础。

当前研究和 5G O-RAN 测试平台面向 O-RAN 的 5G 架构在网络设计中引入了若干挑战。研究人员仍在尝试解决几个技术瓶颈，例如如何为 AI 代理提供短开销数据访问，如何设计稳健的数据驱动控制回路，以及每个 RAN 组件的确切角色和要求是什么。SD-RAN 社区是试图解决这些问题的研究团队之一。如前所述，SD-RAN 开发了一种与 AI/ML 应用程序兼容的开源 nRT-RIC，它为数据驱动的控制回路和智能分配提供了必要的技术和抽象。另一方面，OpenRF 协会的目标是开发一个高度互操作的 5G 生态系统，包括射频硬件和软件，以降低集成成本和上市时间，同时保持足够的灵活性和定制化。如果不使用强大的 SDR 和 SDN，SD-RAN 和 OpenRF 项目都不可行。不讨论模拟器，特别是斗兽场试验台，就不可能讨论 5G 研究。Colosseum 是世界上最大的网络仿真器测试平台，拥有 256 个 SDR，能够仿真多达 65536 个射频通道 (100 MHz)。这个庞大的系统可以与 GNU Radio、MATLAB 和大多数 DSP 技术一起使用，并为 AI/ML 算法、MIMO 系统和一般的 O-RAN 提供了一个很好的测试框架。Colosseum 还可以模拟路径损耗、多路径和衰落，提供类似于现实生活环境的射频条件。Leonardo Bonati 研究团队最近使用 Colosseum 验证了使用通过 xApps 在 nRT-RIC 之上运行的深度强化学习 (DRL) 代理进行网络控制的可行性。该算法与 O-RAN 兼容，通过为每个 RAN 切片选择最适合的调度策略来操作，同时考虑 URLLC、MTC 和 eMBB。与其他方法相比，DRL系统的频谱效率提高了 20%，缓冲区占用率降低了 37%。

软件无线电原理与应用（5g网络架构及关键技术分析）