新一代接入网开发平台和vAccess

　　无线产业的目标是在2020年启动新一代“5G”网络的大规模部署。该网络的宏伟目标是满足高于LTE/LTE-A标准的日益增加的性能要求（延迟、吞吐量），同时降低网络成本（资本支出/运营支出），并提高网络敏捷性，以快速交付新服务。网络灵活性对于支持网络运营商开发现有语音和数据业务之外的新商业模式至关重要。新一代无线网络（例如LTE-A和5G）的一个特点将是异构网络部署模式，传统的宏蜂窝基站模式上将添加小型蜂窝（家庭基站、微微基站、微基站）部署，另一个特点是可同时支持成百上千个扇区的大型集中系统。与此同时，我们预计多种接入技术（即WiFi和LTE）将共存，并以协调一致的方式工作。网络设备供应商面临的一个挑战是支持这些广泛的系统，并尽量减少软件和硬件架构变更。

　　SDN和NFV概念提供了定义严格的可扩展的软件平台，能够帮助应对这一挑战。该平台可用作接入网开发的基准。SDN和NFV有望优化容量，充分利用了这两个概念的云计算技术已经证明了这一点。然而，为了实现所需的系统延迟和吞吐量性能，仍然有许多挑战需要解决。

　　vBTS，接入平台愿景

　　网络功能虚拟化（NFV）概念是指提供一个标准化软件开发平台，可在该平台上执行和管理不同的网络服务功能。这样能够将软件创新周期与运行软件的计算平台分离开。将该平台标准化为通用处理器（GPP）和标准接口，这样网络设备变成了软件应用，任何人都能够进行开发，不再限定到特定的硬件平台。虚拟化是支持此概念的关键模块之一，它支持保护、资源分区和故障隔离，特别是允许在多厂商环境下独立开发和执行不同的网络设备，这些网络设备无需彼此感知。

　　把NFV概念应用到无线接入网（RAN）与将其应用到无数网络应用所带来的好处类似：

　　• 前所未有的敏捷性可降低服务成本，并提高服务速度。ETSI NFV MANO和Openstack计划可在标准化协调、自动指配和VNF/VM/vBTS生命周期管理方面发挥重要作用。

　　• 通过虚拟化将硬件和软件进行抽象和分离，可提高服务创新水平。ETSI INF和SWA计划（包括与ONF和ODL/ONOS SDN计划结合实施）旨在通过服务嵌入和链接实现服务的快速提升。

　　• 借助虚拟化容器（即VNF/vBTS）提高服务品质和可靠性。ETSI NFV REL、SEC和OPNFV 计划关注虚拟化可以带来哪些好处，为应用开发人员提供定义严格的沙盒，防止破坏和/或对其他软件实例构成威胁，从而限制了应用崩溃/重启/不法行为对执行应用的虚拟机范围的影响。这种限制与虚拟租户的增长日益关联，SoC的内核、节点中的虚拟机、更大的管道等都会促使虚拟租户的增长。

　　• 可扩展性和敏捷性。将硬件与软件分离，实现硬件独立性，不仅可以支持扩展，还能够快速适应新平台。

　　举例来说，开放网络基金会 （ONF）所定义的软件定义网络（SDN）是将控制平面（CP）和数据平面（DP）的运行分离开。从软件/API的角度将这些组件分离，这样它们可以运行在不同的硬件中，无论在物理上共址还是分离，也无论是非虚拟化还是虚拟化，如果是虚拟化的情况，则还可以运用NFV概念。它支持网络的全系统视图/控制，还为多厂商环境提供标准化的控制机制，允许运营商控制网络行为和功能集。

　　早在21世纪初，随着网络处理器的出现便产生了CP/DP分离的概念，CP/DP API标准化的概念通过网络处理器论坛（NPF） 等计划得到了广泛传播。在这一点上有一个值得探究的问题：“人们为什么要明确采用SDN？”。部分原因是SDN允许将标准的、与应用无关且通常是分布式的控制替换为集中的且在各种标准和应用都可通用的控制。这意味着SDN对于能够从集中控制中受益并有志于开发应用专用控制软件的实体来说非常重要。

　　动机通常是为了简化网络管理，但现在连管理也变得依网络而变了，SDN于是在控制平面和数据平面之间提供了一个接口，将网络展露给网络应用开发人员。

　　OpenFlowTM是开放网络基金会（ONF）推动的SDN标准化工具，此概念与SDN密切关联。OpenFlow定义（目前）在DP中执行切换功能的L2与更高层的CP功能之间的API级接口，支持DP控制和监控的分离。OpenFlow概念定义了专用DP组件，支持“某些功能最好在网络处理器等优化的硬件平台上执行”这一观点。OpenFlow概念根据SDN原理引入了CP集中化，允许CP迁移到远程（集中式/云）环境。

　　LTE基站中通过SDN实现标准化的主要候选组件是S1/X2接口（基站回程）。目前与该接口有关的L2/L3功能（以太网、QoS、IP/IPSec等）的实现都向系统供应商提供专用的API。管理多个系统供应商提供的不断发展的API效率很不高，使网络管理变得更加复杂。通过SDN支持的标准化控制可实现回程联网自动化。

　　

　　SDN是一款有用的工具，特别是在演进HetNet型部署场景中，在不同代的产品和多个系统供应商间演进非统一的回程。

　　挑战

　　现有的基站实施方案主要依靠供应商的专有软件，这些软件在通用处理器（Power Architecture®、ARM®、MIPS执行L2/L3堆栈）和专用硬件加速/信号处理器（执行L1堆栈以及L2/L3分流）均执行。L2/L3进程在专有RTO或Linux®上执行，并具有适当的实时扩展（如 PREEMPT_RT）。之所以采用区隔硬件和软件的方法，是因为3GPP/LTE面临许多挑战，要在NFV环境下解决。具体而言：

　　• 延迟（实时行为）和性能（保持吞吐量）对于LTE至关重要

　　• 需要将硬件加速（用于性能/效率）整合到NFV环境中

　　虚拟化基站

　　考虑到上述挑战，下面介绍了一个实用的SDN/NFV开发平台方法，以虚拟基站（vBTS）作为虚拟接入平台（vAccess）的一个应用为例子进行说明。

　　

　　飞思卡尔创建vBTS开发平台所用的关键平台硬件组件包括：

　　• GPP服务器平台托管处理栈的实时和非实时组件。

　　• 智能网络接口卡（iNIC）。iNIC框架可满足存储、安全性、深层数据包检测（DPI）、防火墙、广域网（WAN）优化和应用交付计算 （ADC）等融合数据中心应用对智能网络加速和应用分流的需求。

　　• L1加速器。我们使用独立的L1加速器，它通过以太网连接至L2/L3栈。L1加速器包含“translator”代理，该代理通过物理连接转发标准化的消息接口（FAPI）。飞思卡尔提供一系列L1加速设备，从低端到高端一应俱全。

　　vBTS开发平台

　　飞思卡尔正在开发原型虚拟化平台，将其作为基于NFV的应用的开发平台。目的是提供所有必要的硬件和软件组件来创建可开发任何应用的基础设施。虚拟化无线基站应用作为原型，展示无需执行特定的系统分区便能应对定时和性能挑战。该平台虽然以基站应用为示例，但也面向其他应用（例如通用接入平台等）。

　　

　　关键软件组件包括：

　　• KVM-QEMU管理程序。飞思卡尔SDK支持通过Linux容器（即专有的1型管理程序（Topaz）和网络功能虚拟化用的KVM管理程序）来实现虚拟化。飞思卡尔SDK用于电路板启动和OpenStack组件的安装，如Nova-API、Neutron Agent、OpenVSwitch等，将飞思卡尔GPP平台用作OpenStack 安装的计算节点。

　　• PREEMPT_RT。延迟要求针对一些非常具体的软件分区目标。“L2” 应用需要排列优先次序，以便在不到1ms的TTI边界内启动。这样就会限制多个需要在同一个TTI边界上启动的基站应用对CPU资源的共享。另外，这还需要应用启动时间有界/有保证的最大值。Linux的PREEMPT_RT补丁的目的是为Linux应用的实时运行提供支持，假设该应用使用Linux服务的子集。一些应用，如基站堆栈的虚拟化L2，多年来已证明能够在非虚拟化环境下利用PREEMPT_RT实时执行。

　　• NFVI Acceleration （NFVIxl）。如前所述，NFVIxl iNIC应用将VMM网络从托管VNF（如vBTS）的网络节点的通用处理器内核进行分流，从而减少了NFV中引入的VMM虚拟化层的性能影响。

　　• OpenStack云协调。OpenStack是一个开源云计算平台，适用于公共云和私有云，它便于部署，可进行大规模扩展，并具有丰富的功能。该技术包含一系列相互关联的项目，为云基础设施解决方案提供各种组件，如下所示。如需了解更多有关OpenStack的信息，请参阅飞思卡尔应用说明AN4646。

　　

　　无线接入平台配置工具套件

　　OpenStack控制器和计算节点的相关代理能够提高或降低vBTS VM。OpenStack可扩展，能够添加其他组件，实现应用配置和管理。无线接入平台配置工具套件是一款参考工具套件，基于OpenStack控制器开发创建，可配置/指配L1和vBTS VM应用。此外，它还包含一些运行在vBTS和L1设备上的其他软件组件（代理）。该工具套件提供两个主要优势：一是自动化L1设备与vBTS VM的映射，二是配置L1设备和vBTS VM的应用。

　　结语

　　SDN和NFV概念已确定了一系列优势，但由于存在一些技术挑战（主要与延迟和性能有关），因此目前在网络接入平台上的部署却比较有限。作为RAN各方面（从传输/控制、L2/L1直到射频）的市场领导者，飞思卡尔拥有独特的优势，能够帮助系统供应商分析和实施vBTS系统。新一代接入网开发平台旨在证明应对技术挑战的解决方案，并快速启动客户的系统开发。
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