5G系统架构

Posted 2020-08-21 赏月斋

原文标题：迈向5G之路，颠覆性的5G系统架构？

 

　　本文部分图片，资料摘自《迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战》

　　突如一夜春风来，随着Polar码与LDPC码作为5G编码候选方案，通信圈里也掀起了对于5G编码技术讨论的热潮。管窥一斑，既然一个小小的编码方案都能将通信圈的热情点燃到了最高点，那么5G的系统架构到底是什么样的呢？是延续234G烟囱式接入网架构还是有什么颠覆性的变革？小编和大家一同学习一下。

　　首先我们先了解下专业术语中的一个概念，什么是“烟囱式”的接入网结构？

　　

　　（小编注：通信中经常有这样那样唬人的术语，初接触起来感觉深不可测，如果谁侃侃而谈这些术语，像极了武侠小说中的功夫极高深的前辈教授的那些心法口诀，让人不可望，更不可及，但是熟悉了这些术语概念后觉得也没啥，用大白话也能说，只不过用这些术语交流起来省事一些，所以无需被言必称术语的专家吓住，也无需为不懂术语而妄自菲薄，慢慢来，适应就好）。

　　现网234G网络中接入网的架构基本属于从核心网到接入网一条线这样的架构，而接入网之间本身基本没有业务层面的互联，像3G中Iur接口为了RNC之间的信令和数据交互，而4G中基站X2接口主要为了交互UE跨基站切换的资源准备信令或者eNodeB之间的信令数据交互。因此，从资源协调，处理负荷分担，干扰抑制等方面都难以进行动态（半动态）的协作适配，从机房的布局来看，不仅是物理站点还是逻辑站都是一站式的，彼此之间是割裂的，这就好比一段段各自突兀林立的烟囱，相互之间是垂直的，彼此之间没有实质的联系。

　　在5G电信网络的架构设计中，目前有一种新的构建思想，就是使得庞大的接入网更加集中化，更加协作化（这里和集中化不矛盾，集中化指相对分布各处的射频单元的管理更加集中，而协作化指基带处理设备的交互更加密切，更多能够承载核心网的既有功能，使得更贴近射频前端，信令迂回的路由更短，相对更加扁平），更加“云”化，甚至更加“绿”化（绿化指的是功耗的降低，更加节能），这样的好处也是显而易见的，相对于控制面信令的处理而言使得信令交互时延降低，更加契合未来移动通信系统对于低交互时延的需求。同时，相对业务层面而言，对于负荷的分担，资源最大化利用都是比较理想的网络结构设计，这对于现实中的潮汐话务效应也能找到比较合理的解决方案，同时对于运营商一直头疼的厂家license受限问题也能一定程度上缓解。站在网络安全备份的角度，单基带节点断了以后，还可以通过云化的基带进行备份。不过，对于将基带设备集中式的布放到一个物理机房中也存在运维中的安全风险（尽管这样可以节省基站机房，但是后续可能会增加传输机房），比如机房断电，以前只影响一个基站的覆盖，而现在有可能影响一大片的基站覆盖，影响更大。

　　其实C-RAN的故事由来已久，并不是5G时代的什么新鲜概念，从2G-3G-4G伴随着大规模的网络不断建设，C-RAN一直是业内探索的话题。在23G网络大规模部署时期，C-RAN涉及到对于现网机房，设备，传输的过多升级改造，并没有大规模的开展，而在4G建网初期，主要受限于前传网络（小编注,什么是前传网络，别着急，我们先卖个关子）消耗过高的传输资源，在技术层面有一定的受限，而通过了CPRI（BBU-RRU之间的接口）压缩技术以及无源波分设备WDM（彩光）技术的结合，一定程度上可以解决前传网络的光纤资源消耗过多的问题。

　　

　　为什么说5G网络架构是颠覆性的，这是由于接入网的基础处理单元BBU可能被重构为CU（Centralized Unit，集中式单元）和DU（Distributed Unit，分布式单元）两个功能实体，CU设备处理无线高层协议栈功能，例如RRC层，PDCP层等，甚至也能够支持部分核心网功能下沉至接入网，术语称作边缘计算网络，能够满足未来通信网络对于新兴业务例如视频，网购，虚拟/增强现实对于网络时延的更高要求，也正是由于通信网元，结构的变化，导致协议栈都会进行相应的调整变化，因此对于下一代网络的命名，5G NR（New Radio）也形象的说明了将来5G网络自身多方面颠覆性的变化。DU设备主要处理物理层功能和实时性需求较高的层2功能，考虑到RRU与DU的传输资源，部分DU的物理层功能可以上移到RRU，伴随RRU的小型化，甚至更激进的DU可以与RRU进行合并。

　　

　　从上图可以看到，传统的BBU被一分为二，CU涵盖了无线接入网高层协议栈以及核心网的一部分功能，而DU涵盖了基带处理的物理层以及层2部分功能，CU可以集中式的布放，DU布放取决实际网络环境，核心城区，话务密度较高，站间距较小，机房资源受限的区域，例如高校，大型演出场馆等，DU也可以集中式布放，而话务较稀疏，站间距较大等区域，例如郊县，山区等区域，DU可以采取分布式的布放方式。目前的234G网络，由于其烟囱式，星型分布式的接入网架构，突显了回传（Backhaul）传输网络的作用，而接入网的局部集中式的布放架构使得前传（Fronthaul）传输网络的角色登上了舞台，可以说前传网络就是CU到远端RRU的一系列传输链路。

　　在C-RAN架构中，C还可以代表Cloud（云化），为了实现运化，从系统设计架构，软硬件的实现上面都需要适配性的考虑。5G系统架构中提出了解耦和切片两个概念。解耦包括两个层面，一个是业务请求与空口资源分配之间解耦，像在4G移动系统中，通过QoS，GBR，ARP等网络参数的设置以及用户的签约信息，将业务与资源进行了相对宽松耦合，2G网络中业务与资源的耦合更紧，比如每个话音用户至少分配2M传输链路资源。另一层解耦是软硬件处理能力的解耦，底层硬件统一以X86刀片机通用硬件集中部署，中层以虚拟化层进行逻辑划分，上层进行功能软件的应用开发。所以这两层解耦的意义不仅从“纵向”的业务与资源实现“去捆绑”解耦，同时对于集中部署的CU网元也从“横向”实现了软硬功能分离解耦。网络端到端切片也比较好理解，就是将网络的端到端功能通过新的物理/逻辑网元架构（CU-DU）进行重新划分，比如说核心网的NAS流程部分功能下移，接入层的高层协议栈部分与物理层，MAC层分离。随着传统网元功能切片更加细分，C-RAN云化的能力会不断成熟。解耦实现了业务的解放，而切片更将产业链条不断的细分和标准化。可以粗略理解“解耦"就像提供了手机的操作平台，各种OTT（APP）提供商不在依赖平台进行开发，而在一个公共的平台上可以提供自己的软件服务。而"切片"定义了类似笔记本电脑标准化的USB接口，各种USB硬件提供商只要按照标准协议设计，都可以和笔记本进行“插拔式”的无缝对接。

　　依托C-RAN的网络系统，不仅在现有234G网络技术，组网架构上会产生革命性的变化，将来的网络最大的颠覆之处在于对现有网络设备提供商的冲击，因为在现有的通用硬件架构上，IT提供商也可以提供基于标准协议的通信服务，打破了传统网络设备提供商对通信市场的长期垄断地位。甚至运营商也可以自己编程来实施，这也是运营商目前提倡通过自身能力挖潜的Devops模式根源所在。因此，随着5G时代的来临，传统的设备提供商，你们准备好了么？

　　任何的新技术，新架构带来的技术，产业革命都不能盲目的过分乐观，要知道运营商“云”化之路的实现还需要面对很多实际的现网改造以及运维管理问题，比如基站机房利旧改造，传输机房的新建，机房安全维护重要性升级，设备之间的接口适配等等。C-RAN标准化之路其实也还任重道远，但我们依然对C-RAN这朵绚烂的“云之花”充满了期待。

　　

　　也许，就在不久的未来，天线技术将成为传统设备商捍卫通信市场最终的舞台