第 2 章 5G 系统的云无线接入网络

2.4 下一代前传接口用于5G C-RAN的FH解决方案

2.5 虚拟化C-RAN的概念证明验证

2.4 节介绍了 C-RAN 中虚拟化实现的挑战。由于虚拟化主要是一个实现问题，在本 节介绍的内容中，开发了一个 PoC 来验证虚拟化 C-RAN 的适用性。
在 PoC 中，通用服务器平台通过数据平面开发工具包（DPDK，Data Plane Development Kit）等关键技术改造、优化系统本身提供的无线服务。在这个测试中验证了一个通用平 台能否提供合格的无线协议栈通信，并测量了一些相应的性能指标。
该原型模拟了从 UE 到演进分组核心（EPC，Evolved Packet Core）的全双工无线通 信路径。为了支持无线通信服务，必须提高通用平台的性能，包括提高业务传输速率、 内存大小和读/写速度。管理系统基于 OpenStack 云计算平台，LTE 协议栈服务在平台上 一个或多个虚拟机（VM，Virtual Machine）上运行的虚拟化网络功能（VNF，Virtualized Network Function）实现。对于数据传输，我们可以以上行为例。在上行 LTE 协议栈中， 报文从 RRU 发送到平台。数据分组通过网络接口卡（NIC，Network Interface Card）进入 公共平台。随着 DPDK 的实现，数据分组被直接发送到主机 OS 用户空间。之后，数据 分组由 OVS 转发，并在运行的 LTE 协议栈中输入特定的 VM。后，由 LTE 协议栈处理来自 UE 的报文。详细的传输路由如图 2.2 所示。

在该系统中，DPDK 用于加速数据传输。使用 3 GHz 频率和 16 个内核的服务器作为 通用服务器。其他设备信息如下所述。

• 服务器：具有两个插槽的 HP DL380 Gen8，每个插座 8 个内核。
• CPU：Intel Xeon，E-2690 v2，3.00 GHz。
• NIC：Intel 82599。
• 内存：64 GB（计算节点）。

基于上述物理框架，首先构建了风河（Wind River）实时系统。为满足无线通信的需 求，风河系统对 KVM 系统进行了优化以提高实时性能。
系统上运行的软件如下：

• Wind River Titanium 服务器，基于 Wind River Linux OVP 6（开放式虚拟化平台）；
• 增强的 OpenStack kilo；
• 风河先进的开关解决方案。

无线网络功能虚拟化的引入可以支持通用处理平台和RRU之间的一对多或多对多的 关系。为了实现当前通信网络中的数据传输，需要在此原型中建立两种类型的连接流。 一个是基带数据流，另一个是控制和管理数据流。在当前的原型设计中，第一个被设计 为携带数据信息的 I/Q 数据流。第二个被设计为称作 Count 的控制信令流。Count 流包含 指示超高帧顺序的时钟信息。在当前系统中，LTE 协议栈将超高帧间隔设置为 66.67μs。 每个超高帧包含 8 个数据分组，并且每个数据分组的大小是 1 024byte。在虚拟机内部打 开内存空间以存储 RRU 中的以太网分组有效载荷。通过读取存储器，LTE 协议栈可以提 取数据进行进一步处理。

2.5.1 数据分组

在这个原型中，以太网被用于连接通用平台和 RRU，因此，无线数据被封装成以太 网数据分组的形式。由于 LTE 堆栈需要高精度的同步，因此向分组添加额外的报头以实 现定时对准。在这个原型中，报头必须包括 MAC 报头、IP 报头、UDP 报头和以太网上 的无线（RoE，Radio over Ethernet）报头。
RoE 报头指示将以太网数据发送到 LTE 堆栈的顺序。它包含一个 8byte 的头部和一 个有效载荷。报头中的主要参数包括以下几种。

• flow_id：识别不同流的流标识。
• 长度：指示 RoE 有效载荷的长度。
• 顺序信息：指示分组的顺序。在去除以太网报头后，该参数用于以正确的顺序为 LTE 协议栈提供数据。该帧结构简化了存储器的布置过程。

2.5.2 测试过程

在测试中，使用高精度以太网测试仪模拟数据分组。数据分组从 RRU 传输到虚拟化 平台。测试仪和平台形成了一个测试循环。I/Q 和 Count 数据分组由以太网测试仪进行仿 真，并进入 10G 网络接口。通过虚拟机内的自循环后，它们从另一个 10G 端口导出到以 太网测试仪。如图 2.2 所示，平台中的数据分组未经过虚拟机处理，中止在共享内存处。
图 2.3 显示了公共平台上超高帧的 I/Q 数据分组的处理。在 I/Q 数据分组进入虚拟机之后，VM 中运行的 DPDK 反汇编数据分组。在读取顺序信息之后，有效载荷被放置在 存储器中的右槽中，这模拟了无线通信的上行路径。对于下行链路，DPDK 从存储器读 取数据并将其封装为以太网数据分组。数据分组由虚拟化平台发送回以太网测试器。

2.5.3 测试结果

基于上述情况，测试器生成了两个数据流，将其传输到虚拟化平台并从循环中接收 数据流，测量分组丢失率、延迟时间和抖动作为输出并记录。根据无线通信应用的要求， Count（时钟流）的传输速率设置为 123.596 Mbit/s。换句话说，每 10 ms 发送 150 个以太 网数据分组。I/Q 数据分组大小设置为 1240 byte。在各种带宽条件下，测量了平均延迟、 抖动和丢失率的参数。结果如表 2.1、表 2.2 和表 2.3 所示。

与公共平台上的传统 L2 前向行为相比，原型平台由于无线服务的运行而延长了延 迟。第一个原因是无线服务线程和虚拟化平台系统线程同时运行、争夺资源，从而导致 额外的延迟。第二个原因是拆分以太网数据分组也增加了延迟。在传统的公共平台上， 当传输 L2 转发数据分组时，只删除一个 MAC 报头，而其他较高层的报头不受关注。 然而，随着在平台上运行的无线服务，无线数据需要用附加的报头封装，包括 MAC 报 头、IP 报头、UDP 报头和 RoE 报头。报头的封装和解封装导致延迟增加。第三个原因 是内存复制也增加了整体延迟。
在我们的测试中，观察到测试人员对 LTE 服务的仿真可以在很长一段时间内正常工 作，无须任何中断。因此，该测试初步证实了我们的平台具有支持可接受传输延迟和抖 动的无线服务的能力。测试奠定了基础，为进一步研究提供了指导。值得指出的是，未来的商业系统可能需要更低的延迟和抖动。目前，平台的性能还需要进一步改善，以达到目标。
2.6 重新思考C-RAN的协议栈