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5GRAN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（ProtocolDataUnit）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（ProtocolDataUnit）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（ProtocolDataUnit）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，3GPP5G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PerVices的CyanSDR（图3），可用作5G基站和测试台/仿真器的核心。
图3：PerVicesCyan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gNodeB5GBBU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，RRUSDR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6000MHz），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RRUSDR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/NFV
5G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10-20MHz的通道带宽，这在10通道连接中转换为大约10Gbps。另一方面，5G处理100MHz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5GRAN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，SplitOption7-2xLLS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。SDRBBU是MIMO天线动态和相干协调的基础。
当前研究和5GO-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(100MHz)。这个庞大的系统可以与GNURadio、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。LeonardoBonati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%。
结论
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