无线接入网架构 | 带你读《5G时代的承载网》之十二-阿里云开发者社区

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无线接入网架构 | 带你读《5G时代的承载网》之十二

简介: 无线接入网最主要的构成部分是基站系统。从无线网络功能的角度看, 基站系统包括射频和基带功能,而后者又由物理层、第二层(MAC、RLC、 PDCP 等子层)以及第三层(如 RRC)等协议功能层构成。从接入网架构角度看, 3G 系统中接入网逻辑节点由 NodeB 和 RNC 组成,4G 逻辑架构设计更加扁平 化,仅包含 eNodeB(BBU+ RRU)节点。

第 3 章 5G 网络架构

| 3.2 5G 逻辑架构的重构 |

| 3.3 无线接入网架构 |

3.3.1 CU-DU 架构演进和功能划分

就占据网络主体的接入网而言,5G 接入网设计必须考虑满足 5G 关键性能 指标需求、网络商业运营能力和具备持续演进能力这 3 个方面的因素。正是基 于这样的考虑,5G 接入网架构设计的焦点在于通过增强基站间的协作控制、优 化业务数据分发管理、支持多网融合与多连接、支撑灵活动态的网络功能和拓 扑分布,以及促进网络能力开放等几个方面,来提升网络灵活性、数据转发性 以及用户体验和促进业务的有效结合。
无线接入网最主要的构成部分是基站系统。从无线网络功能的角度看, 基站系统包括射频和基带功能,而后者又由物理层、第二层(MAC、RLC、 PDCP 等子层)以及第三层(如 RRC)等协议功能层构成。从接入网架构角度看, 3G 系统中接入网逻辑节点由 NodeB 和 RNC 组成,4G 逻辑架构设计更加扁平 化,仅包含 eNodeB(BBU+ RRU)节点。
而 5G 接入网架构在设计之初,相对于 4G 接入网而言,有以下几个典型的需求:
(1)接入网支持分布式单元(DU,Distributed Unit)和集中单元(CU, Central Unit)功能划分,且支持协议栈功能在 CU 和 DU 之间迁移;
(2)支持控制面和用户面分离;
(3)接入网内部接口需要开放,能够支持异厂商间互操作;
(4)支持终端同时连接至多个收 / 发信机节点(多连接);
(5)支持有效的跨基站间协调调度。
依托 5G 系统对接入网架构的需求,在 5G 接入网逻辑架构中,已经明确将 4G 中的 BBU 切分为 CU 和 DU 两个功能实体。CU 与 DU 功能的切分通过处理内容的实时性进行区分,如图3-12所示。

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CU 设备主要包括非实时的无线高层 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的部署,而 DU 设备主要处理物理层功能和实时性需求 的二层功能。考虑节省 RRU 与 DU 之间 的传输资源,部分物理层功能也可上移 至 RRU 实现。
如 图 3-13 所 示, 对 于 CU-DU 的 功能划分,3GPP 提出了 8 种候选方案, 分别为 Option1 ~ Option8。在各方案 中,CU 和 DU 分别支持不同的协议功能, 以实现灵活的硬件结构。2017 年 4 月, 3GPP 宣布确定 Option2 作为 RAN 内部 CU/DU 高层切分的标准,而关于 RAN 架构的低层切分,则认为其研究工作没 有完成,需要延后进行,趋向于选择 Option6 或 Option7。
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图 3-13 中 5G(a)为高层划分(F1),5G(b)为低层划分(Fx),5G(c) 为级联划分。Option8(CPRI 或 OBSAI 协议)与传统前传类似,无论用户流 量是否存在都需要连续的比特率传输;当使用其他划分选项时(Option1 ~ Option7),则传输的数据量随用户流量而变化。
Option2 已经确定作为高层划分方案,在 PDCP 和 RLC 之间进行切分, 具体可分为 Option2-1 和 Option2-2 两种子方案。二者的区别在于,前者的 RRC 和 PDCP 位于 CU,RLC 及更底层的协议功能位于 DU;后者则在前者的 基础上进一步支持将 CU 划分为 CU-CP(包含 RRC、PDCP 控制面功能)和 CU-UP(包含 PDCP 用户面功能)两个逻辑实体,在必要时,CU-UP 可以下 沉部署,以减少业务时延。Option2 支持 5G NR 和 E-UTRAN 等多制式的接 入和管理,但在 Option2-2 下,必须确保不同 PDCP 实例间的安全性配置。
在 Option 6 中,MAC 和更高层协议功能位于 CU,PHY 和 RF 位于 DU, CU 和 DU 间的接口承载数据、测量、配置和调度相关信息,如 MCS、层映射、 波束赋形、天线配置、资源块分配等,支持集中调度和联合传输,池化增益最 大但 MAC 层和 PHY 层之间需要进行子帧级的定时交互,前传环路的时延可能 影响 HARQ 定时和调度。
Option7 是 PHY 内部分割方案,可细分为多个子方案。在 Option7-1 中,上行方向的 FFT 和 CP 去除功能、下行方向的 IFFT 和 CP 添加功能保 留在 Low-PHY 中,并位于 DU 中,其余功能划分到 High-PHY 并归属 CU。 在 Option7-2 中,Low-PHY 除保留在 Option7-1 中的所述功能外,还保留 资源的映射和去映射以及预编码功能。Option7-3 仅用于下行,只有编解码 功能位于 CU 中,PHY 层的其他功能才均位于 DU 中。Option7 的显著特点 在于可使用压缩技术来降低 CU 和 DU 间所需的前传带宽需求,但对时延非常 敏感。
在 Option8 中,CU 负责所有基带处理工作,DU 负责完成射频功能,这 实际上类似于现有的 BBU-RRU 的功能划分。这种切分方式能够实现所有 协议栈层的集中处理,使网络本身具有高度协调功能,进而能够有效地支持 CoMP、负载均衡以及移动性等功能。其缺点是对于前传的带宽和时延要求非 常高。
总的来讲,Option1~Option8对应的CU功能逐渐增强,DU功能逐渐减弱。 相应地,CU-DU 接口的前传带宽需求逐步增大,CoMP 效果逐步增强,对传 输时延的要求也越来越严格。
灵活、可配置的 CU-DU 分离可以实现网络资源的实时按需配置,更好地 适应不同场景的个性化需求。

3.3.2 CU-DU 的设备实现方案

在 3.3.1 节定义中,DU 实现射频处理功能和 RLC(无线链路控制)、MAC (媒质接入控制)以及 PHY(物理层)等基带处理功能,是广义的概念;狭义上, 基于实际设备实现,DU 仅负责基带处理功能,RRU/AAU(远端射频单元)负 责射频处理功能,DU 和 RRU/AAU 之间通过 CPR(I Common Public Radio Interface)或 eCPRI 接口相连。在后文中,为了和具体设备及网络部署策略对 应,DU 采用狭义定义。
无线网 CU-DU 架构的优点在于能够获得小区间协作增益,实现集中负载 管理;高效实现密集组网下的集中控制,比如多连接、密集切换;获得池化增益, 引入 NFV/SDN,满足运营商某些 5G 场景的部署需求。需要注意的是,在设 备实现上,CU 和 DU 可以灵活选择,即二者可以是分离的设备,通过 F1 接口 通信;或者 CU 和 DU 也完全可以集成在同一个物理设备中,此时 F1 接口就变 成了设备内部接口,如图 3-14 所示。CU 之间通过 Xn 接口进行通信。
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CU/DU 合设方案类似 4G 中的 BBU 设备,在单一物理实体中同时实现 CU 和 DU 的逻辑功能,并基于电信专用架构采用 ASIC 等专用芯片实现。考虑到 4G BBU 多采用主控传输板 + 基带处理板组合的方式,类似地,5G BBU 也可 沿用 CU 板 +DU 板的架构方式,以同样保证后续扩容和新功能引入的灵活性。 CU 板和 DU 板的逻辑功能划分可以遵循 3GPP 标准划分,即 CU 板和 DU 板之 间的逻辑接口是 F1 接口。但是,考虑到此类合设设备中,F1 接口是 BBU 内 部接口,CU 板和 DU 板的逻辑功能划分也可采用非标准实现方案。这种 CU/DU 合设设备(即 5G BBU 设备)的优点和 4G BBU 类似,可靠性较高、体积 较小、功耗较小,且环境适配性较好,对机房配套条件要求较低。
CU/DU 分离方案则存在两种类型的物理设备:独立的 DU 设备和独立的 CU 设备。按照 3GPP 的标准架构,DU 负责完成 RLC/MAC/PHY 等实时性要 求较高的协议栈处理功能,而 CU 负责完成 PDCP/RRC/SDAP 等实时性要求 较低的协议栈处理功能,因此,有如下考虑。
(1)对于 DU 设备,由于 DU 的高实时性要求,且 5G NR 中由于大规 模 MIMO 技术(如 64T64R)和大带宽(如 100MHz 载波带宽)的引入,吞 吐量相比 4G 有数十倍到百倍量级的提升,且物理层涉及大量并行的密集型 复数矩阵运算以及百吉比特每秒级别的高速数据交换,使信号处理复杂度相 比 4G 也有高达百倍量级的提升,因此,考虑到专用芯片采用了特定设计的 专用加速器,其芯片面积、功耗和处理能力都显著优于通用芯片,DU 一般采 用电信专用架构实现,主处理芯片采用集成硬件加速器的专用芯片,以满足 5G 层一和层二的高处理能力要求和实时性要求。此外,专用架构对所部署机 房的配套条件也具有良好的环境适应性。另外,考虑到设备型号需要尽可能 少,以降低硬件开发成本及提高设备出货量,建议独立的 DU 设备和 CU/DU 合设方案中的 BBU 设备采用同一款硬件和板卡,具体地,可有如下两种方 案:保持 BBU 中板卡不变,移除 CU 相关的软件功能,仅支持 DU 相关的软 件功能;或者去掉 BBU 中的 CU 板,仅保留 DU 板并仅支持 DU 相关的软件 功能。
(2)对于 CU 设备,CU 对实时性要求相对较低,因此,可基于通用架构 实现,使用 CPU 等通用芯片。当然,也可沿用传统的专用架构实现。两种架 构各有优劣:通用架构扩展性更好,更易于虚拟化和软硬解耦,便于池化部署、 动态扩容和备份容灾,后续也可基于同样的虚拟化硬件平台,扩展支持多接入 边缘计算(MEC,Multi-access Edge Computing)以及 NGC 等需要下沉的 相关功能。然而,由于其是通用架构,对机房环境的要求较高,长期可靠工作 时温度须保持在 5℃~ 40℃,尺寸和功耗较大,如单机柜深度一般在 1m 左右, 且须预留数千瓦的供电能力。而 CU 基于电信级专用架构实现,对部署机房的 环境要求则相对较低,但后续扩展性较差。
综上所述,5G CU-DU 架构将会存在两种设备形态:BBU 设备和独立 CU 设备。其中,BBU 设备一般基于专用芯片采用专用架构实现,可用于 CU/DU 合设方案,同时完成 CU 和 DU 所有的逻辑功能,或在 CU/DU 分离方案中用 作 DU,负责完成 DU 的逻辑功能;独立 CU 设备可基于通用架构或专用架构实 现,只用于 CU/DU 分离方案,负责完成 CU 的逻辑功能。

3.3.3 5G RAN 的部署方案

5G RAN网络主要由3个网元组成,分别是AAU、DU、CU,如图3-15所示。
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(1) DU 以星形方式连接多个 AAU(称为“前传”),AAU 间没有直接连 接需求,AAU 和 DU 之间采用 eCPRI 接口。
(2) CU 以星形方式连接多个 DU(称为“中传”),DU 间没有直接连接需求, DU 和 CU 间采用以太网接口。
(3)基站间的切换等功能通过 CU 间的 Xn 接口实现。
5G 网络 RAN 的部署方式主要有 3 种,如图 3-16 所示。
(1)分布式部署:AAU、DU 和 CU 部署在相同的站点,前传和中传都属 于站内连接。
(2) DU/CU 集中部署:AAU 与 DU/CU 部署在不同的站点,DU/CU 集 中部署在同一站点,前传属于站间连接,中传属于站内连接。
(3) DU 和 CU 分别集中部署:AAU、DU、CU 均在不同的站点,前传、中传都属于站间连接。
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DU 的部署位置与现有的 4G BBU 类似,一般部署在接入机房(即站址机 房和 4G BBU 共机房),近天面部署。这样做的一个好处为:5G 由于天线数增 多、带宽增大,BBU 和 RRU 之间的 CPRI 带宽在百吉比特每秒量级,如 BBU 和 RRU 之间距离较近,如在数百米以内,则可使用短距高速光模块,以降低部 署成本。此外,和 4G BBU 共站址机房的另一个好处是便于后续 4G/5G BBU 融合及 4G/5G 协同技术的引入。
传送网可分为三级架构:接入层、汇聚层和核心层,相应地,CU 部署位置 也有 4 种:接入机房、汇聚机房、骨干汇聚机房和核心机房,如图 3-17 所示。
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不同部署位置特点如下。
(1)接入机房:与现有的 4G BBU 部署位置类似,建议使用 CU/DU 合设方案(即使用 5G BBU 设备),CU 管理和其同框的 DU 通过机框背板通信,时 延基本可忽略。
(2)汇聚机房:CU 所辖区域面积适中,如小于 40km 左右,CU 管理数十 个到上百个 DU,CU 与 DU 间通过传送网进行数据交互,时延大约在数百微秒 量级。
(3)骨干汇聚机房:CU 所辖区域为地县级,如小于 100km 左右,CU 管 理数百个 DU,CU 与 DU 间通过传送网进行数据交互,大部分时延能控制在 3ms 以内。
(4)核心机房:CU 省级集中,需管理数千个 DU,CU 与 DU 间通过传送 网进行数据交互,但时延较大,恶劣时能达到 10ms 量级。
实际上,CU 的部署位置主要考虑两方面的因素:对无线性能的影响及部署 的工程可行性和性价比。
对无线性能的影响。
(1)对于 eMBB 业务(增强移动宽带业务),为了保证 5G 的无线性能和时 延要求,CU 与 DU 间的单向时延最好控制在 3ms 以内,因此,比较上述 4 种 CU 的位置,当 CU 部署在核心机房时,不能满足时延要求,而 CU 部署在接入 机房、汇聚机房和骨干汇聚机房是能满足时延要求的。
(2)对于时延极其敏感的 uLRRC 业务(低时延高可靠业务),如空口数据 面时延需要控制在 0.5ms 以内时,CU 只能部署在接入机房才能满足时延要求。
对部署施工和性价比的影响。
(1)由于核心机房条件非常好,且 5G 核心网设备多会采用虚拟化架构, 因此,CU 部署在核心机房便于 CU 虚拟化和池化,部署最为便利且性价比高。
(2)对骨干汇聚机房和普通汇聚机房,由于 CU 虚拟化后对机房条件要求 较高,如面积、供电和环境温度等,CU 部署在骨干汇聚机房时施工难度较小, 且池化规模较大。此外,由于 CU 和 DU 间需要数据路由,传送网的三层的功 能需要和 CU 部署在同一位置级别,因此,CU 部署在骨干汇聚机房时,对传送网 的压力也较小。而部署在普通汇聚机房时,施工难度和传送网改造难度相对较大。
(3)当 CU 部署在接入机房时,由于此时采用一般 CU 和 DU 合设的 BBU 设备,对机房的环境适配性较好,因此,部署难度与 4G 部署 BBU 相同,对机 房条件无额外要求。
综上所述,当对业务时延要求较高时,可考虑将 CU 部署在接入机房,采 用合设设备,对时延要求满足较好,且部署难度很低;而当对业务时延要求较 低时,可考虑接入机房或骨干汇聚机房,在这两个位置部署,能满足时延和性 能要求,且更具实际的工程可行性。
讲到这里,无线接入已经有了传输承载的需求,我们将在第 4 章紧扣这个 话题,从承载网的角度来定义 5G 无线接入网所需要匹配的承载网。

查看下一节:| 3.4 核心网架构 |

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