[4G&5G专题-18]：架构-合久必分，分久必合，无线接入网RAN的演进过程与5G无线接入网NR-RAN

目录

第1章 5G无线接入网概述

1.1 无线接入网概述

1.2 2G/3G网络架构

1.3 LTE独立组网的网络架构

1.4 LTE网络架构的缺点

第2章. 5G独立组网的无线接入网架构

2.1 5G独立组网的无线接入网架构

2.2  5G无线接入网内部架构

2.3 5G对无线网络内部架构重构的动机

2.4 5G站对网络架构的重构

2.5 CU和DU分离遵循的原则：

2.6 CU和DU分离的优点

2.7 CU和DU分离的缺点

2.8 重构后网络的特点

2.9 5G初期，CU与DU实际的部署状况

第3章 无线接入网演进

3.1 最初基站一体化，BBU和RRU被放在一个机房或者一个柜子。

3.2 后来RRU被和BBU分开，被有时候挂墙，大部分时放到机柜里。

3.3 后来，RRU被放到天线身边，所谓RRU拉远。也就是分布式基站。

3.4 后来，Distributed RAN（分布式无线接入网）

3.5 Centralized RAN，集中化无线接入网

3.6 Cloud RAN (C-RAN), 云化基站

3.7 5G把BBU进一步拆分：CU与DU分离

3.8 灵活的RAN网元部署方式

3.9 灵活的前传接口的部署方式

3.10  中传（DU）和回传（CU）部署方式

 

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第1章 5G无线接入网概述

1.1 无线接入网概述

无线接入：是相对有线接入而言的，它为用户提供一种无线的方式接入到蜂窝无线通信网络中，无线终端用户可以是移动的、也可以是固定的。

无线接入网（RAN）自蜂窝技术诞生以来就一直在使用，并在几代移动通信（1G到5G）中得到了发展。

 

1.2 2G/3G网络架构

缺点：

• 网络层级化的无线接入网：控制器RNC+基站
• 核心网：电路域+分组域
• 管理复杂
• 延时较大

优点：

• 全局管理：控制器这个全知全能的中心节点存在，所有基站的信息一目了然，统筹管理全局资源也就更容易一些。
• 统筹分配资源

所谓历史总是在否定之否定中螺旋式上升，5G网络架构的出现正是利用了此优点。

 

1.3 LTE独立组网的网络架构

网络：

• e-UTRAN：4G无线接入网
• EPC: 4G核心网

网元：

• eNB: 4G的基站，包括基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU
• MME: 核心网移动管理实体（信令面）
• S-GW:核心网业务数据网关（数据面）

 

接口：

• S1-C: eNB与MME的接口
• S1-U: eNB与S-GW的接口
• X2: eNB与eNB之间的接口
• UU接口：gNB与终端的接口为：包括控制面与用户面。

 

LTE网络架构的优点：

• 全IP化：去除了电路域，只留下了分组域，接入网和核心网都是基于IP架构
• 扁平化：去除了2G/3G的RNC，RNC的分拆到核心网和基站eNB中。这样架构的优点，端到端延时低。
• 简单化：整个网络层级简单、接口简单

 

1.4 LTE网络架构的缺点

这是因为，4G的网络架构跟2G和3G相比可谓剧变，带来了时延的降低和部署的灵活性，但同时也带来了一些问题，尤其是站间信息交互的低效。

从上图可以看出：

基站数量多了之后，每个基站都要独立和周围的基站建立连接交换信息，和两个基站相比，情况就变得复杂了起来。

这还只是4个基站的情况，如果数量更多的话，连接数将呈指数级增长。

这个问题导致了4G基站间干扰难以协同的痼疾。

 

第2章. 5G独立组网的无线接入网架构

2.1 5G独立组网的无线接入网架构

网络：

• 5GC: 5G Core，5G核心网
• NG-RAN: 5G无线接入网

网元：

• gNB：5G无线基站，其空口技术称为NR (Next Radio: 下一代空口技术)，这是标准的stand alone的5G基站。
• ng-eNB：升级后的4G基站，其无线侧为4G的空口，核心网侧为5G的核心网，也就是说通过ng-eNB，提供LTE的空口接入，提供5G核心的功能。

• AMF（Access and Mobililty Function）：接入和移动管理的核心网控制单元，根据切片，选择不同的AMF，这就说明，一个基站gNB，可以连接多个不同的AMF.

• SMF（Session Management Function）：会话管理功能，包括UE IP地址的分配、收费收据收集等

• UPF：业务访问的核心网数据单元，根据切片，选择不同的UPF，这就说明，一个基站gNB，可以连接多个不同的AMF.

接口：

• NG_C接口，gNB与核心网AMF与SMF接口（控制面）
• NG_U接口，gNB与核心网UPF接口（数据面）
• Xn接口：gNB与gNB之间的接口， 包括控制面与用户面。
• UU接口：gNB与终端的接口为：包括控制面与用户面。

 

2.2  5G无线接入网内部架构

由上图可以看出：

4G基站内部分为BBU，RRU和天线几个模块，每个基站都有一套BBU，并通过BBU直接连到核心网。

而到了5G时代，原先的RRU和天线合并成了AAU，而BBU则拆分成了DU和CU，每个站都有一套DU，然后多个站点共用同一个CU进行集中式管理。

看了5G的架构，尤其是矗立在中间的CU，总是让人感觉莫名熟悉，似曾相识。这不就和2G/3G的架构如出一辙么？

这就奇了怪了，撤销控制器，基站直连核心网，构建扁平化网络这个刚刚在4G时代兴起的架构，到了5G时代，怎么就又要走回2G/3G时代的老路？

 

2.3 5G对无线网络内部架构重构的动机

最主要的原因是5G网络支持更加复杂、多变的的三大业务，扁平化、单一化的LTE网络无法适应这样的历史需求。

 

2.4 5G站对网络架构的重构

5G分析了先前2G/3G/4G网络的优缺点，对基站和核心网的各项功能进行了重构：

（1）增加了一个新的逻辑网元CU。

（2）把BBU拆分为CU和DU。

（3）CU还融合了一部分从核心网下沉的功能，作为集中管理节点存在。

（4）原先BBU的一部分物理层处理功能下沉到RRU，RRU和天线结合成为AAU；

（5）除了前传接口（BBU与RRU）与后传接口（CU与核心网）外，增加了中传接口（DU与CU）。

 

2.5 CU和DU分离遵循的原则：

 

CU和DU的分离是根据不同协议层实时性的要求来进行的

（1）把原先BBU中的物理底层PHY_LOW下沉到AAU中处理，

（2）对实时性要求高的物理高层，PHY_HIGHT, MAC，RLC层放在DU中处理，

（3）而把对实时性要求不高的PDCP和RRC层放到CU中处理。

 

2.6 CU和DU分离的优点

CU和DU的切分可以带来几大好处。

（1）实现基带资源的共享

由于各个基站的忙闲时候不一样，传统的做法是给每个站都配置为最大容量，而这个最大容量在大多数时候是达不到的。比如学校的教学楼在白天话务量很高，而到了晚上就会很空闲，而学生宿舍的情况则正好相反，而这两个地方的基站却要按最大容量设计，造成很大的资源浪费。

如果教学楼的和宿舍的基站能够统一管理，把DU集中部署，并由CU统一调度，就能够节省一半的基带资源。

可以看出，这种方式和之前提出的C-RAN架构非常相似，而C-RAN架构由于对于光纤资源的要求过高而难以普及。

在5G，虽然DU可能由于同样的原因难以集中部署，但CU也是基站的一部分，其本身的集中管理也能带来资源的共享，算是5G时代对于C-RAN架构的一种折中的实现方式。

 

（2）有利于实现无线接入的切片和云化

网络切片作为5G的目标，能更好地适配eMBB（增强型移动宽带）、mMTC(海量机器类通信)、uRLLC（超可靠、低时延通信）这三大场景对网络能力的不同要求。

切片实现的基础是虚拟化，但是在现阶段，对于5G的实时处理部分，通用服务器的效率还太低，无法满足业务需求，因此还需要采用专用硬件，而专用硬件又难以实现虚拟化。

这样一来，就只好把需要用专用硬件的部分剥离出来成为AAU和DU，剩下非实时部分组成CU，运行在通用服务器上，再经过虚拟化技术，就可以支持网络切片和云化了。

因此，CU加上边缘计算及部分核心网用户面功能的下沉，就被称为“接入云引擎”。

 

（3）满足5G复杂组网情况下的站点协同问题

5G和传统的2G/3G/4G网络不同的是高频毫米波的引入。

由于毫米波的频段高，覆盖范围小，站点数量将会非常多，会和低频站点形成一个高低频交叠的复杂网络。

要在这样的网络中获取更大的性能增益，就必须有一个强大的中心节点来进行话务聚合和干扰管理协同。

毫无悬念，这样的中心节点就是CU。

 

2.7 CU和DU分离的缺点

但是，在DU和CU的拆分在带来诸多的好处的同时，也会带来一些不利影响。

（1）延时的增加

首当其冲的就是时延的增加，网元的增加会带来相应的处理时延，再加上增加的的传输接口带来的时延，增加的虽然不算太多，但也足以对超低时延业务带来很大的影响。

（2）网络复杂度的增加

5G不同业务对实时性要求的不同：

eMBB对时延不是特别敏感，看高清视频只要流畅不卡顿，延迟多几个毫秒是完全感受不到的；

mMTC对时延的要求就更宽松了，智能水表上报读数，有个好几秒的延迟都可以接受；

而uRLLC就不同了，对于关键业务，如自动驾驶，可能就是“延迟一毫秒，亲人两行泪”。

因此对于eMBB和mMTC业务可以把CU和DU分开来在不同的地方部署，

而要支持uRLLC，就必须要CU和DU合设了。

这样一来，因为不同业务的需要，CU与DU部署位置不同，大大增加了网络本身的复杂度，管理的复杂度也就蹭蹭上去了。

所以说，CU和DU虽然可以在逻辑上分离，但物理上是不是要分开部署，还要看具体业务的需求才行。

对于5G的终极网络，CU和DU的物理关系，必然是合并与分离这两种架构共存的，有时候需要合在一起，有时候需要分开，它们之间的物理部署关系不是固定不变的。

 

2.8 重构后网络的特点

• 层级化：需要增加新的网元，用于集中化管理基站。
• 精细分工化：各种网络功能需要管理
• 实例化：各种逻辑功能实体，可以实例化多种物理实体。
• 功能化：把
• 服务化

 

2.9 5G初期，CU与DU实际的部署状况

2019年是5G元年，首先商用的功能是能支持超高下载速率的eMBB业务，具备CU和DU分开部署的条件。那么是否要这么做呢？实际上并非如此。

首先，最早部署的5G站点都采用低频来覆盖，国际上采用3.5GHz的居多。这个频段的覆盖能力和4G主流频段相当，因此5G大概率是和4G共用机房和铁塔的，这样的成本也最低。

在5G和4G共站址的情况下，只需要对原先机房内部的传输，电源，电池，空调等配套设备升级之后，再把5G基站（CU和DU一体）放进去就可以快速开通5G了。

而搞CU和DU分离，还需要专门为CU去建设新的数据中心，成本太大。

因此，5G初期只会进行CU和DU的逻辑分离的，物理上实际还都是运行在同一个基站上的。后续随着5G的发展和新业务的拓展，才会逐步进行CU和DU的物理分离。

 

正所谓合久必分，分久必合，下面就看看无线接入网“分分合合”的历史过程！

 

第3章 无线接入网演进

3.1 最初基站一体化，BBU和RRU被放在一个机房或者一个柜子。

3.2 后来RRU被和BBU分开，被有时候挂墙，大部分时放到机柜里。

3.3 后来，RRU被放到天线身边，所谓RRU拉远。也就是分布式基站。

3.4 后来，Distributed RAN（分布式无线接入网）

好处：

• 大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度，可以减少信号损耗，也可以降低馈线的成本。
• 可以让网络规划更加灵活。毕竟RRU加天线比较小，想怎么放，就怎么放。
• 在D-RAN的架构下，运营商仍然要承担非常巨大的成本，因为为了摆放BBU和相关的配套设备（电源、空调等），运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。

3.5 Centralized RAN，集中化无线接入网

除了把RRU拉远，还把BBU集中起来，BBU变成BBU基带池。分散的BBU变成BBU基带池之后，更强大了，可以统一管理和调度，资源调配更加灵活！

通过集中化的方式，

• 可以极大减少基站机房数量，减少配套设备（特别是空调）的能耗。
• 拉远之后的RRU搭配天线，可以安装在离用户更近距离的位置。距离近了，发射功率就低了。低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长和无线接入网络功耗的降低。

3.6 Cloud RAN (C-RAN), 云化基站

C-RAN下，基站实际上是“不见了”，所有的实体基站变成了虚拟基站。

所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。

强化的协作关系，使得联合调度得以实现。

 

3.7 5G把BBU进一步拆分：CU与DU分离

在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。

而是被重构为3个功能实体：CU(Centralized Unit,集中单元)、DU(Distribute Unit,分布单元)、AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)

CU：原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。

DU：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

AAU：BBU的部分物理层处理功能（PHY_LOW）与原RRU及无源天线合并为AAU。

简而言之，CU和DU，以处理内容的实时性进行区分。AAU就是PHY_LOW + RRU + 天线。

 

3.8 灵活的RAN网元部署方式

• ① 与传统4G宏站一致，CU与DU共硬件部署，构成BBU单元。
• ② DU部署在4G BBU机房，CU集中部署。
• ③ DU集中部署，CU更高层次集中。
• ④ CU与DU共站集中部署，类似4G的C-RAN方式。

• 如果前传网络为理想传输（光纤直接到天线那边），那么，CU与DU可以部署在同一个集中点。
• 如果前传网络为非理想传输（没那么多光纤），DU可以采用分布式部署的方式。
• 如果是车联网这样的低时延要求场景，DU、CU、应用服务器都想办法往前放（靠近AAU部署），MEC、边缘云，就要派上用场。

 

3.9 灵活的前传接口的部署方式

（1）光纤直连方式

每个AAU与DU全部采用光纤点到点直连组网。

实现起来很简单，但最大的问题是光纤资源占用很多。

随着5G基站、载频数量的急剧增加，对光纤的使用量也是激增。

所以，光纤资源比较丰富的区域，可以采用此方案。

（2）无源WDM波分复用方式

将无源WDM波分复用设备安装到AAU和DU上，通过无源设备完成WDM功能，利用一对或者一根光纤提供多个AAU到DU的连接。

无源WDM波分复用设备：光复用传输链路中的光电转换器，也称为WDM波分光模块。不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输是不会互相干扰的，所以无源WDM波分复用设备实现将不同波长的光信号合成一路传输，大大减少了链路成本。

采用无源WDM波分复用设备方式，虽然节约了光纤资源，但是也存在着运维困难，不易管理，故障定位较难等问题。

 

（3）有源WDM/OTN方式

在AAU站点和DU机房中配置相应的WDM/OTN设备，多个前传信号通过WDM技术共享光纤资源。

相比无源WDM方案，组网更加灵活（支持点对点和组环网），同时光纤资源消耗并没有增加。

OTN（光传送网，OpticalTransportNetwork），是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。

 

3.10  中传（DU）和回传（CU）部署方式

中传与回传对于承载网在带宽、组网灵活性、网络切片等方面需求是基本一致的，可以使用统一的承载方案。

主要有两种方案，承载网中采用的FlexE分片技术、减低时延的技术、SDN架构等，还需进一步了解。

（1）利用分组增强型OTN设备组建中传网络，回传部分继续使用现有IPRAN架构

（2）中传与回传网络全部使用分组增强型OTN设备进行组网

（3）OTN概述

光传送网(optical transport network)简称OTN，网络的一种类型，是指在光域内实现业务信号的传送、复用、路由选择、监控，并且保证其性能指标和生存性的传送网络。

光传送网(OTN) 技术是电网络与全光网折衷的产物，将SDH 强大完善的OAM&P 理念和功能移植到了WDM 光网络中，有效地弥补了现有WDM 系统在性能监控和维护管理方面的不足。OTN 技术可以支持客户信号的透明传送、高带宽的复用交换和配置(最小交叉颗粒为ODU1，约为2.5 Gbit/s)，具有强大的开销支持能力，提供强大的OAM 功能，支持多层嵌套的串联连接监视(TCM) 功能、具有前向纠错(FEC)支持能力。