技術(shù)
導(dǎo)讀:5G的RAN構(gòu)架從4G的BBU+RRU雙層架構(gòu)升級(jí)為CU+DU+RRU 3層架構(gòu),在5G NR基站規(guī)劃部署時(shí),通過3層架構(gòu)的靈活組合,結(jié)合承載網(wǎng)路由和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的合理部署,可針對(duì)性地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
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【編者按】隨著5G RAN 3層架構(gòu)的逐漸明確,原4G時(shí)代的BBU拆分為CU和DU,其中非實(shí)時(shí)的無線高層協(xié)議棧功能引入到CU,物理層功能和實(shí)時(shí)性需求的層2功能引入到DU,部分實(shí)時(shí)性更高的物理層功能并入RRU。5G NR基站的規(guī)劃正是基于新的3層架構(gòu),通過從4G到5G RAN架構(gòu)的演進(jìn)、CU/DU/RRU多種部署組合方式、NR基站多種部署方式資源需求、場(chǎng)景應(yīng)用等多方面分析,論述了5G NR基站部署需要關(guān)注的問題。
過去30年來,移動(dòng)通信從語音通信發(fā)展到移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)通信,無論是通信技術(shù)還是業(yè)務(wù)需求和用戶行為,都發(fā)生了翻天覆地的變化,用戶需求不再只是基礎(chǔ)的語音、短信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),增強(qiáng)移動(dòng)帶寬(eMBB)、大連接物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)等業(yè)務(wù)需求逐漸進(jìn)入人們的視野,隨著2014年IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布第一份白皮書,第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)被正式提上日程。
5G網(wǎng)絡(luò)為滿足上述三大應(yīng)用場(chǎng)景下的差異化需求,在無線網(wǎng)層面將采用多種關(guān)鍵技術(shù),如超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、毫米波技術(shù)、NR 3層架構(gòu)設(shè)計(jì)、大規(guī)模天線(Massive MIMO)、高階調(diào)制、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)等。5G多樣化應(yīng)用場(chǎng)景下,用戶對(duì)帶寬、時(shí)延、連接數(shù)、移動(dòng)性和可靠性都有不同的需求,本文將針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,分析探討NR基站的規(guī)劃和部署方法。
在4G時(shí)代,國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商已在積極探索C-RAN即BBU的集中部署,RAN架構(gòu)主要由BBU和RRU組成,通過BBU集中部署,RRU近天線端安裝,可大大減少機(jī)房、電源配套資源需求,降低選址難度,提升運(yùn)維便利性,從而降低運(yùn)營(yíng)商CAPEX和OPEX。但是BBU集中對(duì)CPRI傳輸?shù)男枨蠛芨?,所以在?shí)際操作中,很難做到大規(guī)模的BBU集中部署。
到了5G時(shí)代,隨著應(yīng)用場(chǎng)景的細(xì)分,傳統(tǒng)的BBU+RRU模式已無法滿足多種場(chǎng)景的需求。因此,5G RAN架構(gòu)將BBU進(jìn)行了拆分和重構(gòu),根據(jù)處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性,將BBU重構(gòu)為中央單元CU和分布單元DU 2個(gè)功能實(shí)體,CU設(shè)備主要包括非實(shí)時(shí)的無線高層協(xié)議棧功能,同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能(UP)下沉和MEC邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署,而DU設(shè)備主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求的層2功能。同時(shí),為了節(jié)省RRU與DU之間的傳輸資源,部分物理層功能也可下移至RRU實(shí)現(xiàn)(見圖1)。
圖1 5G NR三層架構(gòu)
目前4G采用的CPRI接口主要適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,由于其傳輸效率低、靈活性差、難以擴(kuò)展等缺點(diǎn),特別是集中化部署成本過高,無法滿足面向5G演進(jìn)的前傳網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求。因此5G需要采用基于下一代前端傳輸接口(NGFI)的eCPRI接口,eCPRI接口遵循統(tǒng)計(jì)復(fù)用、載荷相關(guān)的自適應(yīng)帶寬變化、支持性能增益高的協(xié)作化算法、接口流量與RRU天線數(shù)無關(guān)、空口技術(shù)中立、RRS歸屬關(guān)系遷移等基本原則。
基于5G NR靈活的3層架構(gòu)和高效的eCPRI接口,5G NR可以通過CU/DU/RRU的靈活組合達(dá)到部署的多樣化。
根據(jù)DU前置或集中部署,CU前置、集中部署或者云化,5G NR部署方式可組合為以下4種。
傳統(tǒng)基站部署
與傳統(tǒng)的3G/4G基站類似,RRU與天線合設(shè)為AAU,DU/CU同址安裝于本站機(jī)房,RRU與DU通過光纖直連(見圖2)。
圖2 傳統(tǒng)基站部署示意圖
DU前置CU集中部署
此部署方式RRU與天線合設(shè)為AAU,DU同址安裝于本站機(jī)房,RRU與DU通過光纖直連,CU集中安裝于中心機(jī)房,CU與DU通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連接(見圖3)。
圖3 DU前置CU集中部署示意圖
DU/CU集中部署
此部署方法RRU與天線合設(shè)為AAU,DU/CU集中安裝于中心機(jī)房,RRU與DU通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連接(見圖4)。
圖4 DU/CU集中部署示意圖
DU集中部署,CU云化
此部署方法RRU與天線合設(shè)為AAU,DU集中安裝于中心機(jī)房,RRU與DU通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連接,CU云化,并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與DU連接(見圖5)。
圖5 DU集中部署,CU云化示意圖
2015年,3GPP正式定義了5G的3類典型應(yīng)用場(chǎng)景:增強(qiáng)移動(dòng)帶寬(eMBB)、大連接物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)。
eMBB:指在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上,對(duì)于用戶體驗(yàn)等性能的進(jìn)一步提升,主要還是追求人與人之間極致的通信體驗(yàn)。其特征為吞吐量大,主要用戶為手機(jī)、平板電腦等設(shè)備。
mMTC:其特征為大連接,主要用戶為智能抄表、智能灌溉等。
uRLLC:其特征為低時(shí)延、高可靠,主要用戶為AR/VR,自動(dòng)駕駛等。
在部署5G NR基站時(shí),需要從資源需求、維護(hù)、適用場(chǎng)景等方面進(jìn)行考慮。
機(jī)房資源需求分析
不同的CU/DU部署方式,對(duì)機(jī)房資源資源的需求是不同的,具體如表1所示。
表1 不同的CU/DU部署方式,對(duì)機(jī)房資源資源的需求
傳統(tǒng)基站部署方式。CU/DU均部署在站點(diǎn)機(jī)房或室外機(jī)柜,但CU可擴(kuò)展性小、不便于統(tǒng)一管理,故傳統(tǒng)部署方式更適合部分對(duì)時(shí)延要求及其敏感的業(yè)務(wù)。
DU前置CU集中部署方式。DU部署在站點(diǎn)機(jī)房或室外機(jī)柜,CU部署中心機(jī)房,傳輸資源需求小,CU統(tǒng)一部署,便于管理維護(hù),適合于小規(guī)模集中部署。
DU/CU集中部署方式。DU可集中部署于站點(diǎn)機(jī)房或中心機(jī)房,CU部署于中心機(jī)房,單一DU可管理多站點(diǎn)RRU,由于采用了前傳,傳輸資源需求較大,但DU/CU集中部署,管理和維護(hù)較為便利,適合于中、大規(guī)模集中部署。當(dāng)選擇站點(diǎn)機(jī)房作為DU集中部署點(diǎn)時(shí),需關(guān)注機(jī)房傳輸資源是否豐富,是否具備可擴(kuò)容能力,站點(diǎn)可靠性是否高等問題,當(dāng)選擇在中心機(jī)房部署CU/DU時(shí),需關(guān)注中心機(jī)房空間是否滿足,并做好容災(zāi)備份。
DU集中部署。CU云化方式,DU可集中部署于站點(diǎn)機(jī)房或中心機(jī)房,CU云化后,MEC等應(yīng)用下沉到中心機(jī)房,與CU共享硬件,邏輯獨(dú)立,有利于提升用戶體驗(yàn)。CU云化可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的多連接錨點(diǎn),位置較高,減少傳輸反傳,減少不必要的切換,集中的控制面可以實(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)度,享受統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益,但同時(shí)也存在著一定的弊端,首先是管理復(fù)雜度提高,安全性和可靠性要求提高,由于CU層級(jí)提高,信令時(shí)延也相應(yīng)增加,在考慮CU云化部署的時(shí)候,需要綜合考慮以上因素。
傳輸網(wǎng)絡(luò)光纖資源需求分析
在5G建網(wǎng)初期,按每站3扇區(qū)考慮,RRU與DU之間需要6根光纖(單芯單向)或者3根光纖(單芯雙向),而隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷進(jìn)行,高低頻混合組網(wǎng),光纖資源需求成倍增加,傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力也會(huì)不斷增高。
針對(duì)傳統(tǒng)基站部署和DU前置CU集中部署,由于DU和RRU在同一站點(diǎn),不需要通過傳輸網(wǎng)絡(luò),故RRU和DU之間可通過光纖直連。
針對(duì)DU/CU集中部署和DU集中部署、CU云化,由于DU和RRU之間需要經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò),光纖直連方式將導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)光纖容量無法承受,需要引入相應(yīng)的WDM技術(shù),節(jié)約光纖資源(見圖6)。
圖6 光纖直連方式與WDM方式連接示意圖
安全性和維護(hù)便利性分析
在考慮5G NR基站的部署時(shí),不僅需要考慮機(jī)房、傳輸?shù)荣Y源需求,也需要考慮各種部署方式對(duì)整網(wǎng)的安全影響以及后期運(yùn)維的便利性。CU/DU集中度越高,集中站點(diǎn)的安全性就顯得更加重要,在規(guī)劃集中部署站點(diǎn)時(shí),需要綜合考察集中機(jī)房的交通便利度、機(jī)房防火防災(zāi)響應(yīng)能力、傳輸網(wǎng)絡(luò)情況、電源配套容量等問題(見表2)。
表2 不同部署方式的比較
三大場(chǎng)景5G NR部署關(guān)注事項(xiàng)
根據(jù)3GPP定義,eMBB、mMTC和uRLLC三大場(chǎng)景由于關(guān)注業(yè)務(wù)不同,對(duì)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)延的要求也不盡相同。如eMBB關(guān)注高速率、大吞吐量,mMTC關(guān)注大連接,uRLLC關(guān)注低時(shí)延、高可靠性能,針對(duì)不同的要求,CU/DU的部署方式也各有不同。
針對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù):如AR/VR、自動(dòng)駕駛等uRLLC業(yè)務(wù),可采用傳統(tǒng)基站部署方式或DU前置CU集中的小集中部署方式,將CU、DU盡量靠近RRU,同時(shí)將應(yīng)用網(wǎng)關(guān)下移,降低傳輸時(shí)延。
針對(duì)時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù):如智能抄表、智能灌溉等mMTC業(yè)務(wù),可采用DU/CU集中部署方式或DU集中、CU云化等大集中部署方式,從優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維角度出發(fā),降低運(yùn)維成本。
5G站點(diǎn)的部署,會(huì)依據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同而采用不同的部署方式,即便是同一種業(yè)務(wù),在不同的地區(qū),也會(huì)因?yàn)闄C(jī)房、光纖、距離等條件的不同,而采用不同的部署方式,因此,5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)采用多種部署方式共存。
與4G相比,5G的應(yīng)用場(chǎng)景更加細(xì)化,傳統(tǒng)的單一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能夠滿足5G的多樣化需求,在此背景下,5G的RAN構(gòu)架從4G的BBU+RRU雙層架構(gòu)升級(jí)為CU+DU+RRU 3層架構(gòu),在5G NR基站規(guī)劃部署時(shí),通過3層架構(gòu)的靈活組合,結(jié)合承載網(wǎng)路由和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的合理部署,可針對(duì)性地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。未來隨著5G應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富,網(wǎng)絡(luò)部署的個(gè)性化需求也會(huì)越來越多,如何合理地規(guī)劃5G NR基站是一個(gè)需要關(guān)注的問題。