基于 6G 服务的 RAN 白皮书

基于6G服务的RAN白皮书 （2022） 中国移动研究院 前言 第五代（5G）网络开启了万物互联的新时代，支持丰富的移动服务和物联网服务。为了满足多样化业务快速交付的要求，5G核心网（CN）革命性地将基于服务的架构（SBA）作为基础设施，并对控制平面和用户平面的解耦进行优化。5GCN的控制平面基于模块化被分解为不同的网络功能(NF)。拆解的网络功能可以独立扩展、独立演进和按需部署。每个NF具有多个网络功能服务(NFS)。因此,可以实现CNNF的按需定制和不同场景和需求的灵活支持。 目前，对SBA的研究主要集中在CN控制平面上。对基于服务的RAN的研究还处于起步阶段。长期以来 ，基站一直以集成的单片方式发展，以保证“最后一英里”的最终性能。主要由于性能的原因，学术界和工业界对开发基于服务的RAN犹豫不决。但是从我们的角度来看，性能问题不会成为探索基于服务的RAN的障碍。一方面,目前3GPP/ITU定义的性能指标是针对空口的,但在某些场景下,高可靠性和低延迟等指标并不是最重要的,但端到端性能指标是我们需要关注的。另一方面，绩效指标之间存在“博弈”关系。尽管看起来基于服务的RAN可能会降低某些性能，但可以通过提高系统稳定性，可用性和其他能力来补偿其性能损失。此外，云原生技术和芯片功能的进一步发展也将减轻这些性能损失。 面对未来不确定的新业务和新场景需求[1]，我们应该更加注重提高网络对所有场景的适应性。在网络功能层,根据需要灵活组合必要的网络功能,以提供定制的网络服务。在基础设施和资源层，适当的网络资源（包括计算，存储，频谱，功率和部署位置等。)根据需要进行分配，以最大限度地提高网络资源效率。在应用和服务层，应准确感知服务需求，并以多维度的方式对网络功能和网络资源进行智能编排和管理，以充分适应各种场景。我们认为基于云原生技术的端到端服务架构是提升网络场景适配能力的必要技术手段。为了最大限度地提高网络的适应性，研究基于服务的RAN是未来网络架构设计的重中之重[2-3]。 本白皮书从基于服务的RAN的驱动因素出发,介绍了基于服务的RAN的设计原则、总体愿景、关键技术 、发展挑战,以及可能的应用场景和标准化前景,希望与业界伙伴共同推动基于服务的RAN研究。 Contents 1.云RAN引领产业发展为基于服务的RAN铺平道路1 2.基于服务的RAN愿景2 2.1基于服务的RAN设计原则2 2.2基于服务的RAN的总体概念3 2.2.1级别1：基于服务的控制平面接口，支持RAN和CN之间的直接通信NFs3 2.2.2级别2：基于服务的RAN控制平面，实现端到端优化Procedures4 2.2.3第3级：基于服务的RAN用户平面，实现跨层传输更容易4 2.2.4第4级：DOICT驱动的基于服务RAN5 2.2.5第5级：基于服务的UE启用UE和网络的共享服务5 3.基于服务的RAN关键技术5 3.1基础设施层关键技术6 3.1.1云Native6 3.1.2虚拟化7 3.1.3异构Computing8 3.2网络功能层关键技术研究8 3.2.1服务定义8 3.2.2基于服务接口9 3.2.3数据处理订单9 3.2.4数据包格式定义9 3.2.5Data安全9 3.2.6数据收集机制9 3.3编排与管理层关键技术研究10 3.3.1服务业务流程10 3.3.2服务Control10 4.基于服务的RAN面临的挑战11 5.基于服务的RAN应用场景12 5.1按需提供必要的垂直服务Industries12 5.2为个人提供特定于用户的服务能力用户12 6.基于服务的RAN标准化的初步思考13 7.发展前景13 参考文献15 Contents 1.云RAN引领产业发展为基于服务的RAN铺平道路 为满足多样化业务对5G网络灵活性和可扩展性的要求，网络的软件化、虚拟化、云化已成为必然趋势 ，CloudRAN也受到全球运营商的广泛青睐。 CloudRAN帮助运营商构建低成本、资源高效、绿色、完全自动化的无线网络。它有两个核心功能，为成功部署云RAN奠定了基础： 常见硬件平台（包括加速器）：传统专用硬件基站(BS)的能力受到硬件能力的限制。提高BS的信号处 理能力的常见方法是补充基带处理板。额外的硬件板不仅会增加设备成本，还会增加功耗，功耗受板数的影响很大，与工作负载的关系较小。与传统的专用硬件BS不同，云RAN的RAN功能软件承载在云RAN中的商用现成（COTS）平台上，便于硬件资源的共享和功能软件的按需部署。预计设备成本将降低40％，运营成本将降低30％，并且在典型场景下，每个BS的功耗预计将节省约5％。 云原生技术：为了满足用户的需求，设备制造商必须不断升级BS的软件版本。当前,升级是麻烦的、耗 时的、容易出错的,并且容易引入服务中断。不同的是，在云RAN中，借助Kberetes等云原生技术和 DevOps原理，RAN功能可以部署在裸服务器上的容器中，从而实现更快的版本升级和在线应用。 设备商积极开发云RAN产品，专用硬件产品的性能差异逐渐缩小。早在2016年，诺基亚研发的全球首款云RAN系统在韩国实现商用，2019年年中已实现大规模商用部署。具有虚拟化集中式单元（CU）和虚拟化分布式单元（DU）的第二代系统正在试用中，并将于2022年商业化。爱立信还推出了一系列云RAN产品 ，并利用英特尔至强处理器和其他技术来提高5G及更高版本的云RAN性能。在同一时期，三星部署了业界首个完全虚拟化的端到端（E2E）商用5GRAN，证明了虚拟化RAN解决方案能够处理大量数据，其性能可以达到与传统专用硬件产品相同的水平。 运营商正在积极开展建设基带单元(BBU)的大规模部署 -集中式RAN，而云RAN已成为大势所趋。根据IDC的数据，到2021年底，80%的企业将加速云应用。中 国移动运营商也提出“云网融合”作为未来网络建设的主要目标之一。中国移动正在大力推进云网络部署，预计到2025年将实现100%的云核心网。到2021年7月，中国移动已部署超过50万个5G基站，集中式BBU的部署比例将在2021年超过70%，2022年超过75%。集中式BBU将有助于降低功耗并促进协作、虚拟化和云部署 。AT＆T还与爱立信签署了一项为期五年的协议，以加快其5G集中式RAN网络的部署，为... 1 CloudRAN的演进。 虚拟化RAN和云RAN不是未来无线电网络的最终目标。根据我们的理解，基于服务的RAN将是云RAN的下一步。ClodRAN为未来的无线网络提供了灵活可扩展的平台，但其服务能力仍然有限：从功能上来看，BBU的最小开发粒度为CU或DU，相对较大，仍然无法满足快速在线和灵活部署特定新功能的要求。从接口的角度来看,在BS内、BS之间以及BS与核心网(CN)之间仍然使用点对点专用接口。每当BS或CN网络功能（NF）发生变化时，都必须对相关接口进行相应的修改，从而导致标准化工作负载高，操作管理和维护（OAM ）的复杂性高。 为了灵活响应未来应用和场景的更多样化的功能需求、服务质量(QoS)需求、管理策略需求、部署需求和暴露需求，并使网络具有转发兼容性，需要努力提高下一代无线接入网的服务能力，以便更好地发挥云RAN的平台优势。 -通过RAN功能业务的定义，将更快地实现基站软件版本的升级，及时满足应用功能需求； -通过RAN和CN服务之间基于服务的接口的定义,一种新的交互方式将被引入到E2E过程中。 -通过定义RAN服务和第三方服务之间的基于服务的接口,将暴露更及时和多维的无线网络能力。 -通过云原生基础设施平台，可以实现硬件资源的池化和共享，降低整个网络的成本和功耗，快速响应服务部署需求。 -通过RAN和CN服务的集成编排和管理，可以降低OAM的复杂性，提高网络对新服务的适应性 。 2.基于服务的RAN愿景 2.1基于服务的RAN设计原则 在通过微服务创新无线接入网架构之前，需要确定基于服务的RAN的基本设计原则，以避免因服务划分不合理而导致的“分布式整体”。基于服务的RAN的设计原则主要包括以下五个方面： 1.RAN提供的服务需要根据外部需求来定义。网络用于处理业务需求,因此定义基于服务的RAN设计的 第一步是将外部需求分类为关键请求,对于接入网络,需求可能来自CNNF、接入网络节点、第三方应用或用户设备(UE)。 2.RAN业务的定义需要满足“松耦合”和“高内聚”的要求[5-6]。罗伯特·马丁对单一责任原则有一个 阐述：“把那些因同一原因而变化的东西聚集在一起，把那些因不同原因而变化的东西分开。”也就是说，改变一项服务应该只有一个原因，每个责任2 由服务承载是修改它的潜在原因。微服务应该被设计为小的、有凝聚力的，并且只包含一个单一的责任，这样可以减少服务的规模并提高其稳定性。但是“小”并不是微服务的首要目标。 “松耦合”是微服务架构的核心特征。微服务是一个独立的实体，可以独立修改，服务的部署不应该引起服务使用者的变化。对于一项服务，应该仔细考虑什么应该暴露，什么应该隐藏。如果暴露得太多，服务使用者将在某种程度上与服务提供者耦合，这将导致两个服务之间的额外协调工作，从而降低服务的自主性。 3.确保数据的私有属性是松耦合的先决条件之一。如果需要维护服务之间的数据同步，则服务提供商的 修改将极大地影响服务消费者。 4.基于服务的RAN的目标是定义RAN服务和服务之间的接入关系。目前，即使在微服务技术非常成熟的信息技术（IT）领域，也没有特定的算法可以辅助服务拆分或服务定义。基于前面的研究，我们认为基于服务的RAN架构的设计可以通过以下三个步骤来实现：首先，将外部需求分类为关键请求，即系统操作（5GC中有两种系统操作模式：请求-响应和订阅-通知）。其次，确定RAN服务。第三,适当地将系统操作分配给RAN服务。 5.控制平面和用户平面功能的深度分离以满足用户平面功能的轻量级、低成本和灵活部署需求。 2.2基于服务的RAN的总体概念 考虑到行业成熟度和技术成熟度等各个方面，基于服务的RAN的发展可能包括以下五个级别，并且不同级别可以独立或同时出现。 2.2.1级别1：基于服务的控制平面接口，支持RAN和CNNF之间的直接通信 在传统的通信模型中,基站和CNNF使用预先建立的点对点接口相互通信,每当引入新功能时,都需要增强现有的网络功能,并且需要在新功能和与其通信的现有网络功能之间定义新的点对点接口。 随着5GSBA-CN的演进，SBA将不再局限于CN，而是将扩展到CN和gNBCU-CP之间的N2接口 。在这个级别上，gNBCU-CP作为一个整体将作为RAN服务运行，并与CNNFS进行交互。 图1：第1级：基于服务的控制平面接口 3 2.2.2级别2：基于服务的RAN控制平面，实现端到端过程的优化 在该级别,RAN的控制平面功能将被重构为多个RAN控制平面服务(CPS)。CPS可以大致包括以下类型:无线电承载管理服务(RBS)、连接移动性管理服务(CMS)、本地位置服务(LLS)、多播广播服务(MBS)、数据收集服务(DCS)、信令传输服务(STS)和RAN暴露服务(RES)。 基于服务的RAN控制平面方案可以带来至少以下两个技术优点。首先,RAN服务可以直接与CN服务通信 ,这将减少网络中不必要的AMF转发。其次,利用基于服务的RAN控制平面,RANCPS和其他服务(包括CNNF 和其他RANCPS)之间的交互可以从串行交互改变为并行交互,这可以优化控制平面过程。 图2：级别2：基于服务的RAN控制平面 2.2.3第3级：基于服务的RAN用户平面，使跨层传输更容易 传统的移动通信协议遵循分层的开放系统互连(OSI)参考模型。每个层接收由其下层提供的特定服务,并且负责向其上层提供特定服务。上层和下层之间的交互遵循“接口”协议，同一层之间的交互遵循“协议”协议。这种分层设计理念的问题在于协议和服务模型是固定的,无法实现灵活的跨层信令交互和跨层功能组合。借助微服务