5G无线网络架构及虚拟化技术（中国电信）会员需求回应_30页_4mb

5G无线网络架构及其虚拟化技术总结

核心内容

5G无线网络架构采用CU（集中单元）与DU（分布单元）分离的模式，以实现网络功能的灵活部署和资源的高效利用。该架构通过F1接口连接CU与DU，控制面消息采用SCTP，用户面消息采用GTP-U。CU负责非实时处理功能，可采用虚拟化技术部署在通用硬件平台上；DU负责实时处理功能，通常采用专用硬件平台。

主要观点

• CU/DU功能划分：基带非实时处理位于CU，基带实时处理位于DU。CU具备较低的实时性要求，可实现资源的集中管理和灵活调度；DU具备较高的实时性要求，需采用专用硬件平台。
• 不同划分方案的目标：降低传输带宽需求，满足协议层之间传输时延要求，支持协作化算法，如联合调度、联合接收、联合发送。
• 引入CU/DU架构的好处：
  • 可充分利用硬件资源，方便网络扩缩容和在线迁移；
  • 有利于实现多RAT融合和无缝移动性管理；
  • 支持灵活的资源协调和配置；
  • 提供更开放的接口，支持边缘计算和新业务的敏捷部署；
  • 便于智能网络运维，实现网元集中管理。

关键信息

不同CU/DU功能划分方案对比

传输带宽与时延假设条件

标准化进展

• SII阶段：2017年3月冻结，完成8种划分方案的评估分析。
• WI阶段：3GPP确定Option2（PDCP-RLC划分）为CU-DU之间的划分方案，作为R15 NR标准化工作重点。
• 相关文档编号：TS 38.401、TS 38.470、TS 38.471、TS 38.472、TS 38.473、TS 38.474、TS 38.475。
• CU可分裂为CU-C和CU-P，通过E1接口连接。

虚拟化技术

• 虚拟化定义：将物理资源（CPU、内存、网卡等）映射为虚拟资源，实现资源的共享与隔离。
• 虚拟化类型：
  • HW Assisted CPU Virtualization：Intel VT-x、VT-i，AMD Secure Virtual Machine。
  • 内存虚拟化：实现内存的共享与隔离。
  • IO虚拟化：三种模型（Monolithic Model、Service VM Model、Pass-through Model）各有优劣，需根据需求选择。

虚拟化的好处

• 共享：提高硬件资源利用率。
• 封装：虚拟服务器仅需一个镜像文件和配置文件，实现快速部署。
• 隔离：实现故障与安全隔离，支持资源调度。
• 硬件无关：支持异构系统共存，实现“一次构建，处处运行”。

ETSI NFV架构

• 基础设施层：包括硬件资源层、虚拟化层和虚拟资源层，实现对虚拟网络层业务网元的承载。
• VIM：虚拟化资源管理模块，负责资源的管理、调度、编排和监控。
• 虚拟网络层：基于NFVI实现业务能力。
• MANO：由NFVO、VNFM和VIM组成，负责虚拟业务网络的部署、调度、运维和管理。

无线网络虚拟化带来的好处

• 支持快速部署新业务：通过资源切片实现资源的共享与隔离。
• 降低网络建设与运维成本：实现软硬件解耦，提升网络灵活性与可扩展性。
• 实现端到端网络切片：通过“用户 $\leftrightarrow$ 无线接入网 $\leftrightarrow$ 核心网 $\leftrightarrow$ 业务平台”的虚拟化，实现资源的统一管理与调度。
• 加快新无线接入技术验证：支持在现有虚拟化网络中进行新技术的规模验证实验。

无线网络虚拟化面临的挑战

• 性能挑战：通用处理器在处理无线信号时面临性能瓶颈，需考虑使用高性能的DSP核。
• I/O虚拟化性能瓶颈：虚拟化层软件调度可能成为高速数据转发的瓶颈。
• 在线迁移与热备份：需满足严格实时性和高可靠性要求。
• hypervisor选择：需评估多种hypervisor（如Xen、Vmware、KVM、Docker）的适用性。
• 标准化问题：需要制定统一的虚拟化标准和接口规范。

通用处理器平台

• X86架构：采用Intel Xeon至强系列CPU，满足高性能、高密度计算需求。
• NUMA架构：确保同一虚拟机的vCPU分配到同一Node中的pCPU，减少延迟。
• 开源方案：建议采用KVM+QEMU虚拟化层，基于Linux操作系统，进行实时性优化（如CPU亲和性、优先级设置、内存锁定等）。

虚拟化运维部署方式

• 设备商云平台部署：设备商提供全套虚拟化网元，集成度高但兼容性差。
• 运营商云部署方式一：运营商提供全部云管理系统，设备商部署VNF及其VNFM，实现功能分离。
• 运营商云部署方式二：运营商提供部分VNFM功能，设备商提供部分功能模块，实现灵活管理。
• 运营商云部署方式三：运营商提供完整云管理，兼容更多VNF，发挥云平台的伸缩性、调度性等优势。

虚拟化运维部署对项目交付与组织架构的影响

• 项目交付需求：
  • 传统运营商：水平集成（网元间集成）。
  • NFV转型后：水平集成（网元间集成）和垂直集成（同一网元的软硬件集成）。
• 组织架构转型需求：
  • 网络组织：
    • 传统运营商：运营商+CT厂商。
    • NFV转型后：运营商+CT厂商+IT厂商+软件集成商。
  • 运营维护：
    • 传统运营商：人工为主，瀑布流。
    • NFV转型后：自动化为主，DevOps。
  • 服务售卖：
    • 传统业务：传统服务内容。
    • NFV后：传统服务+开源引导新内容，支持NaaS（网络即服务）。

总结

5G无线网络采用CU/DU分离架构，结合虚拟化技术，实现网络功能的灵活部署和资源的高效利用。虚拟化技术通过资源映射、封装、隔离和硬件无关等特性，提升网络的可扩展性、开放性和智能运维能力。同时，面对性能、I/O虚拟化、在线迁移、hypervisor选择和标准化等挑战，需采用高性能通用处理器平台和开源虚拟化方案，实现与运营商云平台的协同部署。虚拟化运维部署不仅对项目交付提出新要求，也促使运营商组织架构向更开放、更灵活的方向转型。