面向5G的C-RAN架構(gòu)分析

李曉宇，羅海港，李超杰，王洪慈

（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100079）

0 引 言

5G網(wǎng)絡(luò)多樣化的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求，給無線接入網(wǎng)提出了更嚴(yán)格的要求，包括靈活的無線資源管理需求、空口協(xié)調(diào)和站點(diǎn)協(xié)作需求、功能靈活部署和邊緣計算的需求及增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自動化管理的需求等。但是，目前傳統(tǒng)D-RAN已經(jīng)無法滿足5G多樣化的需求，C-RAN在此驅(qū)動力下應(yīng)運(yùn)而生。

C-RAN是一種基于集中化處理（Centralized）、協(xié)作式無線電（Cooperative Radio）和實(shí)時云計算（Real-time Cloud Infrastructure）的滿足綠色節(jié)能需求的無線接入網(wǎng)架構(gòu)。其基本定義為：基于分布式拉遠(yuǎn)基站，C-RAN將所有或部分的基帶處理資源進(jìn)行集中，形成一個基帶單元池并對其進(jìn)行統(tǒng)一管理和動態(tài)分配，能夠在提升資源利用率、降低能耗的同時，通過對協(xié)作化技術(shù)進(jìn)行有效地支持，從而提升網(wǎng)絡(luò)性能[1]。

相對于傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)，C-RAN提供了一種更為精良且高效的解決方案。C-RAN將傳統(tǒng)RAN中的BBU集中于BBU池（C-RAN中樞）。C-RAN中樞本身可以服務(wù)于蜂窩基站，并替代每個站點(diǎn)中的傳統(tǒng)BBU。這就可以對部分資源池加以利用，減少所需的BBU設(shè)備數(shù)量。此外，集中式RAN為最終實(shí)現(xiàn)云RAN的重大轉(zhuǎn)變鋪平了道路。云RAN中，BBU的處理被虛擬化，而每個虛擬化BBU都能支撐30座甚至更多的基站，可以實(shí)現(xiàn)非常高的資源池利用率。

目前，運(yùn)營商正在積極部署集中式無線接入網(wǎng)，為最終實(shí)現(xiàn)云化無線接入網(wǎng)鋪平道路。

1 C-RAN架構(gòu)演進(jìn)趨勢

運(yùn)營商正計劃建設(shè)支持未來千兆級LTE及5G網(wǎng)絡(luò)，因此必須建設(shè)更密集的網(wǎng)絡(luò)，以滿足高吞吐量、低時延的服務(wù)需求。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集部署，需要每隔幾百英尺部署一個小型蜂窩基站，或者拆分現(xiàn)有的宏基站來提升系統(tǒng)容量等性能。無論是小型基站還是宏基站，C-RAN都是實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)的使能架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)5G奠定了基礎(chǔ)。因此，C-RAN正是現(xiàn)在通信無線網(wǎng)行業(yè)的一大演進(jìn)趨勢。

針對5G高頻段、大帶寬、多天線、海量連接及低時延等不同場景需求，5G C-RAN架構(gòu)通過引入集中和分布單元（CU-DU，Centralized Unit/Distributed Unit）的功能重構(gòu)下一代前傳網(wǎng)絡(luò)接口架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)化[2]。

5G的BBU功能將被重構(gòu)成CU和DU兩個功能實(shí)體，其中CU和DU以處理內(nèi)容的實(shí)時性進(jìn)行區(qū)分，如圖1所示。

圖1 架構(gòu)演進(jìn)圖

其中，CU設(shè)備主要包括非實(shí)時性的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)部署；DU設(shè)備主要包括處理物理層功能和實(shí)時性要求的二層功能。為了節(jié)省RRU和DU之間的傳輸資源，部分物理層功能也可上移至RRU實(shí)現(xiàn)。

2 CU-DU靈活部署

5G主要面向eMBB、mMTC及uRLLC三大業(yè)務(wù)，是一個能夠滿足多樣化需求的網(wǎng)絡(luò)，且不同場景下，對于網(wǎng)絡(luò)的特性要求（網(wǎng)絡(luò)、時延、連接數(shù)及能耗等）也不一致。靈活可配置的CU-DU分離可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)時性按需部署，更好地適應(yīng)不同場景的個性化需求。例如，高清演唱會直播等場景對畫質(zhì)要求較高，屬于eMBB業(yè)務(wù)；而無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等場景對傳輸時延和連接可靠性要求很高，屬于uRLLC場景[3]。

然而傳統(tǒng)的BBU-RRU分布式架構(gòu)并不能針對不同業(yè)務(wù)的差異化需求做出相應(yīng)的調(diào)整。例如，面向uRLLC場景時，由RRU上聯(lián)至BBU再到EPC雖然只經(jīng)過兩跳，但實(shí)際距離往往相隔數(shù)百公里，并途經(jīng)多重匯聚、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，中間還會出現(xiàn)不可預(yù)知的擁塞和抖動，無法滿足低時延的需求。而通過CU-DU分離，將RAN的實(shí)時處理功能由DU承載，并靠近用戶部署，同時配置相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)和MEC服務(wù)器能夠減少中間層級的轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)端到端低時延的目標(biāo)。此外，還可以通過多個DU連接到同一CU的方式，在CU的集中控制和調(diào)度下，多個DU傳送相同的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)公共安全信息的廣播。面向eMBB場景時，尤其是高速移動場景時，多個DU可以共享同一邏輯小區(qū)并由CU集中控制，此時移動錨點(diǎn)處于CU內(nèi)部，UE在多個DU間無需切換，不僅減少了切換失敗的概率，而且減少了信令開銷和復(fù)雜度。如果滿足理想前傳條件，可以通過多個DU聚合部署形成基帶池的方式實(shí)現(xiàn)多小區(qū)CoMP，從而提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量，保證用戶體驗(yàn)。

依據(jù)5G提出的標(biāo)準(zhǔn)，CU、DU和AAU可以采取合設(shè)和分離的形式，因此存在多種網(wǎng)絡(luò)部署形態(tài)，如圖2所示。

其中，形式1表示與傳統(tǒng)4G宏基站一致，CU和DU共硬件部署，構(gòu)成BBU單元；形式2表示DU部署在4G BBU基站接入機(jī)房，CU集中部署在綜合接入機(jī)房；形式3表示DU集中部署綜合接入機(jī)房，CU集中部署在更高層次的匯聚機(jī)房；形式4表示CU與DU共站集中部署在綜合接入機(jī)房，類似4G C-RAN方式。

這4種部署形式適合于不用的應(yīng)用場景，需要同時綜合考慮業(yè)務(wù)的傳輸需求（帶寬、時延等）、建設(shè)成本投入及維護(hù)難度等進(jìn)行選擇。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)部署形態(tài)

3 C-RAN架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

5G C-RAN是基于CU-DU的兩級協(xié)議架構(gòu)，NGFI的傳輸架構(gòu)及NFV的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，形成了面向5G的靈活部署的兩級網(wǎng)絡(luò)云架構(gòu)，將成為5G及未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的重要方向。5G C-RAN網(wǎng)絡(luò)具有集中化、協(xié)作化、無線云化及綠色節(jié)能四項(xiàng)主要特征，具體優(yōu)勢如下。

對于無線性能方面，（1）BBU集中化能夠極大縮短BBU之間的延遲，保證了小區(qū)的邊緣吞吐率；（2）RRU到用戶之間的距離大幅縮短了，從而大大降低了發(fā)射功率，延長了用戶終端電池壽命，降低了無線接入網(wǎng)的功耗；（3）BBU池化后，可以統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，資源調(diào)配更加靈活，能夠最優(yōu)化資源利用；（4）C-RAN下，所有實(shí)體基站變成了虛擬基站，所有的虛擬基站在BBU基帶池中共享用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、信道質(zhì)量等信息，能夠強(qiáng)化站點(diǎn)間的協(xié)作關(guān)系，實(shí)現(xiàn)資源的聯(lián)合調(diào)度，小區(qū)間干擾轉(zhuǎn)變成小區(qū)間協(xié)作（CoMP），極大地提高了頻譜利用率，提升了用戶感知[4]。

對于成本方面，（1）BBU集中化部署大幅降低了機(jī)房數(shù)量、站址配套及站址租賃等費(fèi)用，節(jié)省了建設(shè)和運(yùn)營成本；（2）無線側(cè)管理趨于統(tǒng)一，削減了擴(kuò)容和升級成本。

4 結(jié) 論

C-RAN架構(gòu)既可以大幅提升網(wǎng)絡(luò)性能，又能夠極大地降低成本，受到運(yùn)營商的高度重視，是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的必然趨勢。本文詳細(xì)分析了C-RAN的背景和演進(jìn)趨勢、CU-DU部署形態(tài)、C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢及給運(yùn)營商帶來的效益，以期為相關(guān)行業(yè)人員提供參考。