基于O-RAN的无线云网络

一、无线云网络

无线接入网的云化更易于实现无线网资源灵活调整、支持无线网络切片的创建,满足MEC业务边缘部署的需求,实现资源的高效利用。AI的作用已成为无线云网络的核心。

无线云网络的目的是希望利用集中式基带池、协作式无线网络以及开放性平台,在有效减少机房数量并提高频谱效率之后,帮助运行商更好地实现节能、云架构实施以及移动网络演进。

随着5G研究及标准化的深入推进和NFV/SDN技术的发展,无线网络云化已经得到业界的高度认可。无线接入网的云化更易于实现无线网资源灵活调整、支持无线网络切片的创建,满足以用户为中心网络的MEC业务边缘部署的需求,实现资源的高效利用。

二、O-RAN组织

2018年MWC会议期间,CMCC、AT&T、DT、DOCOMO、Orange五家运营商联合成立O-RAN联盟,后来扩展到12家。将原来由几个运营商分头主导的C-RAN、xRAN、甚至M-CORD等几只力量重新整合,走向更开放、更智能。随着5G商业的临近,全球通信领域创新资源都在整合,聚集力量。

O-RAN的理念是开源软件、白盒硬件、开放接口、软硬解耦、智能网络。O-RAN联盟的使命是重塑行业,使其朝着更加智能、开放、虚拟化和完全可互操作的移动网络方向发展。新的O-RAN标准将使RAN供应商生态系统更具竞争力和活力,以更快的创新来改善用户体验。与O-RAN兼容的移动网络将同时提高RAN部署和移动运营商运行的效率。

ORAN带来的改变在三个方面:
1)首先各成员很容易基于开源软件及硬件参考设计进行二次研发,形成最终的产品;
2)其次,由于引入了大量的标准化接口,厂商可挑选自己最擅长的部分聚焦研发。软件模块、硬件模块、NFVI平台等几个方面都将更加专业,分工也更加明确。ORAN将细化无线设备研发的产业分工,提高行业整理效率和竞争力。
3)引入人工智能技术,提升设备对复杂环境的适应性。

为了实现这一目标,O-RAN联盟划分三大主要方面:
1)规范方面。努力促成开放、智能RAN的新标准;
2)O-RAN软件社区。为RAN开放软件开发(与Linux基金会合作);
3)测试和集成工作。支持O-RAN成员公司测试和集成他们的O-RAN实现。

三、无线云网络关键技术

1)SDR(软件定义无线电技术)
为了支撑指标,5G接入网要有更灵活的网络架构。SDR基于软件定义的无线电通信协议而非通过硬连接实现。频段、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级,而不用完全更换硬件。

2)与网络切片结合的云化
在未来移动通信系统中,多种制式无线接入系统将长期共存。鉴于多样化的 业务特征,需要结合业务需求、网络状态以及用户喜好和终端能力等因素,进行差异化的数据传输和承载,包括灵活调度与分配、分流与聚合等,实现系统资源利用和业务质量保证的良好均衡。5G 接入云将是一个多拓扑形态、多层次类型、 动态变化的网络,可针对各种业务场景选择集中式、分布式和分层式部署,可通过灵活的无线接入技术,实现高速率接入和无缝切换,提供极致的用户体验。

3)MEC(移动边缘计算)
MEC通常用于描述将服务推向网络边缘的概念。它为应用程序开发人员和内容提供商提供了云计算功能,以及在网络边缘的IT服务环境。这种环境的特点是超低延迟和高带宽以及对应用程序可以利用的无线网络信息的实时访问。

4)智能化自适应调整
5G网络将会变得越来越复杂,密度越来越高,应用也越来越丰富,要求也越来越高。网络必须是自动的,它们应该能利用基于学习的新技术来自动化操作网络功能并减少运营成本;利用机器学习让无线设备在不同场景下更好地适应环境需要,提升网络性能性能,更好地满足未来5G复杂的应用场景需求。

5)D-MIMO(分布式多输入多输出系统)
5G/6G采用的频段频率很高,意味站点多,站间距离小,这么密集的网络最大的问题就是干扰,以OFDM技术为基础的网络完全是同频组网,实际就是个自干扰网络。为了解决干扰问题,D-MIMO技术应运而生。D-MIMO的思想起源于CoMP。对一个终端联合发送的基站会组成一个Group,D-MIMO会促使同个Group内不同用户之间进行SDMA,通过空分配对的用户趋近于正交,也就是可以使用相同的时频资源,再通过干扰消除技术就可以比较完美的解决干扰问题。

四、系统架构

5G无线网基于CU/DU分离的架构:
基于O-RAN的无线云网络
高层RAN架构:
基于O-RAN的无线云网络
设备实现目前有两种主流的技术架构,分别是基于x86与ARM这两种。符合目前硬件通用化的潮流。

基于ARM的方向:LTE时代做DSP的freescale公司已被NXP公司收购,ORAN方面专注于做ARM+FPGA解决方案,ARM本身是精简指令集,在UE侧使用成熟,能耗方面有优势。系统连接图如下所示:
基于O-RAN的无线云网络
基于x86方面:Intel对5G基站解决方案很感兴趣,提供了FlexRan物理层开源代码,有利于后期的开发。ORAN倾向基于Option7或Option 8进行CU/DU的分离。
基于O-RAN的无线云网络
基于O-RAN的无线云网络
基于O-RAN的无线云网络
产业链的其他主要厂家有:
1)传统形态集成商:京信、佰才邦、新华三、锐捷、博威通、赛特斯、中科晶上等;
2)运化形态集成商:联想、新华三等;
3)硬件子系统供应商:富士康、共进电子、上海剑桥CIG、成都芯通NTS、浪潮等;
4)软件子系统供应商:中科晶上、风河、ArrayComm、Aricent、Radisys等;
5)关键器材厂商:Intel、恩智浦NXP、赛灵思、博通等;
6)测试仪表厂商:viavi、KeySight等;
7)网优工程商:三维通信、国人通信、瑞斯康达等。

五、演进前景

为进一步推进无线网云化和MEC的融合研究,2018年中国移动联合AT&T、DT、NTT docomo、Orange五家运营商联合发起ORAN项目,旨在打造“开放”与“智能”的高灵活、低成本无线网络。其中一个重要的研究内容就是进一步在CU能力开放的基础上更好地支撑MEC业务的应用。通过在无线云化的基础架构上引入大数据和人工智能技术,网络可以更加准确地感知和预测业务需求,通过面向业务的网络状态上报接口和业务向下的网络能力需求接口的标准化,从而实现网络与上层业务的紧密协作。愿景是将无线CU演进为更加智能、更加迎合业务需求的边缘业务支撑平台,从而打造面向上层应用业务的无线网PaaS平台。再者,支撑边缘计算的整体方案研究已经在规划中。面向未来的网络架构演进MEC方案必将融合核心网功能设计、无线网能力开放方案、NFV基础设施研发等多个方向的技术方案。目前,中国移动正在尝试构建基于边缘云平台的MEC端到端方案验证平台,验证MEC、边缘云、管理编排、5G与MEC协同、无线能力开放、策略和计费等可运营、可管理方案,从而为MEC在5G时代真正广泛商用做好准备。这一试验平台方案接近真实的MEC运行环境,将移动通信的各个功能模块打通,使端到端整体的管道拉通,MEC才可能从孤岛式的独立应用变为5G时代真正具有快速上线、快速复制和广泛商用部署的完备方案。

六、O-RAN在人工智能方向的前景

人工智能和通信网络的关系,通信网一方面将充分吸收和利用人工智能技术,提高网络运营、服务和管理等全链条的智能化水平,成为人工智能的使用者和受益者;另一方面,也将极大地促进和带动人工智能应用和产业的发展,成为人工智能的推动者和赋能者。人工智能将是5G时代或者智慧网络时代的一项重要技术,无线网、核心网、传输网等各个层面都离不开人工智能。

ORAN联盟,旨在将下一代无线通信网络的开放性提升到新的水平,不仅在核心网领域,还包括接入网领域,实现开放、开源、智能化的目标。未来ORAN将大量引入AI技术,以提升设备对复杂环境的适应性。ORAN的一个重要研究点是利用人工智能技术提升无线资源管理和无线传输技术的环境适应性。可利用机器学习让无线设备在不同的场景下更好地适应环境需要,提升网络性能的同时,更好地满足未来5G复杂的应用场景需求。

如果没有开放性,就不可能将服务敏捷性和云计算经济引入到运行中。开放接口对于使较小的供应商和运营商能够引入自己的服务,或自定义网络以满足自己的独特需求至关重要。开放接口还支持多供应商部署,使供应商生态系统更具竞争力和活力。类似地,开源软件和硬件参考设计使更快、更民主和更少许可的创新成为可能。

随着5G的到来,网络将会变得越来越复杂,密度越来愈高,应用也越来越丰富,要求也越来越高。为了克服这种复杂性,我们不能使用传统的人力密集的方法来部署、优化和操作网络。相反,网络必须是自动的,它们应该能够利用基于学习的新技术来自动化操作网络功能并减少运营成本。ORAN联盟将努力利用新兴的深度学习技术,将智能嵌入到RAN架构的每一层。嵌入式智能,应用于组件和网络级别,可以动态化本地无线电资源分配和优化网络的效率。通过与标准化的南向接口相结合,AI优化的闭环自动化是可以实现的,并将开启网络运营的新时代。

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