面向5G的C-RAN架构分析

2019-11-02李晓宇罗海港李超杰王洪慈

通信电源技术 2019年10期

李晓宇，罗海港，李超杰，王洪慈

（中国通信建设集团设计院有限公司，北京 100079）

0 引言

5G网络多样化的应用场景和业务需求，给无线接入网提出了更严格的要求，包括灵活的无线资源管理需求、空口协调和站点协作需求、功能灵活部署和边缘计算的需求及增强网络自动化管理的需求等。但是，目前传统D-RAN已经无法满足5G多样化的需求，C-RAN在此驱动力下应运而生。

C-RAN是一种基于集中化处理（Centralized）、协作式无线电（Cooperative Radio）和实时云计算（Real-time Cloud Infrastructure）的满足绿色节能需求的无线接入网架构。其基本定义为：基于分布式拉远基站，C-RAN将所有或部分的基带处理资源进行集中，形成一个基带单元池并对其进行统一管理和动态分配，能够在提升资源利用率、降低能耗的同时，通过对协作化技术进行有效地支持，从而提升网络性能[1]。

相对于传统的无线接入网，C-RAN提供了一种更为精良且高效的解决方案。C-RAN将传统RAN中的BBU集中于BBU池（C-RAN中枢）。C-RAN中枢本身可以服务于蜂窝基站，并替代每个站点中的传统BBU。这就可以对部分资源池加以利用，减少所需的BBU设备数量。此外，集中式RAN为最终实现云RAN的重大转变铺平了道路。云RAN中，BBU的处理被虚拟化，而每个虚拟化BBU都能支撑30座甚至更多的基站，可以实现非常高的资源池利用率。

目前，运营商正在积极部署集中式无线接入网，为最终实现云化无线接入网铺平道路。

1 C-RAN架构演进趋势

运营商正计划建设支持未来千兆级LTE及5G网络，因此必须建设更密集的网络，以满足高吞吐量、低时延的服务需求。为实现网络的密集部署，需要每隔几百英尺部署一个小型蜂窝基站，或者拆分现有的宏基站来提升系统容量等性能。无论是小型基站还是宏基站，C-RAN都是实现无线接入网的使能架构，为实现5G奠定了基础。因此，C-RAN正是现在通信无线网行业的一大演进趋势。

针对5G高频段、大带宽、多天线、海量连接及低时延等不同场景需求，5G C-RAN架构通过引入集中和分布单元（CU-DU，Centralized Unit/Distributed Unit）的功能重构下一代前传网络接口架构来实现无线接入网架构的优化[2]。

5G的BBU功能将被重构成CU和DU两个功能实体，其中CU和DU以处理内容的实时性进行区分，如图1所示。

图1 架构演进图

其中，CU设备主要包括非实时性的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务部署；DU设备主要包括处理物理层功能和实时性要求的二层功能。为了节省RRU和DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。

2 CU-DU灵活部署

5G主要面向eMBB、mMTC及uRLLC三大业务，是一个能够满足多样化需求的网络，且不同场景下，对于网络的特性要求（网络、时延、连接数及能耗等）也不一致。灵活可配置的CU-DU分离可以实现网络资源的实时性按需部署，更好地适应不同场景的个性化需求。例如，高清演唱会直播等场景对画质要求较高，属于eMBB业务；而无人驾驶、远程医疗等场景对传输时延和连接可靠性要求很高，属于uRLLC场景[3]。

然而传统的BBU-RRU分布式架构并不能针对不同业务的差异化需求做出相应的调整。例如，面向uRLLC场景时，由RRU上联至BBU再到EPC虽然只经过两跳，但实际距离往往相隔数百公里，并途经多重汇聚、转发设备，中间还会出现不可预知的拥塞和抖动，无法满足低时延的需求。而通过CU-DU分离，将RAN的实时处理功能由DU承载，并靠近用户部署，同时配置相应的网关和MEC服务器能够减少中间层级的转发，进而实现端到端低时延的目标。此外，还可以通过多个DU连接到同一CU的方式，在CU的集中控制和调度下，多个DU传送相同的数据信息，实现公共安全信息的广播。面向eMBB场景时，尤其是高速移动场景时，多个DU可以共享同一逻辑小区并由CU集中控制，此时移动锚点处于CU内部，UE在多个DU间无需切换，不仅减少了切换失败的概率，而且减少了信令开销和复杂度。如果满足理想前传条件，可以通过多个DU聚合部署形成基带池的方式实现多小区CoMP，从而提高网络的覆盖和容量，保证用户体验。

依据5G提出的标准，CU、DU和AAU可以采取合设和分离的形式，因此存在多种网络部署形态，如图2所示。

其中，形式1表示与传统4G宏基站一致，CU和DU共硬件部署，构成BBU单元；形式2表示DU部署在4G BBU基站接入机房，CU集中部署在综合接入机房；形式3表示DU集中部署综合接入机房，CU集中部署在更高层次的汇聚机房；形式4表示CU与DU共站集中部署在综合接入机房，类似4G C-RAN方式。

这4种部署形式适合于不用的应用场景，需要同时综合考虑业务的传输需求（带宽、时延等）、建设成本投入及维护难度等进行选择。

图2 5G网络部署形态

3 C-RAN架构优点

5G C-RAN是基于CU-DU的两级协议架构，NGFI的传输架构及NFV的实现架构，形成了面向5G的灵活部署的两级网络云架构，将成为5G及未来网络架构演进的重要方向。5G C-RAN网络具有集中化、协作化、无线云化及绿色节能四项主要特征，具体优势如下。

对于无线性能方面，（1）BBU集中化能够极大缩短BBU之间的延迟，保证了小区的边缘吞吐率；（2）RRU到用户之间的距离大幅缩短了，从而大大降低了发射功率，延长了用户终端电池寿命，降低了无线接入网的功耗；（3）BBU池化后，可以统一管理和调度资源，资源调配更加灵活，能够最优化资源利用；（4）C-RAN下，所有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转发、信道质量等信息，能够强化站点间的协作关系，实现资源的联合调度，小区间干扰转变成小区间协作（CoMP），极大地提高了频谱利用率，提升了用户感知[4]。

对于成本方面，（1）BBU集中化部署大幅降低了机房数量、站址配套及站址租赁等费用，节省了建设和运营成本；（2）无线侧管理趋于统一，削减了扩容和升级成本。