素材來源：《一本讀懂5G技術》

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什么資源集中，什么資源分布？這是無線網絡架構設計時繞不開的關鍵問題。以人為例，人本身是一個完美的大腦集中控制、五官和四肢分布式感知和執行的系統。大腦負責對各個器官及肢體所收集的信息進行匯總、綜合分析和處理，相當于網絡的控制中樞；五官和四肢負責感知現場環境，并且根據大腦的指令進行行動，相當于感知層的功能。

對于無線網絡架構來說，基站的基帶資源池集中化、控制功能集中化和射頻資源池分布化、天線分布化的趨勢同時存在。從無線網元間的協作角度看，基站的基帶資源池集中程度越高，實時處理效率就越高，協作化增益就越大，也就更易減少重疊覆蓋的干擾。可是另一方面，從傳輸資源來看，基帶資源池越集中，對基帶資源池和射頻資源間的傳輸成本的要求也越高。此外，射頻資源越分布，所需的系統安裝和部署的數量就會越多，成本也會越高。

因此，無線網網絡架構的設計是無線資源的管理控制能力、無線網絡的集中優化能力和傳輸成本、分布式射頻資源成本的折中。5G無線網絡架構是采用集中式架構還是分布式架構，以及何種程度的集中或分布，是5G RAN網絡架構設計重點考慮的問題。

6.1.1 一體式基站架構

一體式基站架構是2G移動通信制式最初采用的主要形態。這種一體化基站架構的天線位于鐵塔上，其余部分位于基站旁邊的機房內。天線通過饋線與室內機房連接。一體式基站架構如圖6-2所示。

一體式基站需要在每一個鐵塔下面建立一個機房，同時需要具備傳輸、電源、空調等配套資源，建設和維護成本高，建設周期較長，更嚴峻的問題是，新增或減少基站節點，調整無線網絡架構困難，不利于靈活地網絡伸縮。

圖6-2 一體式基站

6.1.2 分布式基站架構

一體化基站和天線之間需要很長的饋線相連，增加了無線信號的衰減，也增加了部署成本。分布式基站架構將基站分為RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠單元）和BBU（Base Band Unit，基帶資源單元）兩個物理設備，如圖6-3所示。其中，RRU主要是射頻資源模塊，包括四大模塊：中頻模塊、射頻收發模塊、功放和濾波模塊。BBU主要負責上下變頻、基帶處理、協議棧處理，以及和上級網元的接口等。

圖6-3 基站功能劃分為兩部分

RRU是射頻子系統，可以放置在鐵塔上，位于天線近端的位置，和天線子系統相連；而BBU叫基帶子系統，放置在室內機房。BBU和RRU可以用光纖連接，RRU和BBU之間的接口為CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）接口或Ir接口，傳送數字中頻信號，如圖6-3所示。每個BBU可以連接多個RRU，根據廠家的產品規格不同，支持的RRU的級聯數目不同。1個BBU可以最多連接12個RRU。

圖6-4 分布式基站結構

這時，我們的無線接入網（RAN）就變成了D-RAN（Distributed RAN，分布式無線接入網），如圖6-5所示。通過光纖實現RRU的射頻拉遠，可以減少饋線長度，節約饋線成本，降低由于使用饋線帶來的信號傳播損耗；另一方面，可以讓無線網絡規劃更加靈活，畢竟RRU加天線比較小，可以靈活放置，有利于實現無縫覆蓋，提高網絡覆蓋性能。

無線網絡架構的發展演進，無非是兩個驅動力，一是為了更高的性能，二是為了更低的成本。D-RAN饋線信號傳播損耗的降低可以帶來更高的覆蓋性能，饋線的減少以及網絡規劃部署的簡單化降低了成本。有時候運營商更看重成本，如果一項技術又能提升性能，又能降低成本，那么就可以得到廣泛的應用。

圖6-5 D-RAN的好處

圖6-6 無線網絡架構演進的兩個驅動力

6.1.3 C-RAN架構

分布式基站架構從2G開始出現，3G大量使用，4G完全成熟化。隨著NFV+SDN+云的技術的成熟，無線側C-RAN架構也逐漸成熟起來。C-RAN架構將基帶資源的功能（BBU）進一步虛擬化、集中化和云化，如圖6-7所示，每個BBU可以連接10～100個RRU，進一步降低機房資源的需求量、網絡的部署周期和成本。

圖6-7 C-RAN架構

在傳統的分布式基站架構中，基帶資源池BBU和遠端無線射頻單元RRU之間的關系是固定的，是一對多的關系。C-RAN的基帶處理單元BBU和遠端無線射頻單元RRU之間不再是固定連接關系，是多對多的關系。每個遠端無線射頻單元RRU不屬于任何一個基帶處理單元BBU實體，遠端射頻單元RRU上發送和接收信號的處理都是在一個虛擬化的基帶池中完成的。

C-RAN里的“C”有4個含義：實時云計算構架(Real-time Cloud Infrastructure)、基帶集中化處理(Centralized Processing)、綠色無線接入網架構(Clean system)和協作式無線電(Collaborative Radio)。

云計算為C-RAN提供強大的基帶處理能力；基帶集中處理便于根據整個區域的數據業務需求，規劃總體基帶池的容量，基帶資源可以在各小區間動態調度，從而高效地應對話務潮汐，提高基帶資源的利用率；基帶資源集中，還可節省設備及配套投資，大大減少機房數量，減少電力消耗，實現綠色節能減排、降低資本和運維開支；C-RAN可以實現多標準，多制式共存的基帶池系統，協作式無線電，可以根據無線環境實現多個無線制式的頻譜共享，提高頻譜效率；C-RAN實現無線側多個站點的協作通信，減少小區間的干擾，提高無線信號的質量。

6.1.4 5G RAN架構

5G基于C-RAN網絡架構進行了進一步的演進，引入NFV技術實現無線資源的虛擬化，引入SDN技術實現網絡功能的集中化。針對5G的高頻段、大帶寬、多天線、海量連接和低時延等需求，5G對基站功能的分布進行重新劃分，對無線側的架構進行了重構。

5G基站gNodeB的基帶功能單元（BBU）由DU（Distributed Unit，分布單元）、CU（Centralized Unit，集中單元）共同組成。在4G網絡中，C-RAN相當于BBU、RRU 2層架構；在5G系統中，C-RAN相當于CU、DU和RRU 3層架構。5G基站gNodeB的邏輯架構可以分為2種，即CU-DU融合架構（見圖6-8）和CU-DU分離架構（見圖6-9）。同一個基站的CU和DU合并時，就類似于4G的基站eNodeB的基帶部分。CU和DU分離，DU分布式部署，幾個基站的CU可以合并到一起、集中部署，當然不同基站的CU也可以各自獨立部署。

圖6-8 CU和DU融合架構

圖6-9 CU-DU分離架構

每個CU可以連接1個或多個DU。1個CU目前最多可以下掛100個DU。一個機房可以對應更多更遠的小區，實現中心化的管控。5G的射頻單元（RRU）和天線子系統共同構成AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元），主要負責將基帶數字信號轉為模擬信號，由天線發射出去。5G的基站架構如圖6-10所示。

圖6-10 5G RAN架構

RRU和BBU之間的接口是CPRI或Ir。5G的接口功能需要增強，DU和AAU之間的接口為eCPRI（evolved Common Public Radio Interface，演進的通用公共無線電接口），也稱為下一代前傳網絡接口（Next-Generation Fronthaul Interface，NGFI）。CU和DU之間的新增接口叫F1。CU是集中單元，可以分為用戶面和控制面。用戶面和控制面在一個物理實體里，使用廠家內部接口便可，但如果分開在兩個物理實體（CU-CP和CU-UP）里，3GPP協議定義了二者的接口，叫E1接口。5G基站和基站之間的接口表現為CU和CU之間的信息交互接口，叫Xn接口。5G無線網的主要接口如圖6-11所示。

圖6-11 5G RAN的主要接口

雖然CU和DU融合部署有利于實現高實時、大帶寬類的業務，但是CU和DU分離架構有利于提高硬件資源的利用效率，有利于靈活的資源協調和配置，便于擴容和在線遷移。CU虛擬化可以有效地降低前傳帶寬的需求。

CU和DU分離部署之后，5G RAN可以基于NFV、SDN的基礎上進行云化，將控制協議和安全協議集中化，如圖6-12所示。云化后的5G RAN稱為Cloud RAN。Cloud RAN的核心思想是功能抽象，實現資源與應用的解耦，增加RAN側的功能擴展性。云化有兩層含義：一方面是指基帶資源池的云化；另一方面是指無線資源和空口技術的解耦。

在傳統的無線網絡中，基帶資源的分配是在一個基站內進行；在Cloud RAN架構下，資源分配是在一個“邏輯資源池”的層面上進行。這樣，可以最大限度地獲得資源的復用共享的增益，降低整個系統的成本，并帶來功能靈活部署的優勢。基帶資源池的集中部署有兩個含義：一個是硬件設備的集中，一個是高層協議棧功能的集中。CU作為無線業務的控制面和用戶面錨點，有利于2G、3G、4G、5G等多制式的融合；CU內部的移動性對核心網來說是不可見的，便于無縫移動性管理。CU的集中，可降低核心網的信令開銷和復雜度，提高頻譜資源的協作化水平。

空口的無線資源也可以抽象為一類資源。無線資源與無線空口技術解耦后，可以實現空口資源的動態靈活調度，滿足特定業務的定制化要求。

云化后的RAN，基帶資源、空口資源可以根據實際業務負載、用戶分布、業務需求等實際情況，動態實時分配和處理，實現按需的無線網絡能力。無線側的小區不再是一個靜態的概念，而是以用戶為中心的虛擬化小區，真正實現“網隨人動”。云化后的RAN有利于提升小區間內的協作能力，實現多小區/多數據發送點間的聯合發送和聯合接收，提升小區邊緣頻譜效率和小區的平均吞吐量。

云化RAN同樣可以減少運營商對無線機房的依賴，降低配套設備和機房建設的成本，降低綜合能耗，降低5G數據業務的單比特服務成本。

圖6-12 Cloud RAN

CU和DU之間存在多種功能分割方案，可以適配不同的通信場景和不同的通信需求。CU和DU功能的切分以處理內容的實時性進行區分，如圖6-13所示。不同協議層實時性的要求和帶寬支持能力是不一樣的。分布越靠底層的功能，越有利于低時延業務的實現；分布越往高層的功能，越有利于大帶寬業務的實現。

圖6-13 CU和DU的功能分割方案

CU設備主要包含實時性要求不高的無線高層協議棧功能（PDCP層及以上），同時也支持部分核心網功能下層和邊緣應用業務的部署；而DU設備主要處理物理層功能和實時性要求較高的、RLC層及以下協議層的功能。也就是說，CU和DU之間的F1接口可以設在PDCP層和RLC層之間。為了節省RRU和DU之間的傳輸資源，部分物理層功能（Low PHY）也可下沉到AAU中實現。這時，CPRI就變成了eCPRI。當然，不同功能的劃分，在不同的組網中不是一成不變的，可以根據業務的要求進行調整。相對于4G RAN功能分布，5G RAN功能在不同網絡實體間的分布有了很大的變革，如圖6-14所示。

圖6-14 從4G到5G RAN功能分布

從具體的實現方案上，CU設備采用通用平臺實現，這樣不僅可支持無線網功能，也具備了支持核心網功能和邊緣應用的能力；DU設備可采用專用設備平臺或通用+專用混合平臺實現，支持高密度實時底層運算能力，如圖6-15所示。

5G RAN基于NFV+SDN的云化架構下，傳統的操作維護中心（Operating and Maintenance Center，OMC）功能組件，可以升級為帶有MANO功能的操作維護管理編排器，統一對RAN的資源進行管理和編排，實現包括CU/DU在內的端到端靈活資源編排和配置管理，滿足運營商快速按需部署業務的需求。

圖6-15 CU和DU的具體實現

總結

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