新一代接入網(wǎng)開發(fā)平臺和vAccess - 全文

　　無線產(chǎn)業(yè)的目標是在2020年啟動新一代“5G”網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署。該網(wǎng)絡(luò)的宏偉目標是滿足高于LTE/LTE-A標準的日益增加的性能要求（延遲、吞吐量），同時降低網(wǎng)絡(luò)成本（資本支出/運營支出），并提高網(wǎng)絡(luò)敏捷性，以快速交付新服務。網(wǎng)絡(luò)靈活性對于支持網(wǎng)絡(luò)運營商開發(fā)現(xiàn)有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務之外的新商業(yè)模式至關(guān)重要。新一代無線網(wǎng)絡(luò)（例如LTE-A和5G）的一個特點將是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署模式，傳統(tǒng)的宏蜂窩基站模式上將添加小型蜂窩（家庭基站、微微基站、微基站）部署，另一個特點是可同時支持成百上千個扇區(qū)的大型集中系統(tǒng)。與此同時，我們預計多種接入技術(shù)（即WiFi和LTE）將共存，并以協(xié)調(diào)一致的方式工作。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應商面臨的一個挑戰(zhàn)是支持這些廣泛的系統(tǒng)，并盡量減少軟件和硬件架構(gòu)變更。

　　SDN和NFV概念提供了定義嚴格的可擴展的軟件平臺，能夠幫助應對這一挑戰(zhàn)。該平臺可用作接入網(wǎng)開發(fā)的基準。SDN和NFV有望優(yōu)化容量，充分利用了這兩個概念的云計算技術(shù)已經(jīng)證明了這一點。然而，為了實現(xiàn)所需的系統(tǒng)延遲和吞吐量性能，仍然有許多挑戰(zhàn)需要解決。

　　vBTS，接入平臺愿景

　　網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）概念是指提供一個標準化軟件開發(fā)平臺，可在該平臺上執(zhí)行和管理不同的網(wǎng)絡(luò)服務功能。這樣能夠?qū)④浖?chuàng)新周期與運行軟件的計算平臺分離開。將該平臺標準化為通用處理器（GPP）和標準接口，這樣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變成了軟件應用，任何人都能夠進行開發(fā)，不再限定到特定的硬件平臺。虛擬化是支持此概念的關(guān)鍵模塊之一，它支持保護、資源分區(qū)和故障隔離，特別是允許在多廠商環(huán)境下獨立開發(fā)和執(zhí)行不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無需彼此感知。

　　把NFV概念應用到無線接入網(wǎng)（RAN）與將其應用到無數(shù)網(wǎng)絡(luò)應用所帶來的好處類似：

　　? 前所未有的敏捷性可降低服務成本，并提高服務速度。ETSI NFV MANO和Openstack計劃可在標準化協(xié)調(diào)、自動指配和VNF/VM/vBTS生命周期管理方面發(fā)揮重要作用。

　　? 通過虛擬化將硬件和軟件進行抽象和分離，可提高服務創(chuàng)新水平。ETSI INF和SWA計劃（包括與ONF和ODL/ONOS SDN計劃結(jié)合實施）旨在通過服務嵌入和鏈接實現(xiàn)服務的快速提升。

　　? 借助虛擬化容器（即VNF/vBTS）提高服務品質(zhì)和可靠性。ETSI NFV REL、SEC和OPNFV 計劃關(guān)注虛擬化可以帶來哪些好處，為應用開發(fā)人員提供定義嚴格的沙盒，防止破壞和/或?qū)ζ渌浖嵗龢?gòu)成威脅，從而限制了應用崩潰/重啟/不法行為對執(zhí)行應用的虛擬機范圍的影響。這種限制與虛擬租戶的增長日益關(guān)聯(lián)，SoC的內(nèi)核、節(jié)點中的虛擬機、更大的管道等都會促使虛擬租戶的增長。

　　? 可擴展性和敏捷性。將硬件與軟件分離，實現(xiàn)硬件獨立性，不僅可以支持擴展，還能夠快速適應新平臺。

　　舉例來說，開放網(wǎng)絡(luò)基金會 （ONF）所定義的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是將控制平面（CP）和數(shù)據(jù)平面（DP）的運行分離開。從軟件/API的角度將這些組件分離，這樣它們可以運行在不同的硬件中，無論在物理上共址還是分離，也無論是非虛擬化還是虛擬化，如果是虛擬化的情況，則還可以運用NFV概念。它支持網(wǎng)絡(luò)的全系統(tǒng)視圖/控制，還為多廠商環(huán)境提供標準化的控制機制，允許運營商控制網(wǎng)絡(luò)行為和功能集。

　　早在21世紀初，隨著網(wǎng)絡(luò)處理器的出現(xiàn)便產(chǎn)生了CP/DP分離的概念，CP/DP API標準化的概念通過網(wǎng)絡(luò)處理器論壇（NPF） 等計劃得到了廣泛傳播。在這一點上有一個值得探究的問題：“人們?yōu)槭裁匆鞔_采用SDN？”。部分原因是SDN允許將標準的、與應用無關(guān)且通常是分布式的控制替換為集中的且在各種標準和應用都可通用的控制。這意味著SDN對于能夠從集中控制中受益并有志于開發(fā)應用專用控制軟件的實體來說非常重要。

　　動機通常是為了簡化網(wǎng)絡(luò)管理，但現(xiàn)在連管理也變得依網(wǎng)絡(luò)而變了，SDN于是在控制平面和數(shù)據(jù)平面之間提供了一個接口，將網(wǎng)絡(luò)展露給網(wǎng)絡(luò)應用開發(fā)人員。

　　OpenFlowTM是開放網(wǎng)絡(luò)基金會（ONF）推動的SDN標準化工具，此概念與SDN密切關(guān)聯(lián)。OpenFlow定義（目前）在DP中執(zhí)行切換功能的L2與更高層的CP功能之間的API級接口，支持DP控制和監(jiān)控的分離。OpenFlow概念定義了專用DP組件，支持“某些功能最好在網(wǎng)絡(luò)處理器等優(yōu)化的硬件平臺上執(zhí)行”這一觀點。OpenFlow概念根據(jù)SDN原理引入了CP集中化，允許CP遷移到遠程（集中式/云）環(huán)境。

　　LTE基站中通過SDN實現(xiàn)標準化的主要候選組件是S1/X2接口（基站回程）。目前與該接口有關(guān)的L2/L3功能（以太網(wǎng)、QoS、IP/IPSec等）的實現(xiàn)都向系統(tǒng)供應商提供專用的API。管理多個系統(tǒng)供應商提供的不斷發(fā)展的API效率很不高，使網(wǎng)絡(luò)管理變得更加復雜。通過SDN支持的標準化控制可實現(xiàn)回程聯(lián)網(wǎng)自動化。

　　SDN是一款有用的工具，特別是在演進HetNet型部署場景中，在不同代的產(chǎn)品和多個系統(tǒng)供應商間演進非統(tǒng)一的回程。

　　挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)有的基站實施方案主要依靠供應商的專有軟件，這些軟件在通用處理器（Power Architecture?、ARM?、MIPS執(zhí)行L2/L3堆棧）和專用硬件加速/信號處理器（執(zhí)行L1堆棧以及L2/L3分流）均執(zhí)行。L2/L3進程在專有RTO或Linux?上執(zhí)行，并具有適當?shù)膶崟r擴展（如 PREEMPT_RT）。之所以采用區(qū)隔硬件和軟件的方法，是因為3GPP/LTE面臨許多挑戰(zhàn)，要在NFV環(huán)境下解決。具體而言：

　　? 延遲（實時行為）和性能（保持吞吐量）對于LTE至關(guān)重要

　　? 需要將硬件加速（用于性能/效率）整合到NFV環(huán)境中

　　虛擬化基站

　　考慮到上述挑戰(zhàn)，下面介紹了一個實用的SDN/NFV開發(fā)平臺方法，以虛擬基站（vBTS）作為虛擬接入平臺（vAccess）的一個應用為例子進行說明。

　　飛思卡爾創(chuàng)建vBTS開發(fā)平臺所用的關(guān)鍵平臺硬件組件包括：

　　? GPP服務器平臺托管處理棧的實時和非實時組件。

　　? 智能網(wǎng)絡(luò)接口卡（iNIC）。iNIC框架可滿足存儲、安全性、深層數(shù)據(jù)包檢測（DPI）、防火墻、廣域網(wǎng)（WAN）優(yōu)化和應用交付計算 （ADC）等融合數(shù)據(jù)中心應用對智能網(wǎng)絡(luò)加速和應用分流的需求。

　　? L1加速器。我們使用獨立的L1加速器，它通過以太網(wǎng)連接至L2/L3棧。L1加速器包含“translator”代理，該代理通過物理連接轉(zhuǎn)發(fā)標準化的消息接口（FAPI）。飛思卡爾提供一系列L1加速設(shè)備，從低端到高端一應俱全。

　　vBTS開發(fā)平臺

　　飛思卡爾正在開發(fā)原型虛擬化平臺，將其作為基于NFV的應用的開發(fā)平臺。目的是提供所有必要的硬件和軟件組件來創(chuàng)建可開發(fā)任何應用的基礎(chǔ)設(shè)施。虛擬化無線基站應用作為原型，展示無需執(zhí)行特定的系統(tǒng)分區(qū)便能應對定時和性能挑戰(zhàn)。該平臺雖然以基站應用為示例，但也面向其他應用（例如通用接入平臺等）。

　　關(guān)鍵軟件組件包括：

　　? KVM-QEMU管理程序。飛思卡爾SDK支持通過Linux容器（即專有的1型管理程序（Topaz）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化用的KVM管理程序）來實現(xiàn)虛擬化。飛思卡爾SDK用于電路板啟動和OpenStack組件的安裝，如Nova-API、Neutron Agent、OpenVSwitch等，將飛思卡爾GPP平臺用作OpenStack 安裝的計算節(jié)點。

　　? PREEMPT_RT。延遲要求針對一些非常具體的軟件分區(qū)目標?！癓2” 應用需要排列優(yōu)先次序，以便在不到1ms的TTI邊界內(nèi)啟動。這樣就會限制多個需要在同一個TTI邊界上啟動的基站應用對CPU資源的共享。另外，這還需要應用啟動時間有界/有保證的最大值。Linux的PREEMPT_RT補丁的目的是為Linux應用的實時運行提供支持，假設(shè)該應用使用Linux服務的子集。一些應用，如基站堆棧的虛擬化L2，多年來已證明能夠在非虛擬化環(huán)境下利用PREEMPT_RT實時執(zhí)行。

　　? NFVI Acceleration （NFVIxl）。如前所述，NFVIxl iNIC應用將VMM網(wǎng)絡(luò)從托管VNF（如vBTS）的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通用處理器內(nèi)核進行分流，從而減少了NFV中引入的VMM虛擬化層的性能影響。

　　? OpenStack云協(xié)調(diào)。OpenStack是一個開源云計算平臺，適用于公共云和私有云，它便于部署，可進行大規(guī)模擴展，并具有豐富的功能。該技術(shù)包含一系列相互關(guān)聯(lián)的項目，為云基礎(chǔ)設(shè)施解決方案提供各種組件，如下所示。如需了解更多有關(guān)OpenStack的信息，請參閱飛思卡爾應用說明AN4646。

　　無線接入平臺配置工具套件

　　OpenStack控制器和計算節(jié)點的相關(guān)代理能夠提高或降低vBTS VM。OpenStack可擴展，能夠添加其他組件，實現(xiàn)應用配置和管理。無線接入平臺配置工具套件是一款參考工具套件，基于OpenStack控制器開發(fā)創(chuàng)建，可配置/指配L1和vBTS VM應用。此外，它還包含一些運行在vBTS和L1設(shè)備上的其他軟件組件（代理）。該工具套件提供兩個主要優(yōu)勢：一是自動化L1設(shè)備與vBTS VM的映射，二是配置L1設(shè)備和vBTS VM的應用。

　　結(jié)語

　　SDN和NFV概念已確定了一系列優(yōu)勢，但由于存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)（主要與延遲和性能有關(guān)），因此目前在網(wǎng)絡(luò)接入平臺上的部署卻比較有限。作為RAN各方面（從傳輸/控制、L2/L1直到射頻）的市場領(lǐng)導者，飛思卡爾擁有獨特的優(yōu)勢，能夠幫助系統(tǒng)供應商分析和實施vBTS系統(tǒng)。新一代接入網(wǎng)開發(fā)平臺旨在證明應對技術(shù)挑戰(zhàn)的解決方案，并快速啟動客戶的系統(tǒng)開發(fā)。
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