Radio and baseband unit virtualization : pushing the boundaries of future mobile networks

Abstract

Existing mobile networks rely on closed and inflexible hardware-based architectures both at the radio frontend and in the core network. This hardware dependence significantly delays the adoption and deployment of new standards, impose significant challenges in implementing innovative new radio access technologies to maximize the network capacity and coverage, and prevent provisioning of truly-differentiated services that can adapt to uneven and highly variable traffic patterns. Because of such limitations, it is expected that future 5G mobile networks should be constructed based on the baseband centralization architecture. In such an architecture, the computational processing resources are centralized and software-defined implementations replace baseband unit hardware. Although baseband centralization architecture brings several opportunities for future 5G mobile networks, it is not free from challenges. Among the different challenges existent, we highlight the most relevant ones, (i) a single “one-size-fits-all” access technology, (ii) network coverage is limited, and (iii) high bandwidth requirements for fronthaul links. To address these challenges, we push the boundaries of mobile network architectures by presenting the AIRTIME. AIRTIME is a prototype system that integrates BBU and RRH virtualization to realize a flexible and adaptable solution in which the physical RAN infrastructure can be virtualized and specialized for any type of radio access technology. Our RRH virtualization layer enables multiple heterogeneous access technologies to coexist on top of the same radio front-end. It uses innovative baseband processing techniques to slice and abstract a radio front-end into multiple virtual radio front-ends. AIRTIME solves the challenges of current centralized baseband architectures while enabling an unprecedented control over any aspect of the access network. The methodology employed to show the feasibility of our proposal is through an experimental prototype, which was evaluated in an experimental 5G-like network in which one physical RAN is virtualized into two vRANs to provide connectivity services to service providers with vastly different requirements. We also have performed mathematical analysis to obtain the fronthaul bandwidth and processing resources required for different fine-grained vBBU distribution, as well performed simulations to obtain the maximum number of vBBUs that can operate over a constrained fronthaul. Our results show that AIRTIME is able to execute multiple virtual RAN, enabling multiple RANs tailored for particular services to share the same physical infrastructure. Moreover, AIRTIME increases the programmability, flexibility, and scalability that is lacking in future 5G mobile networks, while also catalyzing innovations in a range of areas, from the introduction of new access technologies specialized in specific services, to the management of data center and fronthaul resources.

As redes móveis atuais são baseadas em uma arquitetura fechada e inflexível tanto no front-end de rádio quando no núcleo da rede. A dependência com o hardware dificulta o desenvolvimento de novos padrões, impõe desafios na implantação de novas tecnologias de acesso que maximizam a capacidade e cobertura da rede e impede o provisionamento de serviços que podem realmente se adaptar à diferentes tráfegos de rede. Devido a essas limitações, espera-se que a futura rede 5G seja baseada na arquitetura de centralização de banda-base. Nessa arquitetura, os recursos computacionais de processamento são centralizados e hardwares de processamento banda-base são substituídos por versões implementadas em software. Apesar da arquitetura de centralização de banda-base trazer muitas oportunidades para as futuras redes 5G, sua implantação não é livre de desafios. Dentre os diversos desafios existentes, destacam-se os mais importantes (i) uma tecnologia de acesso para todos os serviços, (ii) área de cobertura da rede é limitada, e (iii) grande largura de banda na rede de fronthaul. Para resolver esses desafios, expande-se as fronteiras das redes móveis com o AIRTIME. AIRTIME é um protótipo que integra virtualização de BBUs e RRHs para realizar uma solução flexível e adaptável na qual a infraestrutura física da rede de acesso pode ser virtualizada e especializada para qualquer tipo de tecnologia. A camada de virtualização de RRHs dessa proposta permite que várias tecnologias de acesso heterogêneas coexistam em cima da mesma RRH física. Nossa proposta utiliza técnicas de processamento de sinais avançadas para dividir e abstrair uma front-end de rádio em múltiplos front-end virtuais. AIRTIME resolve os desafios da centralização de banda-base ao mesmo que tempo em que habilita um controle sem precedentes de qualquer aspecto da rede de acesso. A metodologia empregada para mostrar a viabilidade dessa proposta é através de um protótipo que foi avaliado em uma rede experimental 5G em que uma RRH é virtualizada em duas vRRHs que provêm conectividade para serviços com requisitos diferentes. Nós também realizamos análises matemáticas para obter a largura de banda e processamento necessários para diferentes distribuições de vBBUs, assim como simulações para obter o número máximo de vBBUs que podem compartilhar um fronthaul com largura de banda limitada. Os resultados mostram que AIRTIME é capaz de multiplexar diversas redes de acesso virtuais em uma única rede física e permitindo que as redes virtualizadas sejam personalizadas para serviços específicos. Além disso, AIRTIME aumenta a programabilide, flexibilidade e a escalabilidade necessárias nas futuras redes móveis 5G, ao mesmo tempo que cataliza inovações em um número de áreas, da inclusão de tecnologias de acesso especializadas em determinados serviços, até o gerenciamento de data centers e recursos da rede de fronthaul.