Towards Energy Efficient 5G vRAN Servers¶

核心问题:

在不影响性能的前提下，如何提升 5G 虚拟化无线接入网（vRAN）分布式单元（vDU）服务器的 CPU 能效

TLDR:

它在不修改专有黑盒代码且保障亚毫秒级严格实时性的前提下，通过协同 MAC 层限速与透明的内核级（eBPF）任务执行时间测量，动态降低低负载时段的 CPU 频率，从而显著提升了 5G vRAN 服务器的能效

背景与技术挑战

尽管蜂窝网络在大部分运营时间内都处于低负载状态，但直接采用传统 CPU 节能技术（如休眠或动态调频）在 vRAN 服务器上行不通

主要存在两大挑战：

亚毫秒级严格实时性：
- vRAN 软件（如物理层和 MAC 层）必须在极短的传输时间间隔（TTI，例如 500 μs 或更低）内完成处理，错过截止期限会导致严重的系统崩溃或掉线
- 传统 CPU 休眠状态（如 C6）的唤醒延迟过高，无法满足要求
专有黑盒特性：
- vRAN 软件通常由专业供应商以闭源二进制文件的形式提供给运营商
- 这使得运营商极难直接在源代码层面测量和调整任务处理时间
现状：
- 目前的 vRAN 部署通常会完全禁用这些优化功能，强制 CPU 始终处于高频运行状态，造成巨大的能源浪费

核心解决方案：RENC 系统

为了突破这些限制，论文提出了 RENC 系统。该系统能够根据亚秒级的蜂窝网络负载变化动态调整 CPU 频率

其核心设计包含三个创新点：

建立与分离安全的“低负载”区间：
- RENC 将低负载定义为数据流量低于设定阈值（例如 1%）且无控制平面操作的时期
- 为了防止在低频状态下遇到突发流量导致任务超时，RENC 采用“先在 MAC 层限制速率，再降低 CPU 频率”的保守策略
- 只有在 CPU 升频完全生效后，才会解除 MAC 层的限速
透明测量截止期限宽裕度 (Deadline Slack)：
- 为找出安全的最低 CPU 频率，RENC 创新地在内核层面测量任务剩余时间
- 对于中断驱动的线程，通过 Linux 内核调度器中的 eBPF 钩子计算宽裕度，完全不需要修改 vRAN 源代码
- 对于不让出操作系统的轮询线程，则使用轻量级二进制重写技术（dyninst）进行监测
处理控制平面操作引发的算力峰值：
- 像用户设备（UE）接入等控制平面操作，会导致 CPU 负载激增
- RENC 通过分析 vRAN 的少量公开遥测接口（如 FAPI 或 F1AP）被动检测这些信令，并临时提升 CPU 频率来应对

Background¶

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整体架构与部署：

在一个包含 RENC 的典型 vRAN 部署中，无线电单元（RU）通过以太网前传链路与分布在蜂窝站点附近或小型数据中心的 DU（分布式单元）服务器相连

多个 DU 服务器会连接到一个负责处理非实时、计算密集度较低的协议栈层的 CU（集中式单元）服务器

DU 内部的协议栈：

DU 负责运行 vRAN 协议栈的底层，具体包含进行无线信号处理的 PHY（物理）层、负责分配无线资源的 MAC（媒体访问控制）层，以及处理可靠传输的 RLC（无线链路控制）层

RENC 作为用户态代理运行在 DU 外部，并带有一个位于操作系统的内核 eBPF 组件

耗电大户

蜂窝网络消耗大量能源，其中基站（特别是 RU 和 DU）占据了主导地位

虽然部分基站组件如 4x4 室内无线电设备耗电在 45 W 左右，但单台 DU 服务器的功耗高达 236 W 左右

本文的优化目标正是这些极其耗电的 DU 服务器

严苛的实时截止期限 (Real-time deadlines)：
- 与传统可以通过排队积压任务的应用不同，DU 中运行的底层 vRAN 软件有极为严格的硬性时间期限
- 绝大多数线程的截止期限就是无线协议的传输时间间隔（TTI），在主流的 5G sub-6 GHz 频段中，这个时间极短，仅为 500 µs（毫米波中甚至低至 125 µs）
- 一旦处理超时，轻则导致通话掉线，重则引发 vRAN 软件崩溃，导致整个基站瘫痪
黑盒特性 (Black-box nature)：
- vRAN 软件通常是由专业供应商提供给运营商的专有、闭源二进制文件
- 这种黑盒特性让直接在代码中测量和利用“截止期限宽裕度”（deadline slack）来降低 CPU 速度变得异常困难

传统基站睡眠模式不可用：
- 非虚拟化的传统基站往往可以通过关闭特定硬件组件来节能，且部分具有高度定制化的硬件休眠机制
- 然而，通用 CPU 只有通用的休眠模式，难以直接应用于虚拟化、通用服务器化的 vRAN 系统
CPU 电源管理机制失效：
- CPU 的动态能耗管理主要依赖动态频率缩放（P-states）和睡眠状态（C-states）
- 但是，由于上述严苛的实时性要求，当今的 vRAN 部署通常会简单粗暴地禁用这些节能特性，强制 CPU 始终保持高频满负荷运行，造成巨大浪费
eBPF 技术的引入：
- 为了能在“黑盒”状态下监测宽裕度，RENC 创造性地使用了 Linux 操作系统的 eBPF 框架
- eBPF 允许将用户编写的安全代码（codelets）在不修改原二进制文件的情况下，注入到预定义的内核钩子（hooks）中运行，这为透明测量 vRAN 线程状态提供了极高性能的可编程方案

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Warning

别的内容笔者不是很关心了, 因此略过