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Open5G：5G网络的开放生态（未来移动通信论坛）.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.90M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    Open5G：5G网络的开放生态 Executive Summary Three key application scenarios in 5G break the boundaries of communication between human beings in traditional mobile communications, forcing 5G to support communication of human-to-machine, and machine-to-machine. However, various application scenarios and requirements together with emergingly diversified standards and technologies call for an open 5G (Open5G) network, which is featured with flexibility and customization. This white paper investigates the concepts, challenges and opportunities of Open5G network. The main contributions of this white paper is summarized as follows: (1) Key concepts of Open5G: upon analyzing the technical requirements, the concept of open networks is provided from three different open levels, namely, black-box, white-box and gray-box networks. Specifically, black-box open networks provide third-party applications or developers with supporting services and key network capabilities via open application programming interface (API). White-box open networks refer to the fully open network, which includes open source software developing and white-boxing hardware design. The gray-box network is an partial open network, where telecom operators and the equipment manufacturers cooperatively design the customized network devices. Then, the overall objectives of open network architecture are figured out. Driven by developing requirements, open network architecture should decouple network capability providers and solution providers, enabling the former to effectively design network architectures with finite resources and reducing the dependence of the latter on the technical details. (2) Enabling technologies of Open5G: for open core network, 3GPP 5G service-based architecture is discussed and then MulteFire-based base station and open core network adopting distributed managements is provided. Centralized unit/distributed unit (CU/DU) architecture of open radio access network is discussed, featured with open CU, open API to DU, and white-boxing remote radio unit /active antenna unit (RRU/AAU). After defining the open terminal from the view of equipment capability and openness, an open terminal architecture is given, including open software/hardware resource architecture, and open configuration and management layer. The open methods of physical layer are open API to facilitate end to end network slices and software defined air interface (SDAI). Meanwhile, based on software defined radio and SDAI, an open smart physical layer architecture is proposed. Upon introducing free open source hardware (FOSH) platform, the requirements of Open5G hardware platform are summarized and the open hardware architecture is presented. (3) Use case for Open5G: the definition of open source and open API and the relationship 1
    Open5G：5G 网络的开放生态 between them are clarified. Then, the use case for Open5G from different corporations and institutions is presented, including OneNET, China Telecom 5G SDR platform, mH-IoT platform, TCL 5G SDR platform, and super BS platform. Open source and openness of software/hardware ecosystem for 5G network are still in their infant stage, so, currently, there are still many different definitions and solutions. This white paper aims at to tease out and analyze key concepts, the possible solutions, and technical challenges, providing a guidance for building open ecosystem for 5G networks in the future. 2
    Open5G：5G网络的开放生态 目 录 Executive Summary ..................................................................................................................... 1 1 引言 ......................................................................................................................................... 5 2 开放网络的基本概念 ............................................................................................................. 7 2.1 开放网络基本内涵.................................................................................................... 7 2.1.1 面向5G演进的技术需求分析 ............................................................................ 7 2.1.2 能力开放的黑盒网络......................................................................................... 9 2.1.3 完全开放的白盒网络....................................................................................... 10 2.1.4 半开放半封闭的灰盒网络............................................................................... 10 2.2 开放网络架构的总体目标...................................................................................... 11 2.3 SDN/NFV ................................................................................................................ 12 3 开放式核心网 ....................................................................................................................... 13 4 开放式无线接入网 ............................................................................................................... 14 4.1 Open-RAN（ORAN）开放式无线网络概述 ........................................................ 14 4.2 开放的CU提升行业竞争力 .................................................................................... 14 4.3 开放接口的DU提升网络性能 ................................................................................ 16 4.4 白盒化的RRU/AAU降低成本................................................................................ 16 5 开放式终端侧使能技术 ....................................................................................................... 16 5.1 开放式终端侧的内涵与外延.................................................................................. 16 5.2 开放式终端侧使能技术.......................................................................................... 17 6 开放物理层 ........................................................................................................................... 19 6.1 开放物理层内涵与外延.......................................................................................... 19 6.2 开放物理层框架...................................................................................................... 20 6.3 需求与技术挑战...................................................................................................... 22 6.4 应用与机遇.............................................................................................................. 23 7 开放硬件平台 ....................................................................................................................... 25 7.1 7.2 FOSH硬件平台 ....................................................................................................... 25 Open5G开放硬件平台介绍 .................................................................................... 26 8 Open5G开放示例 ................................................................................................................. 28 8.1 8.2 OneNET ................................................................................................................... 29 5G SDR平台 ............................................................................................................ 30 8.3 mH-IoT智慧医疗物联网平台 ................................................................................ 30 3
    Open5G：5G 网络的开放生态 8.4 TCL 5G SDR平台 ................................................................................................... 32 8.5 超级基站平台介绍.................................................................................................. 33 8.6 Open5G开源硬件实例 ............................................................................................ 34 9 总结 ....................................................................................................................................... 36 缩略语对照表 ............................................................................................................................. 37 致谢 ............................................................................................................................................. 39 4
    Open5G：5G网络的开放生态 1 引言 为了应对万物互联的挑战，满足超高速率、超低时延、高能效和超高流量与连接数密度等 多维能力指标，开放、开源、协同创新将是5G发展的必由之路。随着5G网络与技术不断的开 放与开源，未来将会涌现出更多新的业态和应用，从而开辟一个巨大的蓝海市场。 目前，学术界和产业界已先后创建多家开放实验室、开源联盟或组织，通过积极推进开放 式5G，加快5G技术、标准、产品的研发，最终建立全球统一的5G生态系统。例如，网络功能 虚拟化开放平台（OPNFV），通过整合各种开源系统进行NFV的开发和演进，形成一个开源 的NFV参考平台，验证多厂商可互操作的NFV解决方案、加速新产品和服务的引入。开放网络 自动化平台（ONAP）致力于开发一个具有实时的、策略驱动编排、物理和虚拟网络功能自动 化的统一开发平台，使得开发者和服务提供商能够快速的提供新服务。Open Air Interface (OAI) 是欧洲EURECOM组织发起并维护的一个开源软件定义无线电（SDR）开发平台，提供LTE网 络核心网、接入网和用户设备的开源软硬件开发工具。开放雾联盟（OpenFog Consortium）力 图通过开发开放式架构、分布式计算、联网和存储等核心技术以及实现物联网全部潜力所需的 领导力，加快雾计算(Fog Computing)技术的部署。  什么是开放式5G（Open5G）？ 虽然Open5G是一个新概念，但开放系统、开放体系架构的发展历史却由来已久。对开放 系统与开放体系架构的研究，不仅奠定了开放式5G网络及其关键技术的研究基础，也有助于 我们更好地理解开放式5G的内涵与外延。 开放式5G网络架构，内涵比较丰富，定义方法、形式比较多，争议也比较大。例如，由 中国移动牵头提出的基于服务的网络架构（SBA）被3GPP确认为统一基础架构，该架构面向 云化设计，通过网络功能的模块化实现按需的灵活定制组网。IMT-2020（5G）推进组提出的 5G网络架构，基于接入平面、控制平面和转发平面解耦，采用模块化功能设计，构建针对多 样性应用的虚拟专用网络，并通过软件定义网络（SDN）/NFV技术提升灵活组网的能力。欧 盟5GPPP在“View on 5G Architecture”白皮书中提出，为增强5G架构的灵活性，应通过部署网 络切片技术、网络软件化、整合通信和计算、整合易购接入技术，来满足5G网络应用的多样 性。华为原生云5G网络架构（Cloud-Native 5G Architecture）提出了一个“全云化”策略。该架 构具有的特点有：网络切片自适应产生、维护和终止；利用无线云网络（C-RAN）重构无线 接入网；通过控制面和用户面分离、基于组件的功能、以及统一的数据库管理，简化核心网结 构。 虽然“开放式5G网络架构”尚没有一个统一的定义，但我们认为，应该具备两个基本的属 性，即：网络针对不同场景的特殊需求具有灵活性和定制化的特性。其中，灵活性是指网络基 础设施中的网元能够以一种即插即用的方式激活或关闭，从而实现网络的“硬”重构；定制化是 指通过软件定义网络、网络功能虚拟化等技术，为用户的特定需求提供虚拟的专用网络，从而 实现网络的“软”重构。 5
    Open5G：5G 网络的开放生态 因此，开放式5G网络强调但不局限于以下几个重点： （1）Open5G是独立于物联网应用与垂直行业需求的基础互联互通网络。 （2）Open5G倡导的核心是“开放”，开放的目的是为了实现5G与物联网与垂直行业的深度 融合，进一步促进跨行业、跨网络、跨系统、跨平台的物联网与垂直行业应用之间的互联互通， 以达到万物互联的目的。 （3）开放式5G网络架构，关注的是承载多样化、差异化的物联网与垂直行业应用所需要 的基础共性能力；而且，这些基础共性能力越开放，对物联网与垂直行业应用的支持度越好。 （4）开放式5G网络架构的本质是确定5G网络中各要素的层次关系与接口，并采用开放标 准或规范进行约束。  为什么要建立开放式5G网络？ 建立一张网络同时满足5G网络中的各种多样化差异化业务是不可能的。首先，5G网络的 场景和业务需求具有多样性和差异性。目前，数以亿计的终端设备在各种场景下得到了应用促 使了多样性的应用开发和各异性的通信需求的爆炸式增长。例如，5G网络的应用场景可分为 三类，即提供更强带宽的增强移动宽带（eMBB）、为满足大规模物联网机器间通信的海量机 器类通信（mMTC）和满足高可靠实时通信的超可靠低时延通信（URLLC）。国际电信联盟 （ITU）在愿景报告中提出了5G网络的关键能力指标（KPIs）包括用户数据速率、峰值速率、 频谱效率、能量效率、移动性、时延、链接密度和区域传输容量等。5G网络中的三种场景针 对的通信对象和应用情景皆不相同，未来的运营模式和产业链也不相同，从而各场景下的KPI 势必不相同。其次，支持各场景下各种业务的通信技术也不相同。例如，蜂窝通信、无线局域 网中的WiFi技术、智能家庭中的蓝牙（Bluetooth）、紫蜂（ZigBee）技术等。最后，随着未来 应用需求的不断变化和越来越多功能各异的设备部署到5G网络当中，其性能和服务需求甚至 会变得更加的严格和多样化，上述的场景和关键性能指标不是固定不变的，而是不断发展变化 的。因此，现有网络结构很难跟得上5G网络快速发展的应用场景、性能需求和通信技术，必 须构建开放式5G网络，可为多样性的业务提供自适应、高效的个性化服务，以满足不同业务 的需求。  如何构建开放式5G网络？ 目前，根据网络开放的程度，开放式5G网络的构建方式可以分为三大类： （1）网络能力开放：通过开放应用程序编程接口（API），为运行在Open5G网络中的第 三方应用开放基础资源、增值服务能力、网络数据信息以及运营支撑等多种服务。这种通过开 放观察接口和控制接口的网络，可以看做是一个“黑盒”开放网络。 （2）半开放半封闭网络：通过向第三方应用开放网络中的部分子网，其灵活的模块化架 构可具备高度的扩展性，可单独开发和升级网络组件，满足多业务需求。例如，面向服务端到 端的原生云5G网络架构简化和开放了核心网的网络功能，为5G业务拓展带来更多可能性。这 种部分开放的网络架构可被称为“灰盒”开放网络。 （3）全开放网络：通过网络架构的模块化设计，打破网元的界限，将网络功能细分为服 6
    Open5G：5G网络的开放生态 务组件，向第三方应用开放。同时，在开放网络架构的基础上进行控制/应用软件的开源共享， 网络服务的定制化、按需化和网络部署和运维的自动化。这种全网的彻底开放网络可被称为“白 盒”开放网络。 目前，5G业务场景与需求、关键技术逐渐明晰，5G标准即将完成。然而，关于开放式5G 网络的研究尚处于起步阶段。因此，迫切需要对开放式5G网络给出网络架构设计和解决方案、 关键使能技术分析以及典型应用实例。本白皮书重点关注以下几个方面： • 开放网络的基本概念 • 开放式核心网 • 开放式无线接入网 • 开放式终端侧 • 开放物理层 • 开放硬件 • 开放示例 2 开放网络的基本概念 2.1 开放网络基本内涵 开放网络的概念随着NFV和SDN的引入而成为了未来网络演进首先要面对和解释的概念。 核心网基于服务的架构重组、无线网朝向集中单元（CU）/分布单元（DU）两级架构的C-RAN 演进都是5G网络架构的显著特征。运营商期望通过虚拟化和云化带来的灵活部署能力、快速 构建网络服务能力、以及网络功能快速迭代升级能力，可以在未来5G网络的运营中获得业务 领域的拓展，不仅在传统的面向个人的移动宽带业务中保持领先，更要在垂直行业领域通过快 速定制化网络能力分得一杯羹。本小节首先对运营商的技术演进需求进行分析，而后将开放网 络的概念分三个层次进行阐述：能力开放的黑盒网络、完全开放的白盒网络、半开放半封闭的 灰盒网络。这里需要强调的是所谓黑盒、白盒、灰盒开放的概念都是针对运营商而言的网络设 备掌控度。针对设备厂商，则无所谓黑盒、白盒。 2.1.1 面向 5G 演进的技术需求分析  商业价值诉求 无线网络建设一直是运营商网络综合投资(TCO)的最主要部分，大致占比在60-70%。大部 分运营商刚经历4G网络的巨大投资，就将面对5G网络的投资需求；由于5G网络“带宽大、频 段高”等特点，势必造成单站设备成本高、建网规模大，这就需要引入新技术、新方案，避免 完全采用传统建设模式（厂商为运营商提供全套软硬件设备），通过方案革新降低建设难度、 减少无线网络的TCO投入。而且预计在5G网络建成后，由于高频段的引入，站址密度进一步 7
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