面向5G的基站軟件架構

摘 要：在無線業務寬帶化及多樣化發展的驅動下，移動通信網絡經歷了從2G、3G、4G到5G的發展歷程，5G網絡提供的主要特殊業務包括移動寬帶增強、大連接的機器類型通信和低時延高可靠通信，因此對網絡的容量、性能、可靠性的要求高。基站作為無線側的核心設備，其軟件架構也在隨著移動通信網絡技術的發展不斷演進，5G基站軟件架構從4G架構到5G架構平滑演進的考慮至關重要。

關鍵詞：基站軟件架構；集中單元；分布單元

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2018）05-0056-03

Station Software Architecture for 5G

HUANG Yong

（Comba Telecom Technology（Guangzhou）Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

Abstract：Driven by the broadband development and diversification of wireless services，the mobile communication network has experienced the development from 2G，3G，4G to 5G. The main specialties of the 5G network providing services include enhanced Mobile Broadband（eMBB），massive Machine Type Communications（mMTC），Ultra-Reliable and Low Latency Communications（URLLC）. Therefore，the requirements for network capacity，performance，and reliability are high. The base station is a wireless-side core device，and its software architecture is also evolving with the development of mobile communication network technology. It is very important that the 5G base station software architecture consider the smooth evolution of the 4G architecture to the 5G architecture.

Keywords：base station software architecture；centralized unit；distribute Unit

1 5G系統演進方案

5G作為下一代通信技術標準，需要考慮與現有無線通信系統（如LTE系統等）的共存與融合，通過4G平滑過度到5G，3GPP對5G架構的選擇和演進的標準（5G架構選項）共列舉了Option 1、Option 2、Option 3/3a/3x、Option 4/4a、Option 5、Option 6、Option 7/7a、Option 8/8a多種可能。

本文架構重點從運營商關注的Option 3/3a/3x及Option 2的演進來進行基站架構設計。Option 2及Option 3x的邏輯示意圖如圖1所示。

方案二（Option 2）是5G系統獨立部署方式，5G基站（定義為gNR）連接到5G核心網（定義為NGC）。該方案運營商投入大，需要完全獨立建設5G基站及核網。方案三（Option 3x）沒有在第一步引入NGC，由LTE基站作為與核心網控制面連接的錨點，全部控制面信令通過LTE基站下發，用戶面數據可以通過LTE核心網直接發送給5G基站，目的是盡快部署5GNR基站，通過現有4G核心網來達到數據傳輸目的，該方案可以減少運營商的前期投入，通過4G平滑過度到5G。

2 5G基站業務用例

由圖1方案二（Option 2）及方案三（Option 3x）的邏輯圖可知，5G基站架構不僅要考慮直接與5G核心網連接部署，同時還要考慮與4G基站的雙連接部署，因此將5G基站架構的業務用例抽象如圖2所示。

5G基站系統的外部參與包括AAU（射頻處理）、eNB或NR（與4/5G雙連接、切換、載波聚合等）、5GC或EPC（雙載波及5G相關業務），各主要業務用戶描述如下：

（1）廣播系統信息：主要負責5G基站系統的廣播系統信息管理；

（2）移動性管理：主要負責5G基站系統的移動性管理，包括與4/5G基站的切換、重選、測量控制管理等；

（3）傳輸UE數據：包括UE接入數據傳輸的過程管理，保證數據的有效、快速及可靠傳輸；

（4）尋呼終端：對終端進行尋呼管理，包括尋呼壓縮和尋呼時刻計算等；

（5）雙連接：實現與4G基站的雙連接管理和數據傳輸等；

（6）載波聚合管理：實現與4G/5G基站的載波聚合管理；

（7）基站管理：5G基站參數管理、網絡及空口鏈路管理等。

3 5G基站邏輯視圖

由于5G基站系統可根據不同場景進行分布或合設部署，在分布情況下，將5G基站分為CU和DU，其中CU通過虛擬化NFV技術統一部署，DU部署在遠端，一個CU可以連接多個DU。CU設備主要包括非實時的無線高層協議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉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需求的L2功能。在合設情況下，CU與DU部署在同一個集中點，以獲得最大的協作化增益，若前傳網絡為非理想傳輸（即傳輸網絡帶寬和時延有限時），CU與DU可以集中協議棧低實時性的功能，并采用集中部署的方式，5G基站（gNB）的劃分如圖3所示。

圖3 5G基站邏輯劃分

為了滿足5G基站系統DU與CU的分設或合設，本方案的5G基站系統的邏輯視圖設計如圖4所示。

圖4 5G基站邏輯視圖

5G基站邏輯視圖中，L3包括RRM、RRC、S1AP、SCTP、X2AP、SON、XnAP、NgAP、CELL及UE管理等功能；OAM包括日志管理、性能管理、故障管理、參數管理及狀態管理；CU-L2包括GTP-U、SDAP、PDCP；DU-L2包括RLC、DMAC、CMAC；PHY包括L1協議棧。

4 5G基站系統部署

5G的RAN網絡將從4G/LTE網絡的BBU（Baseband Unit，基帶單元）、RRU兩級結構將演進到CU、DU和AAU三級結構。原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU（Centralized Unit，集中單元，包括OAM、L3、CU-L2及MEC），負責處理非實時協議和服務；BBU的部分物理層處理功能將與原RRU合并為AAU（Active Antenna Unit，有源天線處理單元）；BBU的剩余功能重新定義為DU（Distribute Unit，分布單元，包括L1、DU-L2），負責處理物理層協議和實時服務。5G基站系統的部署分兩種架構，一是CU與DU合設架構，CU和DU的邏輯功能整合在同一個設備中，即這個gNB實現協議棧的全部功能；另一種是CU與DU分離架構，CU集中部署，云化部署，一個CU可以連接多個DU，如圖5所示。

對于CU和DU分開部署的方式，相應的承載網也分成三部分，AAU和DU之間是前傳（Fronthaul），DU和CU之間是中傳（Middlehaul），CU以上是回傳（Backhaul）。CU和DU合設的方式稱為gNB，其承載網的結構和與4G類似，僅包括前傳和回傳兩個部分。

5 結 論

本文考慮從4G平滑過度到5G及最終5G獨立部署來設計軟件架構，將5G基站系統按CU、DU邏輯獨立來進行系統方案設計，并從業務用例、邏輯視圖及系統部署來進行詳細描述，滿足不同場景部署需求，系統可擴展性好，易于移植，滿足5G基站系統設計要求。

參考文獻：

[1] 黃金日，段然.“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰”技術白皮書 [R].北京：中國移動研究院，2016.

[2] 中國電信.5G時代光傳送網技術白皮書 [R].中國電信CTNet2025網絡重構開放實驗室，2017.

作者簡介：黃勇（1984-），男，漢族，貴州遵義人，通信協議軟件二級高級工程師，通信技術工程師，中級職稱，碩士。研究方向：3G/4G/5G移動通信基站軟件。