淺談5G 組網(wǎng)和基站云化*

張 浩

（諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引 言

2019 年6 月，工信部向中國(guó)運(yùn)營(yíng)商發(fā)放了5G商用牌照，標(biāo)志著中國(guó)正式進(jìn)入5G 商用元年。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，根據(jù)自身實(shí)際情況，合理規(guī)劃和部署5G 網(wǎng)絡(luò)將是下一步工作的重點(diǎn)。本文介紹了兩種組網(wǎng)策略，分析對(duì)比幾種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了這兩種組網(wǎng)方式的演進(jìn)策略，并且針對(duì)大規(guī)模商用后5G 基站的云化進(jìn)行了深入探討。

1 5G 組網(wǎng)演進(jìn)策略

在5G 3GPP 協(xié)議中定義了獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)兩大類的組網(wǎng)方式。

1.1 NSA 和SA 的概念

獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）模式包括5G 核心網(wǎng)和5G 基站兩個(gè)部分。5G 基站直接和5G 核心網(wǎng)連接，5G 手機(jī)通過(guò)5G 基站作為錨點(diǎn)接入5G 網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不需要現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的支持。從這種組網(wǎng)方式看，獨(dú)立組網(wǎng)方式是全新的網(wǎng)絡(luò)，5G 核心網(wǎng)和5G 基站都是新加設(shè)備。但是，這種組網(wǎng)方式將給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)?G 高頻的特性決定了網(wǎng)絡(luò)覆蓋面將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4G 網(wǎng)絡(luò)。目前，在世界各個(gè)主要國(guó)家的頻譜使用中，我國(guó)使用6 GB 以下的頻段作為5G 頻段，而美國(guó)由于6 GB 以下的頻譜資源已經(jīng)耗盡，不得不選擇高頻段的頻譜作為5G 頻段。高頻段需要更多基站的部署，但高頻的毫米波技術(shù)又能提供更高的網(wǎng)絡(luò)速度和更低的網(wǎng)絡(luò)延遲。

非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）模式是依靠現(xiàn)有的4G 網(wǎng)絡(luò)將5G 手機(jī)接入到網(wǎng)絡(luò)中。前期階段，5G 手機(jī)通過(guò)4G 基站進(jìn)行控制信令的交互，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)4G 和5G 的雙連接。這種組網(wǎng)方式滿足5G 增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，但是無(wú)法滿足5G eMTC 的業(yè)務(wù)需求。后期演進(jìn)中，手機(jī)通過(guò)5G 基站進(jìn)行控制信令的交互連接到5G 核心網(wǎng)，4G 作為5G 的補(bǔ)充基站，可以滿足5G eMTC 的需求。

從5G 的網(wǎng)絡(luò)部署而言，這兩種組網(wǎng)方式各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。表1 從設(shè)備的成熟度、業(yè)務(wù)支持的場(chǎng)景和部署成本3 個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。SA 相比NSA而言，滿足了5G 網(wǎng)絡(luò)支持的所有業(yè)務(wù)場(chǎng)景，是一種不依賴于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立組網(wǎng)方式，一次到位，后期演進(jìn)成本相對(duì)較低，但前期投入巨大。設(shè)備成熟度較NSA 而言更晚，獨(dú)立組網(wǎng)的設(shè)備從標(biāo)準(zhǔn)制定開始就晚于非獨(dú)立組網(wǎng)。同時(shí)，5G 網(wǎng)絡(luò)初期設(shè)備的不穩(wěn)定性較高，容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各種問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。非獨(dú)立組網(wǎng)模式可依賴現(xiàn)有的4G 網(wǎng)絡(luò)保持連接，用戶端無(wú)明顯感受，有良好的用戶體驗(yàn)[1]。

1.2 非獨(dú)立組網(wǎng)的演進(jìn)策略

非獨(dú)立組網(wǎng)模式根據(jù)演進(jìn)可以分為3 個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)3GPP 協(xié)議Option 3/3a/3x、Option 7/7a/7x和Option 4/4a，如圖1 所示。

表1 5G 獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖1 NSA 組網(wǎng)模式

第一階段（Option 3/3a/3x）：UE 通過(guò)與LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信令交互連接到網(wǎng)絡(luò)中，基站與4G 核心網(wǎng)相連，5G NR 做為L(zhǎng)TE 的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)。在第一階段，5G NR 被正式引入網(wǎng)絡(luò)，提供數(shù)據(jù)的增強(qiáng)業(yè)務(wù)。

第二階段（Option 7/7a/7x）：LTE 升級(jí)為eLTE，eLTE 與5G 核心網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，UE 的控制信令依舊通過(guò)eLTE 與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互聯(lián)通。在第二階段，5GC 將取代EPC 做為5G 網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)，將提供網(wǎng)絡(luò)切片、SBA 以及云原生等技術(shù)服務(wù)。

第三階段（Option 4/4a）：UE 通過(guò)5G NR 連接到網(wǎng)絡(luò)中，eLTE 做為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)存在于系統(tǒng)中。這個(gè)階段是5G 網(wǎng)絡(luò)部署的終極目標(biāo)，在利用5G 網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)性的同時(shí)，充分利用了現(xiàn)有的4G 網(wǎng)絡(luò)，為那些延遲要求不高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供服務(wù)，是4G/5G 網(wǎng)絡(luò)的大融合[2]。

1.3 獨(dú)立組網(wǎng)的演進(jìn)策略

獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)如圖2 所示。Option2 是建設(shè)一張全新的5G 網(wǎng)絡(luò)，包括5GC 和5G NR。從圖2 可以看出，5G 網(wǎng)絡(luò)和4G 網(wǎng)絡(luò)無(wú)任何交互，UE 終端可以自由選擇接入4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)，但完全拋棄4G網(wǎng)絡(luò)是對(duì)現(xiàn)有資源的浪費(fèi)。作為獨(dú)立組網(wǎng)的繼續(xù)演進(jìn)，Option 5 和Option 4 都是運(yùn)營(yíng)商可以將現(xiàn)有4G充分融合的組網(wǎng)方式。在Option4/4a 中，5G NR 作為橋接，實(shí)現(xiàn)了eLTE 與5GC 的連接。在Option 5 中，通過(guò)eLTE 與5GC 連接實(shí)現(xiàn)端到端的服務(wù)。這種組網(wǎng)方式后期會(huì)有一個(gè)弊端，有些特定的高級(jí)功能無(wú)法在eLTE上實(shí)現(xiàn)，對(duì)5GC的兼容性會(huì)有一定的挑戰(zhàn)。

圖2 獨(dú)立組網(wǎng)模式

1.4 獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)的比較

綜上所述，這5 種組網(wǎng)方式基本涵蓋了目前所有主流的組網(wǎng)模式。表2 詳細(xì)對(duì)比了各種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商基于成本和實(shí)際需求考慮，選擇了NSA 的組網(wǎng)模式。這些運(yùn)營(yíng)商主要分布在歐洲和美國(guó)地區(qū)。國(guó)內(nèi)方面，聯(lián)通也趨向于NSA 的組網(wǎng)模式，電信和移動(dòng)則采用SA 的組網(wǎng)模式。SA的組網(wǎng)方式能真正帶動(dòng)5G 整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)信息技術(shù)全面發(fā)展[3]。

表2 獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）各種組網(wǎng)模式比較

2 5G 基站的演進(jìn)

2.1 5G CU-DU 劃分方案

相對(duì)于4G 無(wú)線接入網(wǎng)的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——基帶處理單元（Bandwidth Based Unit，BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU），gNB 宏站采用類似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，eCPRI 接口的引入，使得gNB 由兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)向三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。新的網(wǎng)絡(luò)采用了集中單元（Central Unit，CU）、分布式單元（Distributed Unit，DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）三級(jí)結(jié)構(gòu)。CU 主要負(fù)責(zé)原BBU 上非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了RRC 和PDCP 兩個(gè)協(xié)議實(shí)體。DU 負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了RLC、MAC、High PHY 協(xié)議實(shí)體，剩余的部分由AAU 處理。AAU 實(shí)現(xiàn)了原RRU 以及部分物理層的功能。

采用CU-DU 分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是5G 的基本需求。第一，5G 高吞吐量、低時(shí)延和高密度連接的特性，決定了其需要更大的帶寬來(lái)提高頻譜效率，意味著5G 將采用更高的頻段、更小的小區(qū)覆蓋半徑以及更多的傳輸接收點(diǎn)。為了更好地對(duì)傳輸接受點(diǎn)進(jìn)行管理，在RAN 側(cè)引入集中控制單元，即CU。第二，5G 不同業(yè)務(wù)的功能需求不一樣，靈活的硬件實(shí)現(xiàn)有利于節(jié)約成本。采用CU-DU 分離架構(gòu)可以為多場(chǎng)景下的部署提供更大的靈活性。第三，有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與性能的有效管理，動(dòng)態(tài)地分配網(wǎng)絡(luò)資源。

3GPP 組織提供了8 種CU-DU 分離方式，其中Option 1 到Option 4 被定義為高層劃分方案，Option 5 到Option 8 被定義為底層劃分方案。在3GPP Rel-15 階段確定了Option 2 作為高層劃分方案的最終標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于底層劃分方案，目前受制于硬件能力，還無(wú)法形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，由廠家根據(jù)自身的實(shí)現(xiàn)情況決定。

2.2 5G CU-DU 設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案

CU 和DU 設(shè)備實(shí)現(xiàn)有融合性和分離式兩種方案，如圖3 所示，分別對(duì)應(yīng)Option 2 和Option 3。

圖3 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

融合性方案類似于傳統(tǒng)的4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在BBU 的實(shí)體中采用電信專用架構(gòu)芯片實(shí)現(xiàn)CU/DU的邏輯功能。5G CU 板和DU 板采用類似4G 主控板+基帶板的組合方式部署在機(jī)框中，實(shí)現(xiàn)DU 的有序擴(kuò)容和動(dòng)態(tài)調(diào)整，同樣由CU 板對(duì)DU 板進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)。但是，與4G BBU 不同的是，CU 和DU 之間采用新的F1 接口。融合性方案可以充分利用現(xiàn)有4G 基站的部署經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)維和管理經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)周期短且能滿足多種不同業(yè)務(wù)類型的需求，但在小區(qū)協(xié)作和CU 可擴(kuò)展性上尚存不足。

CU-DU 分離方案將CU 設(shè)備和DU 設(shè)備分別獨(dú)立。CU 設(shè)備因?yàn)閷?duì)實(shí)時(shí)性要求較低，采用通用服務(wù)器進(jìn)行云化，具有池化增益，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和分配，部署在中心機(jī)房，可減少占用面積。而DU 設(shè)備由于5G 對(duì)大數(shù)據(jù)處理的要求，DU 設(shè)備仍然采用專用的通信芯片和加速器，以滿足5G 層對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的處理要求。CU/DU 分離進(jìn)一步改善了eMBB場(chǎng)景下的性能，提高了移動(dòng)性，縮短了信令的時(shí)延，但依然面臨一些問(wèn)題，如DU 設(shè)備專業(yè)性強(qiáng)、難以實(shí)現(xiàn)虛擬化、CU 虛擬化成本過(guò)高、時(shí)延的可靠性低等不足[4]。

因此，網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，需要根據(jù)業(yè)務(wù)特性和具體場(chǎng)景，結(jié)合5G 設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)差異化部署。各個(gè)廠家在實(shí)現(xiàn)5G 設(shè)備時(shí)，現(xiàn)階段應(yīng)盡量采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，方便未來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的不同分層和DU 設(shè)備的虛擬化。

2.3 5G CU-DU 后續(xù)演進(jìn)

5G虛擬化是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)5G發(fā)展的主旋律。合理安排協(xié)議實(shí)體在不同設(shè)備上（CU/DU/AAU）的實(shí)現(xiàn)，是5G 虛擬化重點(diǎn)考慮的方向。

2.3.1 CU 的分離

CU 設(shè)備根據(jù)控制面和數(shù)據(jù)面進(jìn)一步劃分為兩個(gè)單元模塊——CU-CP 和CU-UP。數(shù)據(jù)面集中在PDCP 層，主要處理數(shù)據(jù)加密解密、完整性保護(hù)等?？刂泼婕性赗RC 層，負(fù)責(zé)無(wú)線資源管理和分配、UE 的接入和信道管理。CP 和UP 的切割有利于虛擬機(jī)更加專注于各自的功能特點(diǎn)，提升虛擬化的效率。在設(shè)備的實(shí)現(xiàn)上，也可以根據(jù)需求靈活分配。圖4 描述了CU-CP 和CU-UP 在分離狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)邏輯圖。CU-CP 只處理控制面信令，負(fù)載較低，可同時(shí)管理多個(gè)CU-UP。當(dāng)只管理一個(gè)CU-UP 時(shí)，CP和UP 合為一體[5]。

圖4 CU 網(wǎng)絡(luò)邏輯

CU 的分離有利于引入人工智能，構(gòu)建智慧網(wǎng)絡(luò)。尤其對(duì)CU-CP 的分離，使得利用大數(shù)據(jù)對(duì)用戶需求分析提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，在RRM 無(wú)線資源管理中，、引入人工智能算法，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的資源進(jìn)行智能管理，在相同硬件資源下更好地動(dòng)態(tài)管理，提升效率。

2.3.2 DU 的虛擬化

DU 實(shí)現(xiàn)了層1 和層2 的協(xié)議實(shí)體，數(shù)據(jù)面的處理需要在一個(gè)TTI 周期內(nèi)完成，對(duì)處理的實(shí)時(shí)性要求較高，通用服務(wù)器性能無(wú)法滿足需求，因此不得不采用專用通信芯片。

DU 設(shè)備虛擬化實(shí)現(xiàn)的難度在于物理層算法的實(shí)現(xiàn)?？紤]將部分物理層功能下沉到AAU 設(shè)備中，在AAU 設(shè)備中實(shí)現(xiàn)時(shí)頻轉(zhuǎn)換等。與傳統(tǒng)的CPRI 接口相比，ECPRI 接口能大幅降低DU 設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的處理量。在傳統(tǒng)的CPRI 接口中，AAU 和DU 之間的速率與天線端口數(shù)成線性關(guān)系。而在ECPRI 中，速率需求與流數(shù)成線性關(guān)系。在不同的廠家實(shí)現(xiàn)時(shí)，盡量控制流數(shù)。尤其在mMIMO 中，將64TRX 轉(zhuǎn)換成4TRX/2TRX 的接口，不僅從天線數(shù)上減少了DU設(shè)備的數(shù)據(jù)量，而且在數(shù)據(jù)處理上大幅降低了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。

AAU 設(shè)備性能的提升有利于實(shí)現(xiàn)DU 設(shè)備的虛擬化，可以考慮在AAU 設(shè)備中引入專用通信芯片實(shí)現(xiàn)物理層的更多功能。物理層功能的下沉既能更好地滿足實(shí)時(shí)性要求，也可分擔(dān)DU 的負(fù)載、減少DU 實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，使得DU 滿足虛擬化的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

5G的建設(shè)必將推動(dòng)整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。本文通過(guò)對(duì)5G 組網(wǎng)策略的闡述和基站云化的探討，希望為建設(shè)中的5G提供參考，早日實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”。