5G无线技术基础自学系列 | CloudRAN架构

Posted 2022-12-10 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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5G在核心网实现云化之后，更有利于用户面分层部署，实现业务的低时延转发。那么距离无线接入网最近的边缘云，能否和无线接入网部分功能融合，以提升无线网络的性能呢?

2.2.1 无线接入网重构

随着2G/3G/4G/5G网络的相继建设部署，整个移动通信网络正变得越来越复杂，尤其是无线接入网层面。各厂家之间独立的“烟囱式”网元架构增加了网元的建设与维护成本，同时，新的制式又不断引入新的频段，如图2-6所示。

“宏站+微站+室分”混合组网形成的异构网络，站点形态多样，功率大小不一，导致无线接入网的运维管理难度越来越大，如图2-7所示。

5G部署初期， 大部分运营商选择非独立组网向独立组网方式逐渐演进的方案。在NSA组网阶段， 4G/5G之间需要解决如何更加高效地完成业务协同的问题。

5G网络的未来实现目标是网络切片即服务(Network Slicing as a Service， NSaaS) ， 在无线侧需要功能扩展性非常强的架构来完成各个切片逻辑的划分并进行高效的管理；同时，还需要支持组建大范围基带资源池以提升资源利用率。

在未来超高可靠性超低时延业务场景下，用户面转发功能需要下沉到网络边缘，无线侧需要灵活控制空中接口协议栈，并和垂直行业的边缘计算服务器完成高层应用的对接。

当前传统的无线接入网网络架构已经无法满足这些需求，需要进行网络架构上的重新设计以满足5G未来业务的需求，形成一个敏捷而弹性、统一接入统一管理、可灵活扩展的全新无线接入网。

2.2.2 CloudRAN架构

鉴于无线接入网重构的种种需求， 5G引入了全新的Cloud RAN架构。

CloudRAN引入了集中单元和分布单元分离的架构。CU/DU分离的中心思想是，将基站BBU的空中接口协议栈分割成实时处理部分和非实时处理部分， 其中， 实时处理部分即DU， 仍保留在BBU模块中； 非实时处理部分即CU， 通过网络功能虚拟化(Network Function Virtualization， NFV) 之后云化部署， 如图2-8所示。

CU和DU之间形成新的接口--F1(中传)接口，该接口的承载采取以太网传输方案。在CU和DU的协议栈划分上， 各设备厂商及运营商主张的不同划分方案共有8种， 如图2-9所示。3GPP Rel-15标准明确采用Option2， 即基于分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol， PDCP) 层/无线链路控制(Radio Link Control， RLC) 层的高层CU-DU划分方案。

PDCP层具有数据复制和路由功能， 运营商选择NSA组网(这里以Opton3X架构为例) 时， 当用户面数据从核心网下发到无线侧时， 会在5G基站的PDCP层完成数据分流， 如图2-10所示。若CU非云化组网， 则核心网下发的用户面数据到达5G基站之后， 分流给LTE基站的部分用户面数据需通过X2接口转发， 此时必须迂回到网关再向LTE基站发送。该流量迂回会给承载网增加不必要的流量负担， 同时增加了用户面分流数据的传输时延。

但是， 如果LTE和5G都进行CU/DU分离， 且CU统一云化集中部署， 则用户面数据分流在CU内部即可完成X2转发， 不会形成承载网数据迂回。因此， 将PDCP层划分到CU模块中， 同时使CU云化集中部署， 更适合NSA组网中的用户面5G分流(Option 3X) 架构。

2.2.3 CloudRAN部署

在确定CU/DU协议栈功能划分方案和CU云化集中部署架构之后， CloudRAN架构还需要考虑CU和其他网元的对接。例如，用户面功能，以及CU和DU的位置部署、DU和射频之间的前传接口部署等问题。图2-11所示为CloudRAN整体方案。

1.Mobile Cloud Engine解决方案

由于CU的功能属于基站功能的一部分，所以部署CU的云数据中心一般位于边缘云或区域云。该数据中心除了需要部署CU网元之外， 还需要部署UPF和移动边缘计算(Mobile Edge Computing， MEC）服务器。对于低时延业务(以无人驾驶业务为例)，当DU侧将用户面上行数据送到CU完成相应处理之后，CU需将数据转发到UPF， UPF再将数据转发至相应的无人驾驶MEC服务器中， 产生控制命令再反向下行发送至DU。因此， 部署了CU的云数据中心采用移动云引擎(Mobile Cloud Engine， MCE) 方案，该方案包含了CU、UPF、MEC以及其他接入侧一系列的虚拟化网络功能集合， 从形态上看， 这些功能安装在通用的服务器上， 遵从NFV架构和云化特征。

2.CU、DU位置部署方案

通常， DU仍然保留在基带板中， 部署在BBU侧。但实际上， DU的部署可以采用传统的DRAN架构或者CRAN架构， 这和CU的部署位置有关。

如图2-12所示(图中100X指100以上， 10X指10以上) ， 在Option2方案中， CU部署在边缘云数据中心(某些极低时延业务场景) ， 或者位于中心机房(下挂的BBU数量较少， CU集中程度不高) ，此时DU适合采用DRAN部署； 在Option1方案中， CU部署在区域云数据中心(大量CU高度集中部署)，此时DU可以采用CRAN或者DRAN/CRAN并存的部署方案。

在Opion 1方案中， CU集中程度高， 能实现更大范围的控制处理， 可以组成较大规模的基带资源池，资源共享效果好；但是CU距离用户较远，业务时延较大，时延敏感型业务不适合采用该方案。

而在Option2方案中， MCE更靠近用户，时延低， 能够实现时延敏感型业务， 但是资源池规模小，无法大范围共享基带资源，而且有些中心机房可能需要改造才能够部署通用服务器。

3.前传接口解决方案

(1) eCPRI方案。

传统的前传接口采用了CPRI协议， BBU和射频模块(AAU/RRU) 的处理流程按照图2-13所示的Option8方案进行划分。

但是， 在Option8方案中， CPRI接口传输的数据量很大， 尤其是在5G基站普遍采用了64T64R的大规模多输入/输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output， Massive MIMO) 天线的情况下， CPRI接口的带宽需求超过了300Gbit/s(见表2-1) ， 即使采用3.2:1的CPRI接口压缩之后也接近100Gbit/s(见表2-2)。

为了减轻前传接口的带宽压力， 5G在前传接口上采用了Option7划分方案， 即eCPRI接口方案。在eCPRI接口方案中， 部分物理层处理过程被转移到射频模块中， 可以使前传接口传输带宽需求下降为同等配置下的CPRI接口带宽需求的1/4， 即64T64R天线规模下采用3.2:1的比例进行压缩， eCPRI接口传输带宽需求约为25Gbit/s， 从而大幅降低了前传接口光模块的规格要求和部署成本。

(2)前传接口传输方案。

对于DU分布式架构部署场景， 一般DU距离AAU/RRU比较近， 可直接采取光纤直驱的方式解决前传接口传输问题； 对于DU集中式部署场景， DU集中位置和AAU/RRU距离较远， 此时， 建议采用无源/有源波分方案解决前传接口传输问题， 以减少DU至AAU之间所需的光纤数量， 降低传输成本。

2.2.4 CloudRAN价值

实现CloudRAN架构之后， 将大大增加无线接入网的协同程度及资源弹性， 便于统一、简化运维。总体而言， Cloud RAN架构的价值如下。

(1) 统一架构，实现网络多制式、多频段、多层网、超密网等多维度融合。

(2) 集中控制，降低无线接入网复杂度，便于实现制式间与站点间高效地业务协同。

(3) 5G平滑引入，使用双连接的技术可以实现极致的用户体验；同时，避免了4G和5G站点间可能出现的数据迂回而导致的额外传输投资和传输时延。

(4) 软件与硬件解耦，开放平台，促进业务敏捷上线。

(5) 便于引入人工智能实现无线接入网切片的智能运维管理，适配未来业务的多样性。

(6) 云化架构实现了资源池化、网络按需部署、弹性扩缩容，提升了资源利用效率，保护了运营部投资。

(7) 适应多种接口划分方案，可以满足不同传输条件下的灵活组网。

(8) 网元集中部署， 节省了机房， 降低了运营支出(Operating Expense， OPEX) 。