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致力于ICDT融合 打造开放与智能的无线接入网
日 期:2019-01-17   来源:中国移动研究院 崔春风 段然 王桂珍

在“无线互联网”流量持续快速增长而收入增长放缓、语音收入下降的背景下,运营商必须依托5G应对流量增长和不断涌现的新业务,同时针对多样化的垂直行业的“蓝海市场”拓展盈利能力。因此业界达成了共识,定义了5G三大应用场景:增强移动宽带通信(eMBB),低延迟高可靠通信(ULLRC),以及海量物联网通信(mMTC)。

为应对这一新的需求,业界已经做出了一些尝试。网络功能虚拟化(NFV)、基于服务的核心网架构(SBA)、网络切片等,都是为了能够快速应对多样化需求而做出通信网形态的改变。这些改变无一不体现中国移动提出的通信4.0的开放、灵活、低成本、ICDT融合发展等网络融合发展的理念。5G核心网的变革已经悄然发生,而在无线接入网领域,5G无线接入网具有“业务多、带宽大、频段高”等特点,势必引起单站覆盖变小、设备复杂、建网规模大等问题,导致网络成本巨大,投资回报风险增大。结合无线网这些具体的特征和需求,无线接入网领域势必需要引入新的IT、CT、DT融合的研发和设计思路,这与通信产业的宏观演进趋势一脉相承。

基于此,中国移动联合AT&T等运营商整合C-RAN联盟和xRAN论坛,主导创建ORAN产业联盟,提出了“开放”和“智能”两大核心愿景,这符合通信产业大的发展趋势,也是运营商主导的又一次大的网络变革。ORAN联盟立足于利用大数据、机器学习和人工智能技术建设开放智慧无线网络,同步结合开放标准、白盒硬件和开源软件来降低无线网络成本。本文将系统地将ORAN的核心理念逐一阐述,并与读者一起分享ORAN联盟的最新进展。

ORAN的核心特征

ORAN致力于推动无线接入网向更开放及更智能的方向演进,由传统模式向开放、智能的方向演进,它的核心特点包括四个方面。

接口开放

传统无线网络的接口大多是厂家私有实现的封闭接口,比如:RAN BBU和RRU之间接口、BBU与OMC之间的接口均不开放。『接口开放』的目标是让原来不开放的无线网接口标准化、开放化。通过各类接口开放,繁荣产业生态,降低各类模块单元成本的同时,鼓励业务创新,降低成本。

软件开源

传统无线设备是厂家单独封闭开发,周期长,成本高。『软件开源』的目标是让无线网络通用及基础软件开源化,如底层操作系统及协议栈软件等,通过更多企业共同研发,共享开源代码,降低研发成本,加速研发进度。基于开源软件,各个产业合作伙伴聚焦在体现自身能力与价值的核心算法及差异化功能的研发上,既降低行业整体研发成本,又体现每个单位的差异化价值,实现共赢的局面。

硬件白盒

传统无线设备的研发能力掌握在少数几家大公司里,导致行业入门门槛较高,容易造成少数公司的垄断,不利于竞争和创新。『硬件白盒』的思路是通过“公版”的开放设备参考设计,形成规模效应,降低全产业链成本。同时降低研发难度和研发成本,吸引更多中小企业进入到电信行业,促进竞争,鼓励创新。

智慧开放运营

目标是通过引入无线大数据、人工智能技术以及无线能力开放平台,赋予无线网络一定的智能。利用大数据和AI能力,可以灵活高效支持复杂多样的垂直行业业务及切片需求,在复杂组网环境下实现高效自动化的网络管理和频谱资源的高效利用,在降低现有无线资源管理及调度算法的复杂度的同时,来提升无线网络的性能和降低无线网络的能耗。

通过开放、开源及白盒,可以给中小企业带来全新的机会,鼓励他们的创新发展,从而带动产业链的进一步繁荣与壮大。利用智能技术,也可以进一步提升无线网络的智慧化水平,实现智慧运营,支持灵活切片,提升网络性能,降低运维成本。

基于CU/DU和功能 虚拟化的ORAN架构

ORAN参考架构的设计原则是建立在无线网CU/DU架构和功能虚拟化的基础之上,引入开放接口和开放硬件参考设计,同时利用人工智能优化无线控制流程。从整体逻辑上,划分了四个功能组件。

无线网智能控制器非实时层(Non-RT RIC)

ORAN整体架构中,引入了无线网智能控制器组件。这一组件的核心是利用人工智能技术针对无线资源的使用和分配进行推理、判断和决策,特别是利用预测能力增强资源分配的合理性。而根据处理延时的特性,将RIC划分为非实时无线智能控制器和准实时无线智能控制器。非实时的智能控制器包括:微服务和策略管理、无线网络分析以及AI模型的训练等功能。训练后的AI模型通过A1接口分发给近实时无线智能控制器进行在线推理和执行。

A1接口:非实时无线智能控制器嵌入于网管功能,而近实时控制器嵌入于无线网元eNB/gNB中。由于人工智能的引入,网管与无线网元间的管理接口A1超出传统网管的FCAPS功能,扩展了基站运行策略的下发以及AI机器学习模型的下发等新的数据信息。

无线网智能控制器近实时层(near-RT RIC)

ORAN架构中的近实时无线网络智能控制器组件,嵌入在CU内运行,可理解为嵌入人工智能技术的下一代RRM(RRC层的无线资源管理功能)增强功能实体。near-RT RIC的功能可以是全部或者部分RRM的功能,完全兼容传统的RRM功能。例如:基于用户级的载波负载均衡判断、无线承载管理、干扰监测以及移动性管理等。考虑CU内的RRM是跨多个DU的控制节点,在无线资源管理能力上又具有全局性的资源管理特点,结合人工智能/机器学习技术后,可以利用人工智能的业务或者资源预测能力提升多站无线资源管理的效率。near-RT RIC同时又是一个开放、鲁棒、安全、能力可拓展的算法实时运行平台,接纳第三方提供的人工智能执行模型或微服务。这为运营商引入第三方定制化的功能逻辑提供了基础平台,成为未来无线网具备定制化、满足各类差异化需求的关键。

E2接口:介于near-RT RIC与CU/DU协议栈软件之间的标准接口。类比于传统设备的RRM与RRC之间的接口,near-RT RIC不仅通过E2接口收集无线网各功能实体的测量信息,也通过这一接口下发控制命令字给基站,最终实现对基站行为的控制。在开放的软件架构下,通过E2接口的标准化,可实现near-RT RIC功能软件独立于传统基站软件版本的迭代演进能力,缩短软件功能的上市时间。

多制式CU协议栈软件和云平台

多制式的CU协议栈软件功能不仅包括4G、5G协议栈,也包括其它协议处理功能。协议栈软件功能层需要接收并执行near-RT RIC生成的控制命令字(如:针对某个UE的切换命令)。而CU所部署的云平台,提供了CU协议栈软件以及near-RT RIC功能组件的运行环境,具有安全隔离、统一加速器资源封装等能力。CU协议栈软件辅以统一的云平台能力,是无线网智能化的基础。

F1/W1/E1/X2/Xn接口:围绕着CU协议栈相关的3GPP标准接口,需要进一步被增强实现异厂商间的互通能力。

DU和RRU功能实体

DU和RRU包括实时的层2功能、基带信号处理、无线射频处理等功能,这部分功能主要由专有的CT硬件实现。针对这部分的研究聚焦在白盒参考设计,统一硬件的器件选型等方面。

前传接口:DU与RRU间的前传接口方案需要被进一步规范化,包括:DU与RRU间功能的重构、前传扩展单元的设计以及接口流程的标准化等方面,最终确保异厂商间的互通性。

ORAN联盟8大工作组各司其职

ORAN联盟截至2018年12月初步设置了8个工作组,围绕着ORAN的整体架构开展相关研究。

工作组1,负责应用需求定义、场景分析、ORAN整体架构的制定,以及协调各个工作组的相关工作;

工作组2,负责无线网络智能控制器非实时功能设计以及A1接口标准的研究工作;

工作组3,负责无线网络智能控制器近实时功能设计以及E2接口标准的研究工作;

工作组4,负责前传接口(eCPRI/NGFI)的标准化制定;

工作组5,负责围绕CU的相关3GPP协议接口的标准化增强,实现异厂商互通;

工作组6,负责无线云平台的增强研究,增强MANO和NFVI的能力扩展研究,并促进开源社区的相关实现;

工作组7,负责白盒硬件的参考设计研发,统一硬件选型的规格;

工作组8,负责探索成立ORAN开源社区,推进CU/DU协议栈软件和无线网智能控制器的开源实现,降低行业的研发成本。

考虑到无线网络复杂度和实时性要求,ORAN将采取阶段式推进方式,总体预期将会有两个阶段。

2020年前实现:接口标准化,白盒小站商用,非实时智能管控商用,集中控制部分协议栈软件开源。

2020年后逐步实现:智能控制器和智能网管商用,探索宏站白盒化方案及应用,基站开源协议栈软件完整版本。

ORAN联盟现状

2018年2月27日,中国移动联合美国AT&T、德国电信、日本NTT DOCOMO、法国Orange等四家国际运营商在世界移动大会上共同发布成立ORAN联盟的宣言。2018年6月27日,在上海ORAN联盟正式成立。

ORAN是在德国注册的非营利独立法人社团,组织架构如上图所示。最高决策机构为董事会,根据ORAN章程规定,董事会由各运营商CTO级别的领导担任,比如:AT&T的董事会成员即为其CTO Andrew Fuetsch。此外,董事会内部设立执行委员会(Executive Committee, EC),由5家发起单位(即:AT&T、中国移动、德国电信、NTT DOCOMO和法国电信)构成,该执行委员会负责商讨ORAN联盟的各类重要事务,同时向董事会提供建议,安排董事会会议等;在执行委员会下设立技术管理委员会(Technical Steering Committee,TSC),负责ORAN的各项技术相关的讨论和研究,比如:ORAN技术架构、用例和需求等。

自ORAN联盟正式成立以来,ORAN的影响力迅速扩大,得到众多设备商和运营商的认可,截至2018年12月,章程里规定的由运营商构成的15个董事会席位已经全部确定。

亚洲:中国移动、中国电信、NTT DOCOMO、韩国电信、SK电信、新加坡电信、Reliance、Bharti Airtel;

欧洲:德国电信、法国电信、意大利电信、西班牙电信;

北美:AT&T、Verizon;

澳洲:Telstra

此外,随着ORAN注册完成以及IPR的确定,ORAN联盟开始接纳会员申请。除运营商外,37家公司已经提交申请表,26家公司正式被批准成为ORAN成员。

新机遇带来新挑战

ORAN联盟所提出的开放、开源、白盒和智能等几大理念,有望使原来研发封闭、网络成本最高的无线网络产业更加开放、运营更加智慧高效,并向合作伙伴开放更多的无线能力,从而使未来5G网络成本更低、体验更佳、业务更丰富。

但与此同时,ORAN全新的网络架构也给产业和运营商带来了新的挑战:

一是宏站白盒化难度很高。主要是因为大规模天线阵处理复杂度对设计要求极高,软硬耦合度也很高,短期难以推出高性能白盒宏站方案产品。因此,ORAN白盒将从小站切入。

二是开源与白盒既是挑战也是机遇。IT与CT的融合趋势已被广泛认可,开源与白盒已在IT领域中广泛应用,并在业务网、核心网中商用。但传统无线网络的设备考虑到处理复杂度、功耗、体积、承重、散热等因素,都是采用硬件黑盒及软件闭源的方式实现。面向5G,将开源与白盒的优势如何引入无线网络需要我们逐步探索。同时,开源和白盒给众多中小型创新企业提供了新的市场机遇。

三是运营商需要大力加强自主研发、集成和运营能力。ORAN新模式有望为运营商带来更智慧的网络,也需要运营商有更强的研发能力与集成能力,能自主研发部分核心控制和管理模块,提升网络自主掌控和运营能力,并具备多厂家产品集成能力。

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