5G ネットワーク アーキテクチャとワイヤレス ネットワーク仮想化

5G は、柔軟で制御可能、オープンでカスタマイズ可能な無線ネットワークの目標を達成するために仮想化技術を導入しており、これは通信事業者のネットワーク変革の方向性とも一致しています。本稿では、5G 無線ネットワーク アーキテクチャを分析し、無線ネットワークにおける仮想化テクノロジの適用を検討し、通信事業者の代表的な無線ネットワーク仮想化ソリューションを紹介することで、ビジネス指向の高度にインテリジェントな 5G ネットワークを構築するための参考資料を提供します。

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1 概要

周波数帯域とサービスの要件により、将来の5Gネットワ​​ークは高密度で複雑なネットワーク構造を持ち、基地局の数と展開密度は既存の4Gネットワ​​ークをはるかに上回ります。 SDN/NFV（ソフトウェア定義ネットワーク/ネットワーク機能仮想化）技術の継続的な発展により、モバイルネットワークコア機器の仮想化技術は徐々に成熟してきました。ソフトウェアとハ​​ードウェアの技術と機能が継続的に強化されるにつれて、大手メーカーや通信事業者もワイヤレス側の仮想化の研究を始めています。アプリケーション指向でオープン、柔軟、低コスト、保守が容易なネットワークを提供するために、無線アクセス側でのネットワーク仮想化の研究が業界で話題になっています。

2 将来の無線ネットワークアーキテクチャ

2.1 5Gワイヤレスネットワークアーキテクチャ

3GPP 5G NR（New Radio）アーキテクチャを図1 [1]に示します（コアネットワークアーキテクチャとネットワーク要素の詳細については、参考文献 [3] を参照してください）。 gNB基地局は端末にNGユーザープレーン（UP、U-plane）と制御プレーン（CP、C-plane）を提供し、eLTE eNB（アップグレードLTE基地局）基地局は端末にE-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access）ユーザープレーンと制御プレーンを提供します。標準仕様では、NR と E-UTRA の両方のユーザー プレーンと制御プレーンが提供されます。 gNB（5G 基地局、3GPP では名前のみが付けられ、定義されていません）、eLTE eNB、および NR と eLTE eNB は、Xn インターフェイスを介して相互接続されます。基地局とコア側ゲートウェイ（NG-CP/UPGW）は、NGインターフェースを介してマルチペア接続を実現します。

図1 5G NRアーキテクチャ

5Gネットワ​​ーク構築の初期段階では、投資を節約し、ネットワークを迅速に構築するために、3GPPのオプション3/3Aを採用し、eLTE eNBを介してLTEコアネットワークEPCにアクセスし、5G高速サービスを実現する可能性が高くなります。その後、ネットワークが進化するにつれて、オプション 7/7A およびオプション 5 アーキテクチャ (純粋な 5G アーキテクチャ) に徐々に移行します。

2.3 CU/DU分割

5G では、無線基地局を CU (集中ユニット) と DU (分散ユニット) という 2 つの論理機能エンティティに分割します。アーキテクチャを図2に示す[2]。

gNB は、1 つの gNB-CU と 1 つ以上の gNB-DU で構成されます。 gNB-DU は分離機能の設定に従って gNB の機能を実装し、その機能実装は gNB-CU によって制御されます。 gNB-CU と gNB-DU は F1 インターフェイスを介して接続されます。 CU は、ワイヤレス ネットワーク機能の非リアルタイム部分 (主にワイヤレスの高レベル プロトコル、一部のコア側機能を担当) に重点を置いており、クラウドと仮想化を促進します。 DU は、CU 機能を除くすべての無線側機能を担当し、物理層機能とリアルタイム要件に重点を置いています。現時点では機能仮想化には適しておらず、専用のハードウェアを使用して実装できます。

3GPP TRは8つのCU/DU分割方式（オプション1～オプション8）を定義しており、その論理的な位置はRRC、PDCP、RLC（2層）、MAC（2層）、PHY（2層）に続きます。オプション 2 は高レベルの分割スキームであり、標準化の焦点となります。 DU の物理層機能の一部は、完了するために RRU に移動できます。 CU は、対応する DC ルーム内の MEC (モバイル エッジ コンピューティング) と一緒に展開できるため、迅速なビジネス革新と迅速な立ち上げを実現できるほか、DU から RRU (リモート無線ユニット) への伝送リソースも節約できます。

図 2 NG-RAN アーキテクチャ図

CU/DU 分離の利点は次のとおりです。

（１）フロントホール（DCローカルトラフィックのオフロード/迂回）の帯域幅要件を効果的に削減する。

（２）コラボレーション能力を向上させ、パフォーマンスを最適化する。

（３）柔軟なハードウェアの導入によりコストが削減され、エンドツーエンドのネットワークスライシングがサポートされます。

（４）一部のコア機能が下位に移動される。

（５）システムの遅延を減らす。

3 ワイヤレスネットワーク仮想化技術

ワイヤレス ネットワーク仮想化は、ネットワーク リソース仮想化とネットワーク機能仮想化という 2 つの側面から分析されます。ネットワーク リソース仮想化とは、モバイル ネットワークの無線側におけるスペクトル リソース、電力リソース、および無線インターフェイス (容量) リソースの仮想化です。ネットワーク リソース仮想化の結果は、ネットワーク機能仮想化の基礎として機能します。ネットワーク機能仮想化は、無線アクセスネットワークのデータユニットと制御ユニット、およびコア側の一部を機能的に仮想化することです。これら 2 つの側面を仮想化することで、ワイヤレス ネットワーク リソースの効果的なスケジューリングと利用を実現し、リソース利用効率を向上させ、5G ネットワーク スライシングを適切にサポートできるようになります。ベアラ/コア ネットワーク仮想化と比較すると、ワイヤレス ネットワーク仮想化はより複雑な構造と特性を持っています。無線環境の不確実性、システム内外の干渉、シグナリング スケジューリングのオーバーヘッド、高速モビリティだけでなく、フロントホール、ミッドホール、バックホール ネットワークの容量と遅延の制限も考慮する必要があります。

3.1 ワイヤレスリソース仮想化

無線リソースには、周波数領域リソース、時間領域リソース、空間領域リソース、電力リソース、伝送帯域幅などのリソースが含まれます。無線リソースの仮想化とは、SDN/NFV 技術を通じてこれらのリソースをプールし、マッピングなどの手段を通じて、無線ネットワーク リソースのスケジュールと構成を特定のネットワーク リソースから独立させることです。言い換えれば、無線ネットワークリソースはスケジューリングと構成中にシールドされ、それによって無線ネットワークリソースを活用するという目的が達成される[4]。

図4 ネットワークリソースの仮想化

上図（図 4）に示すように、仮想ネットワーク コントローラーはネットワーク仮想化を担当し、ビジネス ニーズに応じてネットワーク トポロジーを自動的に生成し、仮想リソース コントローラーからネットワーク リソースを申請します。ノードリンクコントローラは、利用可能なネットワークリソースとさまざまなビジネスアプリケーションに必要なリソースに基づいて、基盤となるネットワークリソースとネットワーク要件を合理的に割り当てます[9]。

3.2 ネットワーク機能仮想化

ネットワーク機能仮想化は、NFV技術とSDN[7]技術を組み合わせることで実現されます。 NFV テクノロジー (上位層サービスのクラウド化と基盤ハードウェアの標準化) は、成熟した商用サーバー (COTS、Commercial Off-The-Shell) を使用して、ネットワーク機能をエッジ クラウド内の VM (仮想マシン) に転送します。これらの VM は、SDN テクノロジーを通じてコア クラウド VM と相互接続されます。仮想マシンは、リソースの割り当てと分離、つまりソフトウェア機能とハードウェア機能の分離をより簡単に実現できるため、5G ネットワーク スライシングをサポートします。レイテンシなど、さまざまなサービスのさまざまな要件を満たすために、エッジ VM またはコア VM でネットワーク機能を設定することを選択できます。

NFVの階層ビューを図5に示します。MANO（管理とオーケストレーション）には、（1）ネットワークサービス（NF）管理とオーケストレーション、ビジネスシナリオ指向のネットワークサービスとオーケストレーション、ネットワークサービスライフサイクル管理の3つのレベル/部分が含まれます。 （２）仮想ネットワークエレメント（VNF）管理とオーケストレーション、VNFライフサイクル管理、VNF関連仮想リソース管理、およびVNF構成管理。 （３）仮想リソース管理とオーケストレーション：NFVインフラストラクチャの仮想リソース管理（コンピューティング能力、ストレージ容量、ネットワーク機能）。

図5 NFV階層ビュー

無線側のネットワーク機能仮想化により、ネットワーク機能（ベアリング）とカバレッジ要件の分離が実現され、ネットワークノード機能の構成が物理的な場所によって制限されなくなり、5G スライシングがより適切に提供されます。

4 つのワイヤレス ネットワーク仮想化の例

4.1 中国移動C-RANアーキテクチャ

C-RAN コンセプトは 2009 年に China Mobile によって提案され、ネットワークの開発と進化に基づいて継続的に改善されてきました。 C-RAN (集中型、協調型、クラウド型、クリーン RAN) は、集中型 (インフラストラクチャ投資の削減)、協調型 (ネットワーク リソースの利用効率の向上)、クラウド ベース (リソース共有を可能にする)、グリーン (高エネルギー消費の問題を解決) の無線アクセス ネットワークです。 C-RANは従来のD-RAN（分散型RAN）に関連しており、SD-RAN（ソフトウェア定義RAN）[12]またはvRAN（仮想RAN）[5]とも呼ばれます。 BBU（ベースバンドユニット）の集中処理により無線ネットワークの仮想化を実現します。 CU/DUセグメンテーションに基づく中国移動のC-RANアーキテクチャを図6に示します。物理的な展開に関しては、基地局のフロントホール条件に応じて、集中型DUスタッキングと分散型DU[6]の2つの方法があります。 DU の配置の高さによって、そのサービスの範囲が決まります。場所が高ければ高いほど、より多くのリソースを均一にスケジュールでき、DU の機能要件も高くなります。

図6 中国移動が提案するCU/DU分割C-RANアーキテクチャ

RAN のネットワーク機能仮想化は、主に CU の仮想化を指します。 CUは汎用機器を使用して無線ネットワークやコアネットワーク機能の一部をサポートする機能を実装することができ、MECと組み合わせてエッジアプリケーション機能を実現することができる[10]。 DU は専用機器または汎用機器を使用して実装できます。 NFV フレームワークの導入後、統合ネットワーク オーケストレーションと管理を通じて、SDN アーキテクチャの下で CU/DU のリソース仮想化管理を実現できます。 C-RAN技術は5Gネットワ​​ークに適用できるだけでなく、既存の基地局を仮想化するためにも使用できます[8]。

4.2 中国電信ネットワークターゲットアーキテクチャ

中国電信技術イノベーションセンターは、5GワイヤレスネットワークソリューションS-RAN（スマートRAN）を提案しました。無線ネットワーク仮想化技術はS-RANの主要技術である[13]。中国電信のCTNet2025目標ネットワークアーキテクチャは、シンプルさ、俊敏性、オープン性、集中性を特徴とし、ユーザーにネットワークの可視性、オンデマンドのリソース選択、ユーザーセルフサービス機能を提供します[11]。対象ネットワークは、インフラストラクチャ層、ネットワーク機能層、およびコラボレーション オーケストレーション層の 3 つの層に分かれています。ワイヤレス ネットワーク機能は、機能抽象化レイヤーと専用機能の 2 つの部分に分かれています。 CTNet2015 ターゲット アーキテクチャの DC 変換計画では、モバイル ネットワークを「3 つのクラウド」として表現しています。 「アクセス クラウド」は、ワイヤレス ネットワークを vBBU (Cloud-RAN-CU を参照) と専用ハードウェア DU および RRU の 2 つの部分に分割します。さらに、MECC（モバイルエッジコンピューティングおよびコンテンツ）も「アクセスクラウド」と統合されており、超低遅延および大容量サービスのローカルキャッシュ要件を満たします。中国電信のモバイル ネットワーク再構築のターゲット アーキテクチャを図 7 に示します。

図7 中国電信CTNet2025モバイルネットワークターゲットアーキテクチャ

無線ネットワーク仮想化技術の研究は、ベアラネットワークの研究に比べて遅れています。したがって、China Telecom には無線ネットワーク仮想化に関する明確な計画がありません。また、投資などの要因により、中国電信の無線ネットワーク仮想化の推進は段階的なプロセスとなるでしょう。

5 結論と展望

SDN/NFV テクノロジーによるワイヤレス側を仮想化することで、ネットワークの柔軟性とリソース利用効率が向上します。しかし、無線側の仮想化には多くの基地局が関係し、その多くは基地局側に汎用サーバを導入する必要がある。したがって、無線側の仮想化は長いプロセスになります。さらに、無線ネットワーク仮想化を MEC と統合する方法や、5G ネットワーク スライシングをサポートする方法などの問題も、継続的な進歩と統合が必要です。 ETSI自動化ワーキンググループは、すべての運用プロセスとタスク（配信、展開、構成、保証、最適化など）の自動化を実現するための関連する作業トピックを開始しました[15]。 5G 時代は、無線ネットワークを仮想化するチャンスとなります。

参考文献

[1] TR 38.801 V14.0.0 3GPP技術仕様グループ無線アクセスネットワーク、新しい無線アクセス技術の研究：無線アクセスアーキテクチャとインタフェース（リリース14）[S]。 2017年。

[2] TS 38.401 V15.0.0。 3GPP 技術仕様グループ無線アクセス ネットワーク、NG-RAN;アーキテクチャの説明（リリース 15）[S]。 2017年。

[3] TS 23.501 V15.0.0. 3GPP 技術仕様グループ サービスおよびシステム側面、5G システムのシステム アーキテクチャ。ステージ2（リリース15）[S]。 2017年。

[4] Sun Qian、Tian Lin、Zhou Yiqing、他。 NFVとSDNに基づく将来のアクセスネットワーク仮想化の主要技術[J]。

情報通信技術、2016年、(1):57-62。

[5] 馬英5Gネットワ​​ークにおけるVRAN技術の実装[J]。モバイルコミュニケーションズ、2017、41(20):69-73。

[6] 中国移動通信研究院、華為技術有限公司、ZTE株式会社等「5G C-RANに向けて：要件、アーキテクチャ、課題」ホワイトペーパー[Z]。 2016年。

[7] Yang Mao、Yang Xu、Li Yong、他。仮想化に基づくソフトウェア定義無線アクセスネットワークアーキテクチャ[J]。清華大学科学技術誌、2014年、54(4)、443-448。

[8] Wang Youxiang、Li Yiqun、Zhang Lan、他。基地局仮想化技術の研究[J]。郵政電気通信設計技術、2016(11):47-50.

[9] 馮志勇、馮沢冰、張啓勲。無線ネットワーク仮想化アーキテクチャと主要技術[J]。 ZTEコミュニケーションズテクノロジー、2014年、20(3):16-21。

[10] 呉元生、王学玲、邢志宇。 MEC技術とモバイルネットワーク再構築の簡単な分析[J]。モバイルコミュニケーションズ、2018、42(1):15-20。

[11] 中国電信公司CTNet-2025ネットワークアーキテクチャホワイトペーパー[Z]。 2016年。

[12] Xu Chuan、Ma Honbao、Zhao Guofeng、他。ソフトウェア定義無線ネットワークの研究の進歩[J]。重慶郵電大学誌：自然科学版、2015年、(4)、453-459。

[13] S-RANの主要技術：5Gワイヤレスネットワーク仮想化[EB/OL] （2015-9-10）。 http://www.c114.com.cn/topic/4738/a918134.html。

[14] 王維明転送と制御の分離技術とその応用[M]。浙江省：浙江大学出版局、2010 年。

[15] 斉旭ETSI がゼロタッチネットワークおよびサービス管理業界仕様グループ (ZSM ISG) 会議 [EB/OL] を開催します。 （2018-02-06）。 http://www.ccsa.org.cn をご覧ください。

著者について

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王雪玲は上級エンジニアであり、修士課程の学生です。上海郵電設計コンサルティング研究所株式会社で主に無線ネットワークの企画、コンサルティング、設計に従事。