【5G通信网络架构与5G基站架构概述】

一、移动通信网络架构

首先，我们先来了解一下移动通信网络的基本架构，即无线网-承载网-核心网的架构，2/3/4/5G网络均是这样的构成，其中：

• 无线接入网(Radio Access Network)
  是直接向用户终端收发信号的地面可见基站所组成的网络，就是我们日常所说的基站。
• 承载网
  是负责将基站接收到的用户数据，通过“地面下看不见”的有线网络，传递到核心网的网络，本质上就是无线网到核心网的桥梁。
• 核心网(Core Network)
  是整个移动通信中最最核心的一堆设备的集合，放置在电信运营商最安全的机房中，主要为用户提供互联网接入服务和相应的管理功能等。

二、移动通信网络端到端的通信架构

2G、3G、4G、5G整个通信网络端到端的通信逻辑架构，基本就是： 用户终端A——A所在的无线接入网——（承载网）——核心网——（承载网）——B所在的无线接入网——用户终端B

三、5G网络架构

以上是移动通信网络的基本架构，然而对于4G和5G网络来说有比较明显的差异。与4G网络相比，5G网络中承载网变化不大（依然发挥着桥梁的作用），但核心网与无线接入网都发生了很大变化。在4G LTE系统中，基站和核心网分别叫做eNB（Evolved Node B）和EPC（Evolved Packet Core）。在5G系统中，基站叫做gNB，无线接入网称为NR（New Radio），核心网叫做NGC(Next Generation Core)或5GC。

• 5G核心网
  5G核心网的组网架构有两种：NSA（Non-Standalone， 非独立组网）和SA（Standalone， 独立组网）。
  
  

  • SA：SA 架构（3GPP Option2）不依赖与现有 LTE 网络，5G 网络是一张完全新建的网络。SA 组网下，现网的 4G 核心网只需要为 4G 基站提供服务，5G 网络完 全新建一套 5G 核心网，需要采购与布置整套 5G 核心网设备，使得 5G 基站可 以接入纯 5G 核心网为用户提供 5G 服务。5G 基站（gNB）直接连接至 5G 核心网（5GC），都是新建的 5G 无线网设备和核心网设备。
    

  • NSA：NSA 架构基于 LTE 与 NR 紧耦合架构，3GPP 提出了多种候选架构，目前业界主要考虑 Option3 架构。NSA 组网下，现网的 4G 基站与 5G 基站都接入 4G 核心 网，当然由于需要适配 5G 的一些功能，此时的 4G 核心网设备也要做一些软件 升级，也就是成为了 4G+核心网。LTE eNB 作为主基站连接到 EPC，gNB作为辅基站，核心网与无线基站只存在唯一的控制面连接，用户面数据可以通过LTE 基站和 NR 基站的同时发送给用户。
    
    
    Option3其实还要再细分 3 种架构，分别是：3、3a、3x。不管是 3、3a 还是 3x，都是 5G 基站连接 4G 核心网。并且，如果用户终端连接 5G 基站时，都需要一个 4G 基站作为“锚点”。而“锚点”的作用则是将 5G 基站固定在 4G 核心网。作为锚点的 4G 基站，相当于 5G 基站与 4G 核心网通信的信使，核心网下发的主要的控制信令（相当于指挥 5G 基站如何传输数据的语言），通过 4G 基站传递给 5G 基站，或者传递给用户的手机。在 option3 的组网下，锚点的配置非常非常重要，如果没有在 5G 基站中配置 4G 锚点，或者配置错误的话，那结果就是灾难性的。

  • SA or NSA？：那么5G核心网组网架构到底选择SA还是NSA呢？我们先来了解一下5G三大应用场景
    
    【1】 eMBB， Enhanced Mobile Broadband 增强移动带宽，在现有移动宽带业务场景的基础上，提升用户体验。即超高带宽的高速率业务；
    【2】URLLC, Ultra Reliable Low Latency Communication 高可靠、低时延、极高可用性。工业应用控制、远程手术，即超低时延；
    【3】mMTC，massive Machine-Type Communication 海量机器类通信。大规模物联网，主要是人与物之间的信息交互，即超大容量；

    5G 网络支持的业务已扩展到垂直行业领域，5G 初期主要支持 eMBB 业务，随着技术的发展，5G 网络需要全面支持 uRLLC、mMTC 全业务场景。5G三大应用场景中，只有eMBB能够由NSA核心网实现，其余两大场景都需要5G核心网才可以完成（即SA），NSA仅能满足当前5G终端用户需求，未来的智慧工厂智慧城市等垂直高性能应用使得其组网架构向着SA演进，但由于SA投资巨大，目前主要的组网方式还是NSA。

• 5G无线接入网
  无线接入网是和用户直接接触的网络，也就是所谓基站所组成、真正收发 5G 无线信号的网络，负责终端、核心网之间的通信功能。从上述核心网的组网方式可以看出，5G无线接入网主要就包括两种节点：gNB（即5G站点） 和 ng-eNB（即经过改造的4G站点）。
  5G无线网络设计原则是融合、灵活、智能、高效，5G无线网智能化是未来重要的发展方向，大规模 MIMO、波束赋形等新技术将带来网络部署与运维的难度，随着人工智能技术的不断成熟，人工智能算法将会广泛应用于无线网络资源管理、自动配置与优化、能耗智能管理等方面，从而更高效、更智能、更便捷地实现通信网络资源的管理与网络性能优化，降低网络运维复杂度，降低人力成本，加快构建智能、绿色、高效的全新通信网络。5G无线网络功能选择包括通用网络功能和专用网络功能，综合考虑计算复杂度与性能提升、集中功能与分布功能、慢速控制与快速控制、信令负荷与性能提升之间的均衡问题。逻辑架构分为集中式逻辑架构与分布式逻辑架构。

下面将详细介绍5G无线接入网的最重要组成：基站

四、5G基站架构

无线站点由基站主设备与辅助设备两个子系统构成。其中，主设备包含AAU、RRU、BBU等通信设备，其能耗占无线站点总能耗的比重最大，约为40-60%。除通信主设备外，辅助设备也是不可或缺的部分。其中，电源、蓄电池等供电设备用于为基站主设备、站内制冷系统及安防照明等其他用能设备提供能量，其能耗约占无线站点总能耗的7-12%。电子通信设备的运行消耗电能，部分电能会转化为热能，造成热损耗，这部分热量会释放到站点环境中，会影响通信主设备的安全、稳定运行，因此需对机房环境进行高效热管理。制冷系统的能耗占比仅次于主设备能耗，约占无线站点总能耗的40-50%。

- 基站主设备

下面重点介绍基站主设备，这是实现基站功能的关键。基站主设备按功能可划分为基带单元、射频单元、天馈单元等几个主要模块，各模块之间通过外部接口或内部接口互连。其中，BBU和RRU之间通过光纤连接，传播损耗极小，可以远距离传输；RRU与天线通过馈线连接，损耗较大，不易远距离传输，因此4G/5G时代RRU无限接近天线，基本挂在天线上或者直接和天线集成为AAU。

• BBU（Building Baseband Unite,基带处理单元 ）
  信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。 BBU负责实现 5G 协议物理层、MAC 层、RLC 层等协议基本功能以及接口功能，其中协议基本功能包括用户面及控制面相关协议功能，接口功能包括基站设备与核心网之间的回传接口、基带模块与射频模块之间的前传接口、同步接口等。
  BBU 是组成无线接入网的最核心部分。5G 关键技术，比如调制、编码、Massive MIMO 的处理、OFDM 处理等绝大多数实现（还有一小部分在 RRU 中实现）都是在BBU完成的，而华为、中兴、爱立信等设备厂家在 5G 时代主要争夺的战场就是 BBU 战场。
  每个BBU可以连接10-100个RRU。
• RRU（Radio Remote Unit，射频拉远单元）
  RRU将经过BBU处理的基带信号转化为运营商被分配频段上的无线电信号，并给无线电加上足够大的功率以供将信号发射出去，即主要完成数字信号与射频模拟信号之间转换，射频信号的收发处理功能，5G射频单元还需要支持上移到射频模块中的一部分物理层功能等。
  RRU 设备主要包括 8T8R、4T4R两种类型。
• 天线
  将RRU转化的无线电信号通过馈线传输给天线，天线将此信号最终转化为无线电波再发射到空中，然后用户终端使用天线接发无线电信号。天线和馈线一起通称为天馈系统。
  
• AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）
  对 5G 速率、容量提升最重要的新技术，就是MassiveMIMO带来的空间上的多数据流同时发送的增益，在 5G 网络中，单个天线集成的独立天线数量增加到了 64 个，由于每一个独立天线的功能都是收信号与发信号，英文表示分别是 T （transmission）与 R（Reception），所以一般表述 4G 天线的能力都是 8T8R， 而对应着 5G 天线的能力则是 64T64R，5G 的 64T64R 天线则能实现 16 流数据的同时收发，这就是 5G 网络容量激增的最重要原因，没有之一。AAU 设备解决多天线设备产品设计的难点，将射频处理单元与大规模天线阵列集成在一起，从而构成有源天线阵列，以此实现 Massive MIMO（大规模天线）技术。因此AAU就是将天线与 RRU 合体的设备，因为原来的天线是不需要供电的，也就是无源设备，现在合并了 RRU，自然就需要供电了，所以叫有源天线单元。
  采用 Massive MIMO（大规模天线）技术，对传统 BBU 和 AAU 架构的接口传输能力带来巨大挑战。5G 宏基站设备已将部分基带功能上移到 AAU，从而减小基带单元和射频单元之间传输带宽。该接口定义为前传接口，采用eCPRI协议，该协议基于IPRAN技术实现，目前eCPRI协议提出了多种技术方案，不同方案的前传接口需要的传输带宽不同，差别在于不同方案上移的物理层功能有区别。
  AAU 设备目前主要适用于 3.5GHz 等中频频段以及 6GHz 以上的毫米波频段，也需要考虑 2.1GHz、1.8GHz 等可用于 5G 频率重耕的频段。对于 6GHz 以下频段，AAU 设备主要包括 64T64R、32T32R、16T16R 三种类型，三种类型设备主要区别在于设备收发通道数的差异。64T64R AAU 设备有 64 收发通道，单 AAU 设备容量最高，优先部署在密集城区等 5G 数据热点区域。而 32T32R、16T16R 可根据网络实际业务量差异，规划部署在密集城区、一般城区等典型场景。在地铁、隧道、高铁等特殊覆盖场景需要考虑应用8T8R、4T4R等较少通道数RRU设备。虽然8T8R和 4T4R RRU 设备的系统容量较小，但可以通过外接天线扩大覆盖范围，适用于容量不高的覆盖场景。
  

- 4G-5G基站设备架构

从设备架构角度划分，4G和5G基站架构可总结为：

• 4G基站：
  BBU-RRU-天馈
• 5G基站：
  1. BBU-AAU：基带单元映射为单独的一个BBU，AAU集成了射频单元与天线单元，若采用eCPRI接口，AAU内部还包含部分物理层底层处理功能
  2. CU-DU-AAU：BBU被重构为CU(Centralized Unit，集中单元)和DU(Distribute Unit，分布单元)，二者共同完成构成5G 基带单元，CU与DU间的F1接口为中传接口。
     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。如L3信令流程等，对时延要求不是很高的业务处理模块。这个模块有可能进行集中云化。
     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。如编解码、调度等对时延要求较高的业务处理模块。这个模块很难云化。
     总而言之就是，DU负责独立、实时性要求高的功能；CU负责需要信息汇聚、实时性要求低的功能。
  3. BBU-RRU-天馈
  4. CU-DU-RRU-天馈
  5. 一体化gNB等

五、5G RAN架构

• D-RAN（Distributed RAN，分布式无线接入网）：
  4G基站BBU-RRU-天馈的架构就是典型D-RAN架构：BBU单独放在机柜中，RRU和天线挂在铁塔上；也就是当前最主流的接入网形态，如下所示：
  
  然而，为了应对网络数据流量的爆发，在D-RAN组网模式下，运营商需大力建设网络基础设施，导致成本大大增加。同时，传统的D-RAN组网模式，一是存在分散式基站设施耗能大、潮汐效应明显等问题；二是大量设备对站点机房环境的依赖性大，存在铁塔服务费、电费成本高等问题；三是传输光缆纤芯资源消耗过度，并且传输光缆故障成为基站故障的主要原因之一。随着5G技术的快速发展，现有网络结构不能满足低时延、大容量、高带宽的需求，因此，集中化无线接入网（Centralized Radio Access Network，C-RAN）组网方式应运而生。

• C-RAN（Centralized RAN，集中化无线接入网）：
  C-RAN是一种集中式部署方案，将多个BBU集中放置于中心节点机房（Center office,CO）形成基带池，CO与RRU通过前传网络连接，RRU或AAU采用光纤拉远至用户覆盖区。
  C-RAN是基于集中化处理、协作无线电、实时云计算的绿色无线接入网架构，其基本思想是通过充分利用低成本高速光传输，直接在远端天线与集中化的中心节点间传递无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。
  
  C-RAN架构具有以下优点：
  1、C-RAN架构在一定程度上减少了无线资源设备对机房环境的依赖，实现了配套资源（GPS电源、蓄电池、传输、空调等）共享，机房数量、站址配套、站址租赁等费用大幅度降低，节省了建设与运营成本。
  2、无线侧管理趋于统一，削减了扩容与升级成本。
  3、RRU拉远灵活部署在覆盖区域附近，提高覆盖效果，在物理站点的选址与布局更为灵活。RRU到用户的距离大大缩短，从而降低了发射功率。
  4、C-RAN区域作为容量规划区域，所有基带资源可视话务量需求进行灵活调配，更容易实现站间协作，实现更高频谱效率；集中式基带池可以灵活扩展，实现弹性容量，可以更好地体现5G的网络优势。
  目前，未云化CU-DU-AAU或未云化CU-DU-RRU-天馈的基站架构就属于C-RAN。5G初期，CU、DU只做到了在逻辑上分离，物理上还是集成在一起构成BBU，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。

• Cloud-RAN（云化无线接入网）：
  CU云化的C-RAN就是Cloud RAN，CU通过虚拟化部署在数据中心，DU的BBU盒子集中放置。

六、5G 宏基站/微小站

按照基站部署场景，可以将基站划分为宏基站设备和微小站两种类型。宏基站主要用于提供广覆盖场景，微基站用于室内、补盲、热点等区域。
根据3GPP组织的规则，无线基站分为4类，分别是宏基站、微基站、皮基站和飞基站，微基站、皮基站和飞基站，通常合称为“微小站”。皮基站和飞基站，比微基站更小，通常合称为“皮飞站”。实际上它们是按照功率进行划分的，功率越大的覆盖能力也越强。

5G微基站可划分为室外一体化微 RRU 设备，室内一体化微站、室内扩展型微站等设备形态。一体化微 RRU 与宏基站 AAU/RRU 设备主要区别于发射功率，一体化微RRU 设备集成度更高。而室内扩展型微站，一般由交换设备和射频远端单元组成，具备较好的扩展性。其中，基带单元一般与宏基站 BBU 设备通用。一体化微 RRU 设备采用较少通道数（例如 4T4R RRU 等），每通道最大发射功率不高于 10W，用于宏基站的弱覆盖区域、业务热点区域等。
扩展型皮基站，也叫分布式皮基站，通常由基带单元（BBU）、集线器单元（RHUB）、射频拉远单元（pRRU）组成。皮基站被广泛应用于住宅、商场、酒店和体育馆等场景，强化网络覆盖，提升用户体验。由于5G信号频率更高的原因，5G的信号传输距离和穿透效果将明显弱于4G。所以，皮基站，以及飞基站，将会是增强网络覆盖的重要帮手，会越来越多地出现在我们身边。