浅谈5G 组网和基站云化*

张 浩

（诺基亚通信系统技术（北京）有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引 言

2019 年6 月，工信部向中国运营商发放了5G商用牌照，标志着中国正式进入5G 商用元年。对于运营商而言，根据自身实际情况，合理规划和部署5G 网络将是下一步工作的重点。本文介绍了两种组网策略，分析对比几种组网方式的优缺点，提出了这两种组网方式的演进策略，并且针对大规模商用后5G 基站的云化进行了深入探讨。

1 5G 组网演进策略

在5G 3GPP 协议中定义了独立组网和非独立组网两大类的组网方式。

1.1 NSA 和SA 的概念

独立组网（Standalone，SA）模式包括5G 核心网和5G 基站两个部分。5G 基站直接和5G 核心网连接，5G 手机通过5G 基站作为锚点接入5G 网络，在这个网络中不需要现有网络的支持。从这种组网方式看，独立组网方式是全新的网络，5G 核心网和5G 基站都是新加设备。但是，这种组网方式将给运营商带来巨大的挑战，因为5G 高频的特性决定了网络覆盖面将远远小于4G 网络。目前，在世界各个主要国家的频谱使用中，我国使用6 GB 以下的频段作为5G 频段，而美国由于6 GB 以下的频谱资源已经耗尽，不得不选择高频段的频谱作为5G 频段。高频段需要更多基站的部署，但高频的毫米波技术又能提供更高的网络速度和更低的网络延迟。

非独立组网（Non-Standalone，NSA）模式是依靠现有的4G 网络将5G 手机接入到网络中。前期阶段，5G 手机通过4G 基站进行控制信令的交互，数据业务实现4G 和5G 的双连接。这种组网方式满足5G 增强型的数据业务功能，提高网络的数据业务能力，但是无法满足5G eMTC 的业务需求。后期演进中，手机通过5G 基站进行控制信令的交互连接到5G 核心网，4G 作为5G 的补充基站，可以满足5G eMTC 的需求。

从5G 的网络部署而言，这两种组网方式各有各的优缺点。表1 从设备的成熟度、业务支持的场景和部署成本3 个方面进行了对比。SA 相比NSA而言，满足了5G 网络支持的所有业务场景，是一种不依赖于现有网络的独立组网方式，一次到位，后期演进成本相对较低，但前期投入巨大。设备成熟度较NSA 而言更晚，独立组网的设备从标准制定开始就晚于非独立组网。同时，5G 网络初期设备的不稳定性较高，容易产生网络设备的各种问题，导致网络瘫痪。非独立组网模式可依赖现有的4G 网络保持连接，用户端无明显感受，有良好的用户体验[1]。

1.2 非独立组网的演进策略

非独立组网模式根据演进可以分为3 个阶段，分别对应3GPP 协议Option 3/3a/3x、Option 7/7a/7x和Option 4/4a，如图1 所示。

表1 5G 独立组网和非独立组网的优缺点比较

图1 NSA 组网模式

第一阶段（Option 3/3a/3x）：UE 通过与LTE网络进行信令交互连接到网络中，基站与4G 核心网相连，5G NR 做为LTE 的补充网络。在第一阶段，5G NR 被正式引入网络，提供数据的增强业务。

第二阶段（Option 7/7a/7x）：LTE 升级为eLTE，eLTE 与5G 核心网进行数据交互，UE 的控制信令依旧通过eLTE 与网络进行交互联通。在第二阶段，5GC 将取代EPC 做为5G 网络的核心网，将提供网络切片、SBA 以及云原生等技术服务。

第三阶段（Option 4/4a）：UE 通过5G NR 连接到网络中，eLTE 做为数据业务的补充网络存在于系统中。这个阶段是5G 网络部署的终极目标，在利用5G 网络先进性的同时，充分利用了现有的4G 网络，为那些延迟要求不高的数据业务提供服务，是4G/5G 网络的大融合[2]。

1.3 独立组网的演进策略

独立组网架构如图2 所示。Option2 是建设一张全新的5G 网络，包括5GC 和5G NR。从图2 可以看出，5G 网络和4G 网络无任何交互，UE 终端可以自由选择接入4G 或5G 网络，但完全抛弃4G网络是对现有资源的浪费。作为独立组网的继续演进，Option 5 和Option 4 都是运营商可以将现有4G充分融合的组网方式。在Option4/4a 中，5G NR 作为桥接，实现了eLTE 与5GC 的连接。在Option 5 中，通过eLTE 与5GC 连接实现端到端的服务。这种组网方式后期会有一个弊端，有些特定的高级功能无法在eLTE上实现，对5GC的兼容性会有一定的挑战。

图2 独立组网模式

1.4 独立组网和非独立组网的比较

综上所述，这5 种组网方式基本涵盖了目前所有主流的组网模式。表2 详细对比了各种组网方式的优缺点，大多数运营商基于成本和实际需求考虑，选择了NSA 的组网模式。这些运营商主要分布在欧洲和美国地区。国内方面，联通也趋向于NSA 的组网模式，电信和移动则采用SA 的组网模式。SA的组网方式能真正带动5G 整个产业链，推动信息技术全面发展[3]。

表2 独立组网（SA）和非独立组网（NSA）各种组网模式比较

2 5G 基站的演进

2.1 5G CU-DU 划分方案

相对于4G 无线接入网的两级网络结构——基带处理单元（Bandwidth Based Unit，BBU）和射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU），gNB 宏站采用类似的网络结构。但是，eCPRI 接口的引入，使得gNB 由两级网络向三级网络结构转变。新的网络采用了集中单元（Central Unit，CU）、分布式单元（Distributed Unit，DU）和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）三级结构。CU 主要负责原BBU 上非实时业务，实现了RRC 和PDCP 两个协议实体。DU 负责处理物理层协议和实时业务，实现了RLC、MAC、High PHY 协议实体，剩余的部分由AAU 处理。AAU 实现了原RRU 以及部分物理层的功能。

采用CU-DU 分离的网络架构是5G 的基本需求。第一，5G 高吞吐量、低时延和高密度连接的特性，决定了其需要更大的带宽来提高频谱效率，意味着5G 将采用更高的频段、更小的小区覆盖半径以及更多的传输接收点。为了更好地对传输接受点进行管理，在RAN 侧引入集中控制单元，即CU。第二，5G 不同业务的功能需求不一样，灵活的硬件实现有利于节约成本。采用CU-DU 分离架构可以为多场景下的部署提供更大的灵活性。第三，有利于实现负荷与性能的有效管理，动态地分配网络资源。

3GPP 组织提供了8 种CU-DU 分离方式，其中Option 1 到Option 4 被定义为高层划分方案，Option 5 到Option 8 被定义为底层划分方案。在3GPP Rel-15 阶段确定了Option 2 作为高层划分方案的最终标准。对于底层划分方案，目前受制于硬件能力，还无法形成统一的标准，由厂家根据自身的实现情况决定。

2.2 5G CU-DU 设备实现方案

CU 和DU 设备实现有融合性和分离式两种方案，如图3 所示，分别对应Option 2 和Option 3。

图3 5G 网络架构

融合性方案类似于传统的4G 网络架构，在BBU 的实体中采用电信专用架构芯片实现CU/DU的逻辑功能。5G CU 板和DU 板采用类似4G 主控板+基带板的组合方式部署在机框中，实现DU 的有序扩容和动态调整，同样由CU 板对DU 板进行管理和协调。但是，与4G BBU 不同的是，CU 和DU 之间采用新的F1 接口。融合性方案可以充分利用现有4G 基站的部署经验、运维和管理经验，建设周期短且能满足多种不同业务类型的需求，但在小区协作和CU 可扩展性上尚存不足。

CU-DU 分离方案将CU 设备和DU 设备分别独立。CU 设备因为对实时性要求较低，采用通用服务器进行云化，具有池化增益，实现自动调节和分配，部署在中心机房，可减少占用面积。而DU 设备由于5G 对大数据处理的要求，DU 设备仍然采用专用的通信芯片和加速器，以满足5G 层对数据实时性的处理要求。CU/DU 分离进一步改善了eMBB场景下的性能，提高了移动性，缩短了信令的时延，但依然面临一些问题，如DU 设备专业性强、难以实现虚拟化、CU 虚拟化成本过高、时延的可靠性低等不足[4]。

因此，网络部署时，需要根据业务特性和具体场景，结合5G 设备实现方案的优缺点实现差异化部署。各个厂家在实现5G 设备时，现阶段应尽量采用模块化的设计思路，方便未来实现网络的不同分层和DU 设备的虚拟化。

2.3 5G CU-DU 后续演进

5G虚拟化是未来一段时间内5G发展的主旋律。合理安排协议实体在不同设备上（CU/DU/AAU）的实现，是5G 虚拟化重点考虑的方向。

2.3.1 CU 的分离

CU 设备根据控制面和数据面进一步划分为两个单元模块——CU-CP 和CU-UP。数据面集中在PDCP 层，主要处理数据加密解密、完整性保护等。控制面集中在RRC 层，负责无线资源管理和分配、UE 的接入和信道管理。CP 和UP 的切割有利于虚拟机更加专注于各自的功能特点，提升虚拟化的效率。在设备的实现上，也可以根据需求灵活分配。图4 描述了CU-CP 和CU-UP 在分离状态的网络逻辑图。CU-CP 只处理控制面信令，负载较低，可同时管理多个CU-UP。当只管理一个CU-UP 时，CP和UP 合为一体[5]。

图4 CU 网络逻辑

CU 的分离有利于引入人工智能，构建智慧网络。尤其对CU-CP 的分离，使得利用大数据对用户需求分析提供了理论基础。同时，在RRM 无线资源管理中，、引入人工智能算法，可对网络侧的资源进行智能管理，在相同硬件资源下更好地动态管理，提升效率。

2.3.2 DU 的虚拟化

DU 实现了层1 和层2 的协议实体，数据面的处理需要在一个TTI 周期内完成，对处理的实时性要求较高，通用服务器性能无法满足需求，因此不得不采用专用通信芯片。

DU 设备虚拟化实现的难度在于物理层算法的实现。考虑将部分物理层功能下沉到AAU 设备中，在AAU 设备中实现时频转换等。与传统的CPRI 接口相比，ECPRI 接口能大幅降低DU 设备对数据的处理量。在传统的CPRI 接口中，AAU 和DU 之间的速率与天线端口数成线性关系。而在ECPRI 中，速率需求与流数成线性关系。在不同的厂家实现时，尽量控制流数。尤其在mMIMO 中，将64TRX 转换成4TRX/2TRX 的接口，不仅从天线数上减少了DU设备的数据量，而且在数据处理上大幅降低了数据处理的复杂度。

AAU 设备性能的提升有利于实现DU 设备的虚拟化，可以考虑在AAU 设备中引入专用通信芯片实现物理层的更多功能。物理层功能的下沉既能更好地满足实时性要求，也可分担DU 的负载、减少DU 实现的复杂度，使得DU 满足虚拟化的要求。

3 结 语

5G的建设必将推动整个信息产业的高速发展。本文通过对5G 组网策略的阐述和基站云化的探讨，希望为建设中的5G提供参考，早日实现“万物互联”。