5G无线技术基础自学系列 | 5G基站形态演进

Posted 2022-11-11 COCOgsta

素材来源：《一本读懂5G技术》

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什么资源集中，什么资源分布？这是无线网络架构设计时绕不开的关键问题。以人为例，人本身是一个完美的大脑集中控制、五官和四肢分布式感知和执行的系统。大脑负责对各个器官及肢体所收集的信息进行汇总、综合分析和处理，相当于网络的控制中枢；五官和四肢负责感知现场环境，并且根据大脑的指令进行行动，相当于感知层的功能。

对于无线网络架构来说，基站的基带资源池集中化、控制功能集中化和射频资源池分布化、天线分布化的趋势同时存在。从无线网元间的协作角度看，基站的基带资源池集中程度越高，实时处理效率就越高，协作化增益就越大，也就更易减少重叠覆盖的干扰。可是另一方面，从传输资源来看，基带资源池越集中，对基带资源池和射频资源间的传输成本的要求也越高。此外，射频资源越分布，所需的系统安装和部署的数量就会越多，成本也会越高。

因此，无线网网络架构的设计是无线资源的管理控制能力、无线网络的集中优化能力和传输成本、分布式射频资源成本的折中。5G无线网络架构是采用集中式架构还是分布式架构，以及何种程度的集中或分布，是5G RAN网络架构设计重点考虑的问题。

6.1.1 一体式基站架构

一体式基站架构是2G移动通信制式最初采用的主要形态。这种一体化基站架构的天线位于铁塔上，其余部分位于基站旁边的机房内。天线通过馈线与室内机房连接。一体式基站架构如图6-2所示。

一体式基站需要在每一个铁塔下面建立一个机房，同时需要具备传输、电源、空调等配套资源，建设和维护成本高，建设周期较长，更严峻的问题是，新增或减少基站节点，调整无线网络架构困难，不利于灵活地网络伸缩。

图6-2 一体式基站

6.1.2 分布式基站架构

一体化基站和天线之间需要很长的馈线相连，增加了无线信号的衰减，也增加了部署成本。分布式基站架构将基站分为RRU（Radio Remote Unit，射频拉远单元）和BBU（Base Band Unit，基带资源单元）两个物理设备，如图6-3所示。其中，RRU主要是射频资源模块，包括四大模块：中频模块、射频收发模块、功放和滤波模块。BBU主要负责上下变频、基带处理、协议栈处理，以及和上级网元的接口等。

图6-3 基站功能划分为两部分

RRU是射频子系统，可以放置在铁塔上，位于天线近端的位置，和天线子系统相连；而BBU叫基带子系统，放置在室内机房。BBU和RRU可以用光纤连接，RRU和BBU之间的接口为CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口）接口或Ir接口，传送数字中频信号，如图6-3所示。每个BBU可以连接多个RRU，根据厂家的产品规格不同，支持的RRU的级联数目不同。1个BBU可以最多连接12个RRU。

图6-4 分布式基站结构

这时，我们的无线接入网（RAN）就变成了D-RAN（Distributed RAN，分布式无线接入网），如图6-5所示。通过光纤实现RRU的射频拉远，可以减少馈线长度，节约馈线成本，降低由于使用馈线带来的信号传播损耗；另一方面，可以让无线网络规划更加灵活，毕竟RRU加天线比较小，可以灵活放置，有利于实现无缝覆盖，提高网络覆盖性能。

无线网络架构的发展演进，无非是两个驱动力，一是为了更高的性能，二是为了更低的成本。D-RAN馈线信号传播损耗的降低可以带来更高的覆盖性能，馈线的减少以及网络规划部署的简单化降低了成本。有时候运营商更看重成本，如果一项技术又能提升性能，又能降低成本，那么就可以得到广泛的应用。

图6-5 D-RAN的好处

图6-6 无线网络架构演进的两个驱动力

6.1.3 C-RAN架构

分布式基站架构从2G开始出现，3G大量使用，4G完全成熟化。随着NFV+SDN+云的技术的成熟，无线侧C-RAN架构也逐渐成熟起来。C-RAN架构将基带资源的功能（BBU）进一步虚拟化、集中化和云化，如图6-7所示，每个BBU可以连接10～100个RRU，进一步降低机房资源的需求量、网络的部署周期和成本。

图6-7 C-RAN架构

在传统的分布式基站架构中，基带资源池BBU和远端无线射频单元RRU之间的关系是固定的，是一对多的关系。C-RAN的基带处理单元BBU和远端无线射频单元RRU之间不再是固定连接关系，是多对多的关系。每个远端无线射频单元RRU不属于任何一个基带处理单元BBU实体，远端射频单元RRU上发送和接收信号的处理都是在一个虚拟化的基带池中完成的。

C-RAN里的“C”有4个含义：实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)、基带集中化处理(Centralized Processing)、绿色无线接入网架构(Clean system)和协作式无线电(Collaborative Radio)。

云计算为C-RAN提供强大的基带处理能力；基带集中处理便于根据整个区域的数据业务需求，规划总体基带池的容量，基带资源可以在各小区间动态调度，从而高效地应对话务潮汐，提高基带资源的利用率；基带资源集中，还可节省设备及配套投资，大大减少机房数量，减少电力消耗，实现绿色节能减排、降低资本和运维开支；C-RAN可以实现多标准，多制式共存的基带池系统，协作式无线电，可以根据无线环境实现多个无线制式的频谱共享，提高频谱效率；C-RAN实现无线侧多个站点的协作通信，减少小区间的干扰，提高无线信号的质量。

6.1.4 5G RAN架构

5G基于C-RAN网络架构进行了进一步的演进，引入NFV技术实现无线资源的虚拟化，引入SDN技术实现网络功能的集中化。针对5G的高频段、大带宽、多天线、海量连接和低时延等需求，5G对基站功能的分布进行重新划分，对无线侧的架构进行了重构。

5G基站gNodeB的基带功能单元（BBU）由DU（Distributed Unit，分布单元）、CU（Centralized Unit，集中单元）共同组成。在4G网络中，C-RAN相当于BBU、RRU 2层架构；在5G系统中，C-RAN相当于CU、DU和RRU 3层架构。5G基站gNodeB的逻辑架构可以分为2种，即CU-DU融合架构（见图6-8）和CU-DU分离架构（见图6-9）。同一个基站的CU和DU合并时，就类似于4G的基站eNodeB的基带部分。CU和DU分离，DU分布式部署，几个基站的CU可以合并到一起、集中部署，当然不同基站的CU也可以各自独立部署。

图6-8 CU和DU融合架构

图6-9 CU-DU分离架构

每个CU可以连接1个或多个DU。1个CU目前最多可以下挂100个DU。一个机房可以对应更多更远的小区，实现中心化的管控。5G的射频单元（RRU）和天线子系统共同构成AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元），主要负责将基带数字信号转为模拟信号，由天线发射出去。5G的基站架构如图6-10所示。

图6-10 5G RAN架构

RRU和BBU之间的接口是CPRI或Ir。5G的接口功能需要增强，DU和AAU之间的接口为eCPRI（evolved Common Public Radio Interface，演进的通用公共无线电接口），也称为下一代前传网络接口（Next-Generation Fronthaul Interface，NGFI）。CU和DU之间的新增接口叫F1。CU是集中单元，可以分为用户面和控制面。用户面和控制面在一个物理实体里，使用厂家内部接口便可，但如果分开在两个物理实体（CU-CP和CU-UP）里，3GPP协议定义了二者的接口，叫E1接口。5G基站和基站之间的接口表现为CU和CU之间的信息交互接口，叫Xn接口。5G无线网的主要接口如图6-11所示。

图6-11 5G RAN的主要接口

虽然CU和DU融合部署有利于实现高实时、大带宽类的业务，但是CU和DU分离架构有利于提高硬件资源的利用效率，有利于灵活的资源协调和配置，便于扩容和在线迁移。CU虚拟化可以有效地降低前传带宽的需求。

CU和DU分离部署之后，5G RAN可以基于NFV、SDN的基础上进行云化，将控制协议和安全协议集中化，如图6-12所示。云化后的5G RAN称为Cloud RAN。Cloud RAN的核心思想是功能抽象，实现资源与应用的解耦，增加RAN侧的功能扩展性。云化有两层含义：一方面是指基带资源池的云化；另一方面是指无线资源和空口技术的解耦。

在传统的无线网络中，基带资源的分配是在一个基站内进行；在Cloud RAN架构下，资源分配是在一个“逻辑资源池”的层面上进行。这样，可以最大限度地获得资源的复用共享的增益，降低整个系统的成本，并带来功能灵活部署的优势。基带资源池的集中部署有两个含义：一个是硬件设备的集中，一个是高层协议栈功能的集中。CU作为无线业务的控制面和用户面锚点，有利于2G、3G、4G、5G等多制式的融合；CU内部的移动性对核心网来说是不可见的，便于无缝移动性管理。CU的集中，可降低核心网的信令开销和复杂度，提高频谱资源的协作化水平。

空口的无线资源也可以抽象为一类资源。无线资源与无线空口技术解耦后，可以实现空口资源的动态灵活调度，满足特定业务的定制化要求。

云化后的RAN，基带资源、空口资源可以根据实际业务负载、用户分布、业务需求等实际情况，动态实时分配和处理，实现按需的无线网络能力。无线侧的小区不再是一个静态的概念，而是以用户为中心的虚拟化小区，真正实现“网随人动”。云化后的RAN有利于提升小区间内的协作能力，实现多小区/多数据发送点间的联合发送和联合接收，提升小区边缘频谱效率和小区的平均吞吐量。

云化RAN同样可以减少运营商对无线机房的依赖，降低配套设备和机房建设的成本，降低综合能耗，降低5G数据业务的单比特服务成本。

图6-12 Cloud RAN

CU和DU之间存在多种功能分割方案，可以适配不同的通信场景和不同的通信需求。CU和DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分，如图6-13所示。不同协议层实时性的要求和带宽支持能力是不一样的。分布越靠底层的功能，越有利于低时延业务的实现；分布越往高层的功能，越有利于大带宽业务的实现。

图6-13 CU和DU的功能分割方案

CU设备主要包含实时性要求不高的无线高层协议栈功能（PDCP层及以上），同时也支持部分核心网功能下层和边缘应用业务的部署；而DU设备主要处理物理层功能和实时性要求较高的、RLC层及以下协议层的功能。也就是说，CU和DU之间的F1接口可以设在PDCP层和RLC层之间。为了节省RRU和DU之间的传输资源，部分物理层功能（Low PHY）也可下沉到AAU中实现。这时，CPRI就变成了eCPRI。当然，不同功能的划分，在不同的组网中不是一成不变的，可以根据业务的要求进行调整。相对于4G RAN功能分布，5G RAN功能在不同网络实体间的分布有了很大的变革，如图6-14所示。

图6-14 从4G到5G RAN功能分布

从具体的实现方案上，CU设备采用通用平台实现，这样不仅可支持无线网功能，也具备了支持核心网功能和边缘应用的能力；DU设备可采用专用设备平台或通用+专用混合平台实现，支持高密度实时底层运算能力，如图6-15所示。

5G RAN基于NFV+SDN的云化架构下，传统的操作维护中心（Operating and Maintenance Center，OMC）功能组件，可以升级为带有MANO功能的操作维护管理编排器，统一对RAN的资源进行管理和编排，实现包括CU/DU在内的端到端灵活资源编排和配置管理，满足运营商快速按需部署业务的需求。

图6-15 CU和DU的具体实现