第 3 章 5G 網絡架構
| 3.6 5G 網絡重構關鍵技術 |
3.6.4 網絡切片——靈活自适應的網絡形态
3.6.5 C-RAN——無線接入網架構優化
C-RAN 是根據現網條件和技術進步的趨勢，提出的新型無線接入網構架， 是基于集中化處理（Centralized Processing）、協作式無線電（Collaborative Radio）和實時雲計算構架（Real-time Cloud Infrastructure）的綠色無線接 入網構架（Clean System）。其本質是通過實作減少基站機房數量，減少能耗， 采用協作化、虛拟化技術，實作資源共享和動态排程，提高頻譜效率，以達到 低成本、高帶寬和靈活度的營運。C-RAN 的總目标是為解決移動網際網路快速 發展給營運商所帶來的多方面挑戰（能耗、建設和運維成本、頻譜資源），追求 未來可持續的業務和利潤增長。
1G 和 2G 時代，基站是一體化的，每個基站自成體系，基站及配套設施全 部位于機房内，基站通過饋線與鐵塔上的天線相連；到 3G 時代，将傳統一體 化基站分為兩部分，即 RRU 和 BBU。RRU 位于室外，BBU 位于室内，RRU 與 BBU 之間通過光纖連接配接，每個 BBU 可以帶多個（3 ～ 4 個）RRU，這種方 式即為 D-RAN（分布式無線接入網）。
C-RAN 是對分布式基站的進一步演進，最早由中國移動于 2009 年提出， 其基本定義是：基于分布式拉遠基站，C-RAN 将所有或部分的基帶處理資源 進行集中，形成一個基帶資源池并對其進行統一管理與動态配置設定，在提升資源 使用率、降低能耗的同時，通過對協作化技術的有效支援而提升網絡性能。通 過近些年的研究，C-RAN 的概念也在不斷演進，尤其是針對 5G 高頻段、大帶寬、多天線、海量連接配接和低延遲時間等需求，通過引入集中和分布單元 CU/DU 的 功能重構及下一代前傳網絡接口 NGFI 前傳架構，來實作無線接入網架構的優 化。RAN 的演進示意如圖 3-42 所示。
如 3.6.4 節所述，5G 的 BBU 功能将被重構為 CU 和 DU 兩個功能實體， 以處理内容的實時性進行區分。CU 裝置主要包括非實時的無線高層協定棧功 能，同時也支援部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署，而 DU 裝置主要 處理實體層功能和實時性需求的二層功能，考慮節省 RRU/AAU 與 DU 之間的 傳輸資源，部分實體層功能也可上移至 RRU/AAU 實作。在具體的實作方案上， CU 裝置采用通用平台實作，這樣不僅可支援無線網功能，還具備了支援核心 網功能和邊緣應用的能力；DU 裝置可采用專用裝置平台或通用 + 專用混合平 台實作，支援高密度數學運算能力。引入網絡功能虛拟化架構後，在 MANO 的 統一管理和編排下，配合網絡 SDN 控制器和穿通的操作維護中心 OMC 功能組 件，可實作包括 CU/DU 在内的端到端靈活資源編排能力和配置能力，滿足運 營商快速按需的業務部署需求。
為解決 CU/DU/RRU 間的傳輸問題，營運商可引入 NGFI 架構，如圖 3-43 所示，CU 通過交換網絡連接配接遠端的分布功能單元，這一架構的技術特點 是，可依據場景需求靈活部署功能單元：傳送網資源充足時，可集中化部署 DU 功能單元，實作實體層協作化技術，而在傳送網資源不足時也可以分布式部署 DU 處理單元。而 CU 功能的存在，實作了原屬 BBU 的部分功能的集中，既兼 容了完全的集中化部署，又支援分布式的 DU 部署，可在最大化保證協作化能 力的同時，相容不同的傳送網能力。
5G C-RAN 基于 CU/DU 的兩級協定架構、NGFI 的傳輸架構及 NFV 的實 現架構，形成了面向 5G 的靈活部署的兩級網絡雲構架，将成為 5G 及未來網絡 架構演進的重要方向。與傳統的 4G C-RAN 無線網絡相比，5G C-RAN 網絡 依然具有集中化、協作化、雲化和綠色四大特征，隻是具體内涵有一些演進。
集中部署。傳統 4G C-RAN 集中化是一定數量的 BBU 被集中放置在一個 大的中心機房；随着 CU/DU 和 NGFI 的引入，5G C-RAN 逐漸演變為邏輯上 兩級集中的概念，第一級集中沿用 BBU 放置的概念，實作實體層處理的集中， 這對降低站址選取難度、減少機房數量、共享配套裝置等具有顯而易見的優勢， 可選擇合适的應用場景，有選擇地進行小規模集中（比如百載波量級）；第二級 集中是引入 CU/DU 後無線高層協定棧功能的集中，将原有的 eNodeB 功能進 行切分，部分無線高層協定棧功能被集中部署。
協作能力。對應于兩級集中的概念，第一級集中是小規模的實體層集中， 可引入 CoMP、D-MIMO 等實體層技術實作多小區 / 多資料發送點間的聯合發 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；第二級集中是大 規模的無線高層協定棧功能的集中，可借此作為無線業務的控制面和使用者面錨 點，未來引入 5G 空口後，可實作多連接配接、無縫移動性管理、頻譜資源高效協 調等協作化能力。
無線雲化。雲化的核心思想是功能抽象，實作資源與應用的解耦。無線雲 化有兩層含義：一方面，全部處理資源可屬于一個完整的邏輯資源池，資源分 配不再像傳統網絡在單獨的基站内部進行，基于 NFV 架構，資源配置設定是在“池” 的層面上進行，可以最大限度地獲得處理資源的複用共享（如潮汐效應），降低 系統的成本，并帶來功能的靈活部署優勢，進而實作業務到無線端到端的功能 靈活分布，可将移動邊緣計算視為無線雲化帶來的靈活部署方式的應用場景之 一；另一方面，空口的無線資源也可以抽象為一類資源，實作無線資源與無線 空口技術的解耦，支援靈活無線網絡能力調整，滿足特定客戶的定制化要求（如 為集團客戶配置專有無線資源實作特定區域的覆寫）。是以，在 C-RAN 網絡中， 系統可以根據實際業務負載、使用者分布、業務需求等實際情況動态實時調整處 理資源和空口資源，實作按需的無線網絡能力，提高新業務的快速部署能力。
綠色節能。利用集中化、協作化、無線雲化等能力，減少營運商對無線機 房的依賴，降低配套裝置和機房建設的成本和整體綜合能耗，也實作了按需的 無線覆寫調整和處理資源調整，在優化無線資源使用率的條件下提升了全系統 的整體效能比。
未來無線網絡需要提供多種業務服務，根據 3GPP 定義可以分為三大類： 增強的移動寬帶業務、面向垂直行業的大規模機器通信業務、低延遲時間高可靠業 務。不同的業務對于網絡架構的需求有所差異，主要展現在時延、前傳和回傳 的傳輸能力、業務資料處理的容量等方面。是以，對無線雲網絡 C-RAN 的系 統設計也會提出不同的要求。
1．增強的移動寬帶業務場景
對于移動寬帶業務，無線網絡需要考慮兩個基本能力要求：一個是覆寫， 另一個是容量。對于語音業務，對業務的帶寬和時延要求不高，而對于互動式 視訊或者虛拟現實業務，則需要保證大帶寬和低延遲時間。在增強移動寬帶（eMBB） 網絡中，資料的傳輸容量也有大幅度提高，比如支援幾十或數百吉比特每秒的 傳輸速率；在實時性方面需要考慮幾毫秒量級的時延需求。
對于具體的業務名額，3GPP 的技術文檔 TR22.891［2］和 TR38.913［3］有 相關的描述：
——對于慢速移動使用者，使用者的體驗速率要達到 1Gbit/s 量級；
——對于高速移動或者信噪比比較惡劣的場景，使用者的體驗速率至少要達 到 100Mbit/s；
——業務密度最高可達 Tbit/（s⋅km2）量級；
——對于高速移動使用者，最高需要支援 500km/h 的移動速率；
——使用者平面的延時需要控制在 4ms 量級。
是以，作為一種通用的網絡結構，無線雲網絡需要考慮 CU 和 DU 的分離。
根據實際網絡的部署，下面列舉 C-RAN 網絡對于支援 eMBB 業務的典型 用例。
用例 1：基于多連接配接的部署用于網絡容量和覆寫的提升。
為了有利于支援 eMBB 業務的覆寫和容量需求，雙連接配接或者多連接配接是一種 有效的網絡部署和技術實作手段。在多連接配接場景下，不同的連接配接可能對應不同 的接入技術和頻段，一個連接配接負責覆寫，一個連接配接負責容量提升，實作覆寫和 資料的理想結合，比如，站間載波聚合的應用。由于 CU 和 DU 分離，兩個連 接的 DU 可以獨立處理實體層資訊，這樣可以節省前傳接口的傳輸開銷，同時 一個 CU 可以處理兩個連接配接的非實時資訊，如圖 3-44 所示。
典型的部署場景如下。
——一個宏站覆寫一個宏小區，一個微站覆寫一個微小區，一個宏站可以 連接配接一個或多個微站。宏微小區可以同頻或者異頻。
——對于宏站，DU 和 RRU 通常分離，但對于微站，DU 和 RRU 可以分 離也可以內建在一起。
——對于宏站，CU、DU 可以部署在一起；對于微站，CU 和 DU 的連 接一般需要專門的前傳連接配接，根據具體的技術應用對前傳的時延有不同的需 求，如果無線承載需要合并，則時延要求一般小于 5ms，否則需求可以被放寬 一些。
用例 2：基于基站協同管理的服務與小區間幹擾協調和高密度業務的需求。
當業務的容量需求變高，在密集部署情況下，基于理想前傳條件，多個 DU 可以聚合部署，形成基帶池，優化基站資源池的使用率，并且可以利用多個小 區的協作傳輸和協作處理以提高網絡的覆寫和容量，如圖 3-45 所示。
相關的部署需求如下。
——所有 RRU 需要和 DU 池通過直接光纖或高速傳輸網絡連接配接，時延要求 一般在微秒量級。
——DU 池支援的小區數目可以達到數十至數百個。
——CU 和 DU 的連接配接一般通過傳輸網絡，時延要求則沒有 RRU 和 DU 的 前傳連接配接嚴格。
用例 3：基于時延差異性的部署優化。
對于語音業務，帶寬和時延要求不高，實時功能 DU 可以部署在站點側， 非實時功能可以部署在中心機房，而對于大帶寬、低延遲時間業務（如視訊或者虛 拟現實），一般需要高速傳輸網絡或者光纖直接連接配接 RRU 和中心機房，并在中 心機房部署緩存伺服器，以降低延遲時間并提升使用者體驗。
下面列舉了兩種可能的部署，并在圖 3-46 給出了相應的部署示意圖。
——高實時、大帶寬的業務（如視訊和虛拟現實業務）：為了保證高效的時 延控制，需要高速傳輸網絡或光纖直連 RRU，資料統一傳輸到中心機房進行處 理，減少中間的流程，同時，DU 和 CU 則可以部署在同一位置，網絡實體則合 而為一。
——低實時語音等一般業務：在這種場景下，帶寬和實時性要求不高，實時功能 DU 可以部署在站點側，多個 DU 通過前傳連接配接到一個 CU，非實時功能 CU 可以部署在中心機房。
2．垂直行業和機器通信需求場景
對于面向垂直行業的機器通信或者大規模機器通信連接配接業務，需要考慮機 器通信的特點：資料量少而且稀疏，數量多，覆寫距離可大可小，實時性要求 不高。在 3GPP 技術文檔 TR22.891 中，對于傳感器類的 MTC 要求一百萬連 接數 / 平方公裡，如此巨大的數目需要設計合理的網絡結構降低成本。
在和 Cloud RAN 的結合中，可以考慮一個具體的用例。
——物聯網的集中化管控：可以讓多個 DU 或者 RRU 連接配接到一個 CU，由 CU 進行區域物聯網的集中管控。由于物聯網業務實時性要求不高，可以将 CU 和核心網進行共平台部署，減少無線網和核心網的信令的互動，減少機房的數 量。在圖 3-47 基于物聯網的無線雲網絡結構中，包括一個 CU 可以控制數量 巨大的多個 DU 和 RRU，同時 CU 也可和核心網共享機房。
3．低延遲時間、高可靠需求場景
對于此類業務，可靠性和實時性是主要的技術需求，容量的需求并不高， 因而面向這一業務，C-RAN 系統需要考慮時延的敏感性和傳輸的可靠性，對 于系統的效率沒有嚴格的要求。是以，針對這種業務，需要考慮的前傳的理想 傳輸以保證時延，同時可以采用多個小區信号的聯合發送和接收以保證信号的 可靠性。典型的業務場景包括自動駕駛、無人機控制、工業 4.0 等，對網絡有 着苛刻的時延要求。
3GPP 技術文檔 TR22.891 有以下相關的技術要求。
——低延遲時間小于 1ms。
——超可靠至少低于誤包率（<10-4）。
——對于高速移動場景如無人機控制，需要保證在飛行速度為 300km/h 時 能提供上行 20Mbit/s 的傳輸速率。
在和 Cloud RAN 的結合中，與其他業務的差異性可以展現在以下用例中。
——基于高實時通信的自動駕駛：将 RAN 的實時處理 DU 和非實時處理功 能單元 CU 部署在更加靠近使用者的位置，并配置相應的伺服器和業務網關，進 而滿足特定的時延和可靠性需求，如圖 3-48 所示。
以上針對不同業務做了單獨的分析，在實際應用中，需要考慮對混合業務 的支援，則需要考慮網絡切片的應用，典型的應用方式有兩種：如圖 3-49 所示， 一種是無線資源靜态共享，由于不同頻道和不同無線傳輸技術的使用，eMBB/ mMTC/uRLLC 可以使用不同的 DU 和 RRU，無須統一集中處理，當然，網絡 接口仍然保持一緻；另一種是無線資源動态共享，這種情況下 DU 的處理也更 複雜，它必須同時支援不同的無線傳輸技術，是以，DU 的功能實體是 3 種業 務共享的。
從總體上看，無線雲網絡 C-RAN 對不同接入技術和不同的業務的混合使 用，具有較好的适應性和相容性，其靈活的網絡架構可以滿足不同業務場景中 具有很大差異的時延、容量、頻譜效率等需求。