5G基站平臺軟件的挑戰與解決方案

1. 行業背景

在通信行業，隨著移動技術的發展以及物聯網設備的接入，對于5G通信帶寬的需求呈現出爆炸式的增長。如圖1所示，與4G技術相比，5G數據傳輸的速率和網絡時延提高了10倍，而傳輸時間間隔(TTI)卻從1ms降到了0.2ms，網絡的容量和基站的密度也都大幅增加。這就要求5G的基站數據處理能力要大幅提高，對5G基站軟件處理的實時性提出了更為嚴苛的要求;同時伴隨著網絡功能虛擬化技術NFV的出現，5G基站的軟硬件結構和4G對比也需要重新構架。

圖1. 4G與5G關鍵指標對比

2. 5G基站的技術演進趨勢

基于上面的新特性，5G基站出現了新的技術演進趨勢。首先，與傳統4G基站中L1、L2和L3層都放在靠近天線單元的RAN中處理的分布式方式相比，5G C-RAN對L1、L2和L3層的處理更加靠近Cloud端，更加集中。而且針對不同的應用需求，Cloud端與RAN端支持功能模塊結構的不同劃分的集中處理方式。如圖2所示，在5G C-RAN中，既要支持傳統4G基站的分布式處理方式，也要支持將所有功能模塊放在Cloud端的全集中式處理，還支持僅將PHY分布在RAN端而將其它模塊集中在Cloud，以及僅將PDCP集中在Cloud端處理而其它模塊分布在RAN端的半集中處理方式。

圖2. 5G C-RAN不同集中式處理方式的功能結構劃分

正是因為5G中這種靈活多樣的集中式處理方式，就要求4G向5G技術演變的過程中基站的硬件和軟件結構更加靈活多變以滿足不同業務場景的需求，如圖3所示。

圖3. 4G向5G基站技術演變結構圖

其次，隨著網絡虛擬化技術NFV的出現，5G基站也在朝著虛擬化的方向演進, 如圖4所示。虛擬化的優勢在于，分布在天線端的BBU可以被虛擬化為資源池,由Cloud端統一進行管理和調度，從而優化資源的配置和使用。

圖4. 5G基站技術向虛擬化演變結構圖

3. 面臨的挑戰

作為新技術，5G也面臨著諸多挑戰。首當其沖的就是在數據速率提高10倍的前提下，傳輸時間間隔(TTI)需要從1ms下降到0.2ms，這就要求基站的處理速度要大幅提升，對軟件實時性的要求有了極大的增強;同時為了滿足C-RAN虛擬化技術集中化處理的要求，L2層功能結構的不同劃分對應的負載動態變化范圍非常大，對L2層控制面的調度和處理能力有了更嚴苛的要求。上面所面臨的技術挑戰就要求在5G基站中對操作系統有非常強的實時處理能力以及極高的軟件處理性能。

同時，對于虛擬化處理技術NFV，5G也要求需要有強有力的NFV平臺軟件的支撐，來實現各種虛擬化業務，并與L2層的實時操作系統實現完美的融合。

4. ENEA面向5G基站的操作系統軟件解決方案

在實現時，為了滿足5G高帶寬、高數據速率的技術要求，基帶L1層對運算性能要求極高的功能模塊需要放在運算速度高的FPGA、ASIC以及硬件加速器(HW ACC)等專用硬件器件中來處理。而L1層其它功能模塊以及L2和L3層則可以放在SoC多核處理器上處理，在上面運行多核實時操作系統對多核資源進行調度和管理;同時運行NFV平臺軟件，并根據5G C-RAN不同集中處理方式，對不同的功能模塊進行虛擬化，實現Cloud端對RAN端資源的統一管理。

ENEA作為全球領先的實時操作系統以及NFV平臺軟件提供商，為5G基站的實現提供了完備的軟件產品，并基于這些軟件產品提供了多套完整的操作系統軟件解決方案，以滿足5G C-RAN基站技術實現靈活多樣的要求。

4.1 方案1：Enea OSE RTOS + Enea Linux

在該方案中，基帶L1層剩余的對運算要求相對不高的部分以及L2層的全部功能，由于對軟件的實時性要求嚴苛，其對應多核處理器上運行實時性性能卓越的多核實時操作系統Enea OSE RTOS;而L3和OM運維層等對于實時性要求相對寬松，對應的多核處理器上運行嵌入式Linux操作系統Enea Linux。這種方案與傳統基站中基帶和控制層分別跑RTOS和Linux的方案類似，如圖5所示。它對應為圖2中Distributed分離式C-RAN基站部署方式。

圖5. Enea OSE RTOS + Enea Linux

4.2 方案2：Enea OSE RTOS + Enea NFV

5G C-RAN中網絡功能虛擬化技術NFV的出現，就要求通過NFV在同一套硬件處理器上實現多個虛擬機，使網絡設備功能與硬件解耦，以承載更多軟件處理的功能，從而達到資源靈活分配、降低網絡設備成本的目的。ENEA NFV虛擬化平臺技術和虛擬化解決方案可以完美地滿足這一技術需求。在該方案中，基帶L1層剩余的對運算要求相對不高的部分和L2層部分功能，其對應的多核處理器上仍運行多核實時操作系統Enea OSE RTOS;而L3和OM運維層等以及L2層的剩余功能，則通過ENEA NFV虛擬化平臺技術在x86或者ARM服務器上實現多個VM虛擬機，在上面實現虛擬化業務，如圖6所示。它對應圖2中PHY Split和PDCP Split集中式C-RAN基站部署方式。

圖6. Enea OSE RTOS + Enea NFV

4.3 方案3：Enea OSE RTOS as Guest OS + Enea NFV

對于5G C-RAN的NFV虛擬化技術來說，其終極目的是要將運行在多核處理器上L1、L2和L3層的所有功能都進行虛擬化，使每一層的資源都能在Cloud端進行配置和管理，從而最大限度的發揮資源調度的靈活性。針對這一終極目的，ENEA也提供了一套軟件解決方案。在該方案中，通過Enea NFV不但實現了L3和OM運維層的虛擬化，還實現了L1和L2層的虛擬化。在x86或者ARM服務器上實現多個VM虛擬機，各個虛擬機之間通過虛擬交換機技術OVS來實現網絡通信。而在L1和L2層的虛擬機中，仍然運行Enea OSE RTOS多核實時操作系統作為Guest OS，以滿足L1和L2層實時性要求，如圖7所示。它對應圖2中Centralized 的C-RAN基站部署方式。

圖7. Enea OSE RTOS as Guest OS + Enea NFV

5. 結束語

5G技術作為4G的延伸和演進，它的推進和實現離不開通信設備廠商和操作系統軟件廠商在技術上的積累與沉淀，以及彼此在軟硬件上的高度契合。作為專注于移動通信領域實時操作系統和NFV平臺技術的軟件廠商，ENEA(瑞典宜能)成立于1968年，并于1989 年在瑞典上市，是OpenNFV開源組織的主要貢獻者之一。

針對5G領域面臨的挑戰和發展趨勢，ENEA提供了三種全新的、面向5G基站的操作系統軟件解決方案，分別對應5G C-RAN在不同業務應用場景下的不同部署方式。包括：

· 分布式結構解決方案，與傳統4G基站對應，其具有結構扁平化、容易部署的特點，業務場景適合鄉村等網絡覆蓋廣、人口密度小的地方。

· 全集中式結構解決方案，采用了虛擬化NFV技術，硬件資源的配置和利用到達了最優，適合于城市中辦公室、商場、體育場、廣場等人流密集的熱點區域，這些地方對網絡的速率和性能要求非常高。

· 而半集中式結構解決方案，則居于前兩者之間，適合于覆蓋相對較廣、人流相對不密集的場所。