How to Update Your 5G vRAN

(1) TLDR:

• 提出并实现了一个名为 SwapRAN 的实时更新系统:
  • 专用于 5G vRAN 软件组件: 分布式单元（DU）和集中式单元（CU）
• 与之前依赖额外硬件（如备用服务器或可编程交换机）的系统不同，SwapRAN 能够实现原地（in-place）更新
  • 对于当前主流的单服务器架构（DRAN）具有很高的实用价值

(2) Online-Update DU:

• 实时线程平滑过渡:
  • 利用操作系统的线程优先级机制
  • 在旧 DU 仍在处理活跃用户流量时，安全地在后台（非实时状态下）初始化新 DU 的相关进程
• 前传流量重定向:
  • 通过重新利用现代以太网卡（NIC）中自带的嵌入式交换机（eSwitch）功能
  • 直接将前传（Fronthaul）流量无缝引导至新 DU，无需使用额外的可编程交换机

(3) Online-Update CU:

• CU与DU的解耦:
  • 引入了一个中传代理（Midhaul Proxy）
  • 将原本紧密耦合的 CU 与 DU 的 有状态连接进行解耦
  • 使旧 CU 的关闭不会直接导致所有底层 DU 断开连接
• 用户平滑迁移:
  • 巧妙地复用了现有的标准化控制平面消息（即 F1AP Resets 命令）
  • 以 DU-by-DU 的方式逐步将用户设备（UE）迁移至新 CU，从而有效避免了短时间内海量设备重连引发的信令风暴

Introduction

(1) 传统更新方式的痛点与 vRAN 的持续部署愿景:

传统的无线接入网（RAN）依赖专用硬件，软件更新非常困难，通常需要特定厂商的操作流程和预先计划的维护停机时间

基于通用服务器的虚拟化 RAN（vRAN）有望像云数据中心应用一样，实现持续集成与持续部署（CI/CD），从而快速且轻松地推送软件更新

SwapRAN 系统旨在实现这一愿景，克服 RAN 独有的严格实时性、有状态计算 等挑战

(2) vRAN 的核心架构与“原地更新”概念:

vRAN 软件主要分为 DU 和 CU 两部分:

• DU 位于基站侧（cell site），负责底层的基带处理和 MAC 层调度，以满足极高的亚毫秒级实时性要求
• CU 负责聚合多个 DU，并运行高层的无线控制和数据包处理协议

SwapRAN 为 DU 和 CU 提供了在同一台服务器界限内进行的 "原地（in-place）"更新 机制，该机制依赖用户设备（UE）在秒级时间内快速重连的基本能力

(3) 现有更新系统（如 Atlas）的局限性:

近期的 Atlas 等系统采用了非原地的 DU 更新设计，需要借助一台备用服务器运行新 DU，并依赖可编程以太网交换机来重定向射频单元（RU）的前传流量

这不仅增加了部署与跨服务器协调的管理复杂性，而且无法适用于现今常见的、只有一台服务器直连射频单元的分布式 RAN（DRAN）部署（如 Fig. 1）

(4) 为什么 SwapRAN 可以实现:

• DU 原地更新技术:

  • 首先，利用操作系统的实时线程优先级调度特性，在旧 DU 仍为用户提供服务的同时，安全地执行新 DU 耗时的初始化阶段
  • 其次，SwapRAN 摒弃了外部可编程交换机，转而利用 NIC 中的 eSwitch 来将前传流量直接重定向至新 DU

• CU 首次实时更新技术:

  • CU 的实时更新在过往文献中属于空白领域，SwapRAN 打造了首个切实可行的系统
  • 针对目前 关闭旧 CU 会直接断开所有对等 DU 的架构缺陷, SwapRAN 引入了一个 midhaul proxy 对 CU 和 DU 进行解耦
  • 此外，系统还开创性地复用了现有的中传控制平面消息（F1AP Resets），从而实现将用户平滑且渐进地迁移至新 CU

亮点

1. OS调度, 提前新DU初始化
2. NIC eSwitch 流量重定向
3. Midhaul Proxy: 将 CU/DU 解耦
4. 复用 F1AP Resets

Background and Motivation

(1) vRAN 的基础组成与网络架构

5G vRAN 主要由三个标准化组件构成：无线单元（RU）、分布式单元（DU）和集中式单元（CU）

• 在网络拓扑上:
  • 一个 DU 通常通过低延迟的前传（Fronthaul）网络连接多个 RU
  • 一个 CU 则通过中传（Midhaul）网络聚合多达数百个 DU
• 各层职责划分:
  • RU 负责与UE交换数字无线信号
  • CU 实现非实时层 (RRC 无线资源控制层和数据面层)
  • DU 则负责运行对时间极其敏感的底层 (负责基带处理的 PHY 层和负责调度的 MAC 层)

(2) DU 组件的严苛实时性要求

• 为了满足 5G 极短的空中接口延迟限制（例如 Sub-6 GHz 频段要求 500 微秒内响应），DU 必须运行多个高优先级的 Realtime 线程
• 这些实时线程被强行绑定在专用 CPU 核心，并且与服务器上的其他非实时任务进行严格资源隔离，以确保处理不会超时
  • 这种特性使得在同一台服务器上更新 DU 变得极具挑战性

(3) 现有软件更新方案的缺陷与局限性

• 网络停机时间过长:
  • 虽然 vRAN 的初衷是加快软件更新速度，但现有的 RAN 更新方法会导致长达数十秒的网络停机时间
  • 且传统更新往往依赖复杂的停机规划与人工干预（如调整邻近基站的功率）
• 近期 DU 更新系统（如 Atlas 和 Slingshot）存在三大短板:
  1. 不支持单服务器（DRAN）架构: 它们需要引入一台备用服务器来运行新 DU，并需要部署昂贵的可编程交换机来进行前传流量的重定向，这在资源受限的边缘基站中是不切实际的
  2. 不符合标准规范: 例如，Atlas 的 DU 更新依赖handover功能，但这与 O-RAN 的底层架构规范不兼容
  3. 缺乏系统集成: 在工程实现层面，它们没有与现有的 K8s 等编排系统进行集成
• CU 更新领域的空白:
  • 除此之外，目前在学术界与工业界，还没有任何公开文献或系统探讨并解决 CU 的在线实时更新问题

SwapRAN

SwapRAN 总体概览与设计原则

(1) 架构组成:

SwapRAN 从高层面上分为 DU 更新和 CU 更新两部分

为了实现实时更新，系统在现有的 vRAN 部署中增加了三个组件:

• (a) 拦截 CU-DU 控制平面的 F1AP 代理（Midhaul Proxy）
• (b) 在容器生命周期启动和停止阶段由编排引擎调用的脚本
• (c) 运行在 DU 进程底层的 libswapRAN.so（一个 LD_PRELOAD 库）

核心设计选择

• 原地更新（In-place updates）:
  • 更新在同一台服务器界限内完成，不需要额外的硬件或网络重配置，这使其完美适用于单服务器的 DRAN 部署架构
• 兼容 O-RAN 规范:
  • 系统设计严格遵循 O-RAN 规范（例如: 在 CU 更新中特意选择不使用 handover 机制）
• 更新自包含（Self-contained updates）:
  • DU 或 CU 的更新独立进行，无需互相改变生命周期（例如互相重启），这对于异构、多厂商或跨集群的部署尤为重要

(2) DU RT-Update:

挑战 1：满足极高的实时性要求

新旧两个 DU 不能同时运行在同一台服务器上，否则它们会争抢 CPU 资源并破坏彼此的实时处理截止时间

而如果直接关闭旧 DU 再启动新 DU，会导致长达 25 秒以上的断网

解决方案 1：线程优先级调度

SwapRAN 识别出新 DU 启动时大部分时间消耗在 与空中接口无关的“非实时”初始化任务

利用操作系统优先调度实时线程的特性，SwapRAN 让新 DU 在后台安全地进行初始化，同时旧 DU 继续处理用户流量

直到新 DU 准备就绪，系统才执行切换，从而将黑障期（断网时间）大幅缩短至 200 毫秒以内

挑战 2：前传（Fronthaul）流量重定向

在单台服务器内进行原地更新时，由于 DU 使用内核旁路（kernel-bypass）进行低延迟数据包 I/O，无法使用 OS 内核路由，且环境中通常没有可编程交换机可用

解决方案 2：复用网卡 eSwitch

现代高速以太网卡（NIC）包含用于网络虚拟化的 eSwitch

SwapRAN 巧妙地利用了该硬件特性，通过配置相同的 MAC 地址，直接将射频单元的前传流量引导至新 DU，且不需要特殊的智能网卡

(3) CU RT-Update:

CU 与 DU 解耦

挑战：有状态连接与信令风暴

在现有的架构中，CU 与其下属的 DU 之间维持着有状态的 SCTP 控制面连接:

如果直接关闭旧 CU，会导致所有对等 DU 断开连接

这会引发成千上万的用户设备（UE）同时尝试重新入网，造成严重的信令风暴，进而导致新 CU 和核心网瘫痪

Tip

• 有状态连接：CU 与其下层的 DU 之间维持着基于 SCTP 协议的有状态控制平面连接（F1-C 接口）
• 极高的用户密度：一个 CU 通常聚合多达数百个 DU，管理着成千上万的活跃用户（UE）
  • 如果直接关闭旧 CU，会导致所有对其连接的 DU 断开并重置，海量用户同时尝试重新入网
  • 从而引发瘫痪性 signaling storm，这会压垮新 CU 和核心网

解决方案 1：引入 F1AP 代理进行解耦

SwapRAN 在 CU-DU 中传控制平面引入了一个轻量级且透明的代理组件（SwapRAN Midhaul Proxy）

它分别与 DU 和 CU 建立 独立的 SCTP 连接 并在两者间转发 F1AP 消息，从而将 CU 的更新过程对 DU 完全隐藏，保持底层的有状态连接不断裂

它的工作原理类似于 Web 服务中的反向代理: 掩盖了后端的 CU 更新状态，从而防止底层的有状态连接断裂

SwapRAN 的最终方案：渐进式 DU 软重置

SwapRAN 巧妙地复用了 3GPP 标准中原本用于处理 CU 局部故障的 F1AP Reset 消息

代理通过逐个向 DU 发送带有空用户列表的 Reset 消息，促使 DU 清除其内部的用户状态

随后，UE 会因为连续获取不到上行链路授权，而检测到无线电链路故障（RLF），并主动向新 CU 发起 RRC 重连

解决方案 2：渐进式 DU 迁移

为了避免瞬间产生过量的信令负载，SwapRAN 引入了一种平滑迁移机制

它复用了现有的接口管理消息，将网络中的 DU 逐个（DU-by-DU）安全、增量地迁移至新 CU

Tip

ch5 DU Updates 和 ch6 CU Updates

是上述指导思想的具体实现方式. 故省略

Implementation

用得上, 有空仔细看看人家是怎么做的实验