隨著技術的不斷變遷，專有無線接入網絡的時代正在逐漸消失。運營商希望能在降低成本的同時增加靈活性，其需要易于部署且經濟實惠的網絡和網絡組件，這也導致整個行業從4G專用硬件和專有軟件開始轉向安裝在COTS硬件平臺上的開放軟件棧。

4G的專有組件

從核心網和RAN的角度來看待無線網絡的話，核心網包括骨干網、城域網和區域網(圖1)。早期，網絡使用固定交換機和路由器來傳輸數據，如今核心網在RAN的邊緣聚合數據，RAN將聚合的數據傳輸到無線電塔。

4G網絡在1GHz至4GHz的頻帶上運行，每座發射塔都配備了一個基帶單元(BBU)，從核心網收集數據，并將其傳送到遠程無線電單元(RRU)。

4G在很大程度上是通過運行專有軟件棧的自定義硬件來實現的，這種方法對于4G網絡來說是可以接受的，但是考慮到5G以及所需成本，運營商已經著手開發開源解決方案。5G的目標是可互換的COTS ARM或運行開源軟件棧的x86服務器。

5G網絡

5G網絡與4G LTE有本質上的不同，頻段上，5G覆蓋了從6GHz到300GHz的頻段。由于頻率越高，信號傳播過程中的衰減也越大，所以5G網絡的基站密度將更高。

5G將4G BBU拆分為無線單元(RU)、分布式單元(DU)和集中式單元(CU)(圖2)。解耦這些功能為運營商帶來了很大的靈活性，因為它們可以根據需要將RU、DU和CU部署在不同的位置，例如，要求低邊緣延遲的網絡可以將RU、CU和DU一起部署在邊緣，這將最大限度地提高遠端連接用戶應用程序的性能。另外，一個DU可以為多個RU提供服務，從而降低了網絡成本，同時在可接受的最大延遲范圍內提供了足夠的性能。針對不同的市場和地區，運營商可以部署不同的架構。

下圖更深入地展示了5G網絡的硬件和互連。

5G RU包含一個RF發射器和一個LO PHY模塊，通常作為一個為數據包管理優化的FPGA或ASIC實現，它可以提供小于1毫秒的延遲，RU和DU之間就是前傳。

DU的無線數據包通過前傳鏈路與RU進行往返傳輸。DU的主要組成部分是無線鏈路控制器(RLC)、媒體訪問控制器(MAC)和HI PHY。MAC集成了與RLC通信的軟件和與PHY通信的硬件模塊。它可以整合諸如GPU或FPGA之類的硬件加速器，并且可以在延遲小于5毫秒的情況下運行。DU通過F1中傳接口連接到CU 。一個DU COTS實現將包括一個帶有硬件加速PCIe卡的服務器機箱和一個開源的MAC/RLC棧。

CU由一個控制平面(CP)和一個用戶平面(UP)組成。該配置與LTE類似，使得5G網絡與4G LTE網絡的集成整合更加容易，另外它還為5G RAN配置提供了靈活性。CP和UP作為CU的一部分連接在CU box 中，它們可以以大約10毫秒的延遲運行。

RAN智能控制器(RIC)位于CU的上游，該功能將無線網絡虛擬化為一系列可由上游核心控制器訪問的功能。

向開放的轉變

RU、DU和CU包含SDN或虛擬RAN(vRAN)所需的所有功能和接口。但是，核心的網絡編排和自動化層確實需要軟件來管理流程。LTE網絡通過專有的硬件和軟件來管理此任務。由于5G的成本限制，運營商開始尋找利用COTS硬件的標準化開源方案。于是，出現了這幾個關鍵的開源項目：Akraino Edge Stack、O-RAN聯盟、ONAP和OCP，另外近期也新成立了一個組織叫OpenRAN政策聯盟。

Akraino Edge Stack

Akraino Edge Stack于2018年推出，專注于為網絡邊緣開發開放式軟件棧，現已成為LF Edge計劃的一部分。該組織強調模塊化設計，支持軟件組件的重用。這些堆棧被稱為Akraino藍圖，服務于邊緣云基礎架構的各個子集，包括企業邊緣、over-the-top-edge、供應商邊緣和運營商邊緣。當安裝在“裸機”服務器上時，該藍圖將機器轉換為特定于應用程序的設備。

Akraino致力于打造可加速RAN部署的5G電信設備，目前正在開發多個運營商的藍圖。該組織最近發布了Akraino無線電邊緣云(REC)藍圖，為管理、編排和自動化層提供了與vRAN交互的基本組件。

REC在Linux CentOS發行版上運行，與管理和監視軟件一起工作，這些軟件包含在Kubernetes中并由Kubernetes管理。堆棧將裸機服務器虛擬化，以便將其抽象為軟件服務。上層控制層可以調用這些API，從而使其能夠與網絡層的數據平面進行交互。

O-RAN聯盟

O-RAN聯盟致力于實現一個開放、智能的RAN。聯盟正在開發開放式虛擬化網絡元素，如開放式DU和開放式CU。與Akraino一樣，重點在于構建可重用和標準化的模塊化參考設計。這種方法不僅加快了集成和部署的速度，而且還使開發人員可以跳過編寫通用功能的代碼塊，從而使他們騰出時間進行創新。

O-RAN的工作與Akraino藍圖的開發緊密相關，其思想是Akraino的藍圖對硬件層進行抽象，然后O-RAN / ONAP軟件棧在該層之上運行并與API進行交互(圖4)。

O-RAN解決的關鍵軟件開發之一是RAN智能控制器(RIC)，RIC在5G核心的RAN控制器與接入網之間提供了接口，從而實現了策略驅動的閉環自動化。RIC是將RU、DU和CU轉換為vRAN的接口部件，可提供更快、更敏捷的服務部署和可編程性。

RIC與CU位于同一位置，它通過回程連接到核心網的編排和自動化堆棧，并通過中傳連接到CU和DU。它將運行在Akraino REC的藍圖之上，該藍圖經過優化以最大程度地減少了RIC和DU / CU之間的延遲(圖5)。Akraino REC與位于核心網邊緣的區域控制器集成在一起，可將REC全自動部署到邊緣站點。

ONAP

5G網絡將支持各種截然不同需求的應用程序。例如，移動設備上的流媒體視頻對延遲沒有很大的需求，但可能需要具有很高的移動性;智能工廠不會移動，但要求盡可能低的延遲;自動駕駛汽車面臨著超高可靠性和超低延遲的雙重挑戰。當然還有一些其他的因素，包括帶寬和成本等。有效地服務于這些多樣化的應用程序需要虛擬化網絡的能力，這樣網絡就可以作為網絡切片的集合，每個網絡切片都可以動態地重新配置，以提供每個應用程序所需的服務質量。

到目前為止討論的構建塊提供了一種創建網絡切片的方法，但是它們需要一個位于核心的頂級控制結構來編排和管理服務。ONAP是Linux基金會主辦的一個開源網絡項目，旨在解決這一需求。

ONAP對于5G部署至關重要，它支持網絡服務的編排、自動化和端到端生命周期管理。它非常復雜且計算量很大，僅運行一個ONAP實例就需要140個內核和140 GB的RAM。ONAP與RAN的接口如圖6所示。

OCP

在網絡世界中創建互操作性需要標準化外形尺寸和接口。OCP的啟動就是為了建立硬件規范來實現這一標準化。OCP即將推出的規范之一是openEDGE機箱(圖7)。其低功耗要求和處理密度都針對電信和邊緣應用進行了優化。

OpenRAN政策聯盟

近日，31個國外知名運營商和技術公司在美國成立了Open RAN政策聯盟(OpenRAN Policy Coalition)，推廣開放概念RAN。

Open RAN政策聯盟的成員包括AT&T、亞馬遜網絡服務、Facebook、谷歌、IBM、英特爾、微軟、高通、樂天移動、三星電子美國、Telefonica、Verizon和沃達豐等。

Open RAN政策聯盟的目標是為其他致力于技術標準的Open RAN組織(例如O-RAN聯盟和TIP項目)提供以政策為中心的支持。

5G有望帶來巨大的性能提升，從根本上改變全球通信，為電信運營商提供了創造新市場和消費者服務的機會。為了在5G中取得成功，運營商需要改進網絡設備，使其具有靈活性、低成本和快速的上市時間。開放的5G硬件和軟件可以幫助其實現這些目標。