C-RAN——无线接入网架构优化 | 带你读《5G时代的承载网》之十八-阿里云开发者社区

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C-RAN——无线接入网架构优化 | 带你读《5G时代的承载网》之十八

简介: C-RAN 是根据现网条件和技术进步的趋势,提出的新型无线接入网构架, 是基于集中化处理(Centralized Processing)、协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接 入网构架(Clean System)。其本质是通过实现减少基站机房数量,减少能耗, 采用协作化、虚拟化技术,实现资源共享和动态调度,提高频谱效率,以达到 低成本、高带宽和灵活度的运营。

第 3 章 5G 网络架构

| 3.6 5G 网络重构关键技术 |

3.6.4 网络切片——灵活自适应的网络形态

3.6.5 C-RAN——无线接入网架构优化

C-RAN 是根据现网条件和技术进步的趋势,提出的新型无线接入网构架, 是基于集中化处理(Centralized Processing)、协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接 入网构架(Clean System)。其本质是通过实现减少基站机房数量,减少能耗, 采用协作化、虚拟化技术,实现资源共享和动态调度,提高频谱效率,以达到 低成本、高带宽和灵活度的运营。C-RAN 的总目标是为解决移动互联网快速 发展给运营商所带来的多方面挑战(能耗、建设和运维成本、频谱资源),追求 未来可持续的业务和利润增长。
1G 和 2G 时代,基站是一体化的,每个基站自成体系,基站及配套设施全 部位于机房内,基站通过馈线与铁塔上的天线相连;到 3G 时代,将传统一体 化基站分为两部分,即 RRU 和 BBU。RRU 位于室外,BBU 位于室内,RRU 与 BBU 之间通过光纤连接,每个 BBU 可以带多个(3 ~ 4 个)RRU,这种方 式即为 D-RAN(分布式无线接入网)。
C-RAN 是对分布式基站的进一步演进,最早由中国移动于 2009 年提出, 其基本定义是: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,形成一个基带资源池并对其进行统一管理与动态分配,在提升资源 利用率、降低能耗的同时,通过对协作化技术的有效支持而提升网络性能。通 过近些年的研究,C-RAN 的概念也在不断演进,尤其是针对 5G 高频段、大带宽、多天线、海量连接和低时延等需求,通过引入集中和分布单元 CU/DU 的 功能重构及下一代前传网络接口 NGFI 前传架构,来实现无线接入网架构的优 化。RAN 的演进示意如图 3-42 所示。
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如 3.6.4 节所述,5G 的 BBU 功能将被重构为 CU 和 DU 两个功能实体, 以处理内容的实时性进行区分。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/AAU 与 DU 之间的 传输资源,部分物理层功能也可上移至 RRU/AAU 实现。在具体的实现方案上, CU 设备采用通用平台实现,这样不仅可支持无线网功能,还具备了支持核心 网功能和边缘应用的能力;DU 设备可采用专用设备平台或通用 + 专用混合平 台实现,支持高密度数学运算能力。引入网络功能虚拟化框架后,在 MANO 的 统一管理和编排下,配合网络 SDN 控制器和穿通的操作维护中心 OMC 功能组 件,可实现包括 CU/DU 在内的端到端灵活资源编排能力和配置能力,满足运 营商快速按需的业务部署需求。
为解决 CU/DU/RRU 间的传输问题,运营商可引入 NGFI 架构,如图 3-43 所示,CU 通过交换网络连接远端的分布功能单元,这一架构的技术特点 是,可依据场景需求灵活部署功能单元:传送网资源充足时,可集中化部署 DU 功能单元,实现物理层协作化技术,而在传送网资源不足时也可以分布式部署 DU 处理单元。而 CU 功能的存在,实现了原属 BBU 的部分功能的集中,既兼 容了完全的集中化部署,又支持分布式的 DU 部署,可在最大化保证协作化能 力的同时,兼容不同的传送网能力。
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5G C-RAN 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构架,将成为 5G 及未来网络 架构演进的重要方向。与传统的 4G C-RAN 无线网络相比,5G C-RAN 网络 依然具有集中化、协作化、云化和绿色四大特征,只是具体内涵有一些演进。
集中部署。传统 4G C-RAN 集中化是一定数量的 BBU 被集中放置在一个 大的中心机房;随着 CU/DU 和 NGFI 的引入,5G C-RAN 逐渐演变为逻辑上 两级集中的概念,第一级集中沿用 BBU 放置的概念,实现物理层处理的集中, 这对降低站址选取难度、减少机房数量、共享配套设备等具有显而易见的优势, 可选择合适的应用场景,有选择地进行小规模集中(比如百载波量级);第二级 集中是引入 CU/DU 后无线高层协议栈功能的集中,将原有的 eNodeB 功能进 行切分,部分无线高层协议栈功能被集中部署。
协作能力。对应于两级集中的概念,第一级集中是小规模的物理层集中, 可引入 CoMP、D-MIMO 等物理层技术实现多小区 / 多数据发送点间的联合发 送和联合接收,提升小区边缘频谱效率和小区的平均吞吐量;第二级集中是大 规模的无线高层协议栈功能的集中,可借此作为无线业务的控制面和用户面锚 点,未来引入 5G 空口后,可实现多连接、无缝移动性管理、频谱资源高效协 调等协作化能力。
无线云化。云化的核心思想是功能抽象,实现资源与应用的解耦。无线云 化有两层含义:一方面,全部处理资源可属于一个完整的逻辑资源池,资源分 配不再像传统网络在单独的基站内部进行,基于 NFV 架构,资源分配是在“池” 的层面上进行,可以最大限度地获得处理资源的复用共享(如潮汐效应),降低 系统的成本,并带来功能的灵活部署优势,从而实现业务到无线端到端的功能 灵活分布,可将移动边缘计算视为无线云化带来的灵活部署方式的应用场景之 一;另一方面,空口的无线资源也可以抽象为一类资源,实现无线资源与无线 空口技术的解耦,支持灵活无线网络能力调整,满足特定客户的定制化要求(如 为集团客户配置专有无线资源实现特定区域的覆盖)。因此,在 C-RAN 网络中, 系统可以根据实际业务负载、用户分布、业务需求等实际情况动态实时调整处 理资源和空口资源,实现按需的无线网络能力,提高新业务的快速部署能力。
绿色节能。利用集中化、协作化、无线云化等能力,减少运营商对无线机 房的依赖,降低配套设备和机房建设的成本和整体综合能耗,也实现了按需的 无线覆盖调整和处理资源调整,在优化无线资源利用率的条件下提升了全系统 的整体效能比。
未来无线网络需要提供多种业务服务,根据 3GPP 定义可以分为三大类: 增强的移动宽带业务、面向垂直行业的大规模机器通信业务、低时延高可靠业 务。不同的业务对于网络架构的需求有所差异,主要体现在时延、前传和回传 的传输能力、业务数据处理的容量等方面。因此,对无线云网络 C-RAN 的系 统设计也会提出不同的要求。
1.增强的移动宽带业务场景
对于移动宽带业务,无线网络需要考虑两个基本能力要求:一个是覆盖, 另一个是容量。对于语音业务,对业务的带宽和时延要求不高,而对于交互式 视频或者虚拟现实业务,则需要保证大带宽和低时延。在增强移动宽带(eMBB) 网络中,数据的传输容量也有大幅度提高,比如支持几十或数百吉比特每秒的 传输速率;在实时性方面需要考虑几毫秒量级的时延需求。
对于具体的业务指标,3GPP 的技术文档 TR22.891[2]和 TR38.913[3]有 相关的描述:
——对于慢速移动用户,用户的体验速率要达到 1Gbit/s 量级;
——对于高速移动或者信噪比比较恶劣的场景,用户的体验速率至少要达 到 100Mbit/s;
——业务密度最高可达 Tbit/(s⋅km2)量级;
——对于高速移动用户,最高需要支持 500km/h 的移动速率;
——用户平面的延时需要控制在 4ms 量级。
因此,作为一种通用的网络结构,无线云网络需要考虑 CU 和 DU 的分离。
根据实际网络的部署,下面列举 C-RAN 网络对于支持 eMBB 业务的典型 用例。
用例 1:基于多连接的部署用于网络容量和覆盖的提升。
为了有利于支持 eMBB 业务的覆盖和容量需求,双连接或者多连接是一种 有效的网络部署和技术实现手段。在多连接场景下,不同的连接可能对应不同 的接入技术和频段,一个连接负责覆盖,一个连接负责容量提升,实现覆盖和 数据的理想结合,比如,站间载波聚合的应用。由于 CU 和 DU 分离,两个连 接的 DU 可以独立处理物理层信息,这样可以节省前传接口的传输开销,同时 一个 CU 可以处理两个连接的非实时信息,如图 3-44 所示。
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典型的部署场景如下。
——一个宏站覆盖一个宏小区,一个微站覆盖一个微小区,一个宏站可以 连接一个或多个微站。宏微小区可以同频或者异频。
——对于宏站,DU 和 RRU 通常分离,但对于微站,DU 和 RRU 可以分 离也可以集成在一起。
——对于宏站,CU、DU 可以部署在一起;对于微站,CU 和 DU 的连 接一般需要专门的前传连接,根据具体的技术应用对前传的时延有不同的需 求,如果无线承载需要合并,则时延要求一般小于 5ms,否则需求可以被放宽 一些。
用例 2:基于基站协同管理的服务与小区间干扰协调和高密度业务的需求。
当业务的容量需求变高,在密集部署情况下,基于理想前传条件,多个 DU 可以聚合部署,形成基带池,优化基站资源池的利用率,并且可以利用多个小 区的协作传输和协作处理以提高网络的覆盖和容量,如图 3-45 所示。
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相关的部署需求如下。
——所有 RRU 需要和 DU 池通过直接光纤或高速传输网络连接,时延要求 一般在微秒量级。
——DU 池支持的小区数目可以达到数十至数百个。
——CU 和 DU 的连接一般通过传输网络,时延要求则没有 RRU 和 DU 的 前传连接严格。
用例 3:基于时延差异性的部署优化。
对于语音业务,带宽和时延要求不高,实时功能 DU 可以部署在站点侧, 非实时功能可以部署在中心机房,而对于大带宽、低时延业务(如视频或者虚 拟现实),一般需要高速传输网络或者光纤直接连接 RRU 和中心机房,并在中 心机房部署缓存服务器,以降低时延并提升用户体验。
下面列举了两种可能的部署,并在图 3-46 给出了相应的部署示意图。
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——高实时、大带宽的业务(如视频和虚拟现实业务):为了保证高效的时 延控制,需要高速传输网络或光纤直连 RRU,数据统一传输到中心机房进行处 理,减少中间的流程,同时,DU 和 CU 则可以部署在同一位置,网络实体则合 而为一。
——低实时语音等一般业务:在这种场景下,带宽和实时性要求不高,实时功能 DU 可以部署在站点侧,多个 DU 通过前传连接到一个 CU,非实时功能 CU 可以部署在中心机房。
2.垂直行业和机器通信需求场景
对于面向垂直行业的机器通信或者大规模机器通信连接业务,需要考虑机 器通信的特点:数据量少而且稀疏,数量多,覆盖距离可大可小,实时性要求 不高。在 3GPP 技术文档 TR22.891 中,对于传感器类的 MTC 要求一百万连 接数 / 平方公里,如此巨大的数目需要设计合理的网络结构降低成本。
在和 Cloud RAN 的结合中,可以考虑一个具体的用例。
——物联网的集中化管控:可以让多个 DU 或者 RRU 连接到一个 CU,由 CU 进行区域物联网的集中管控。由于物联网业务实时性要求不高,可以将 CU 和核心网进行共平台部署,减少无线网和核心网的信令的交互,减少机房的数 量。在图 3-47 基于物联网的无线云网络结构中,包括一个 CU 可以控制数量 巨大的多个 DU 和 RRU,同时 CU 也可和核心网共享机房。
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3.低时延、高可靠需求场景
对于此类业务,可靠性和实时性是主要的技术需求,容量的需求并不高, 因而面向这一业务,C-RAN 系统需要考虑时延的敏感性和传输的可靠性,对 于系统的效率没有严格的要求。因此,针对这种业务,需要考虑的前传的理想 传输以保证时延,同时可以采用多个小区信号的联合发送和接收以保证信号的 可靠性。典型的业务场景包括自动驾驶、无人机控制、工业 4.0 等,对网络有 着苛刻的时延要求。
3GPP 技术文档 TR22.891 有以下相关的技术要求。
——低时延小于 1ms。
——超可靠至少低于误包率(<10-4)。
——对于高速移动场景如无人机控制,需要保证在飞行速度为 300km/h 时 能提供上行 20Mbit/s 的传输速率。
在和 Cloud RAN 的结合中,与其他业务的差异性可以体现在以下用例中。
——基于高实时通信的自动驾驶:将 RAN 的实时处理 DU 和非实时处理功 能单元 CU 部署在更加靠近用户的位置,并配置相应的服务器和业务网关,进 而满足特定的时延和可靠性需求,如图 3-48 所示。
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以上针对不同业务做了单独的分析,在实际应用中,需要考虑对混合业务 的支持,则需要考虑网络切片的应用,典型的应用方式有两种:如图 3-49 所示, 一种是无线资源静态共享,由于不同频道和不同无线传输技术的使用,eMBB/ mMTC/uRLLC 可以使用不同的 DU 和 RRU,无须统一集中处理,当然,网络 接口仍然保持一致;另一种是无线资源动态共享,这种情况下 DU 的处理也更 复杂,它必须同时支持不同的无线传输技术,因此,DU 的功能实体是 3 种业 务共享的。
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从总体上看,无线云网络 C-RAN 对不同接入技术和不同的业务的混合使 用,具有较好的适应性和兼容性,其灵活的网络架构可以满足不同业务场景中 具有很大差异的时延、容量、频谱效率等需求。

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