面向5G的C-RAN架構分析

李曉宇，羅海港，李超杰，王洪慈

（中國通信建設集團設計院有限公司，北京 100079）

0 引 言

5G網(wǎng)絡多樣化的應用場景和業(yè)務需求，給無線接入網(wǎng)提出了更嚴格的要求，包括靈活的無線資源管理需求、空口協(xié)調和站點協(xié)作需求、功能靈活部署和邊緣計算的需求及增強網(wǎng)絡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在此驅動力下應運而生。

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。其基本定義為：基于分布式拉遠基站，C-RAN將所有或部分的基帶處理資源進行集中，形成一個基帶單元池并對其進行統(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)作化技術進行有效地支持，從而提升網(wǎng)絡性能[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中樞本身可以服務于蜂窩基站，并替代每個站點中的傳統(tǒng)BBU。這就可以對部分資源池加以利用，減少所需的BBU設備數(shù)量。此外，集中式RAN為最終實現(xiàn)云RAN的重大轉變鋪平了道路。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，可以實現(xiàn)非常高的資源池利用率。

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

1 C-RAN架構演進趨勢

運營商正計劃建設支持未來千兆級LTE及5G網(wǎng)絡，因此必須建設更密集的網(wǎng)絡，以滿足高吞吐量、低時延的服務需求。為實現(xiàn)網(wǎng)絡的密集部署，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都是實現(xiàn)無線接入網(wǎng)的使能架構，為實現(xiàn)5G奠定了基礎。因此，C-RAN正是現(xiàn)在通信無線網(wǎng)行業(yè)的一大演進趨勢。

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架構通過引入集中和分布單元（CU-DU，Centralized Unit/Distributed Unit）的功能重構下一代前傳網(wǎng)絡接口架構來實現(xiàn)無線接入網(wǎng)架構的優(yōu)化[2]。

5G的BBU功能將被重構成CU和DU兩個功能實體，其中CU和DU以處理內容的實時性進行區(qū)分，如圖1所示。

圖1 架構演進圖

其中，CU設備主要包括非實時性的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應用業(yè)務部署；DU設備主要包括處理物理層功能和實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實現(xiàn)。

2 CU-DU靈活部署

5G主要面向eMBB、mMTC及uRLLC三大業(yè)務，是一個能夠滿足多樣化需求的網(wǎng)絡，且不同場景下，對于網(wǎng)絡的特性要求（網(wǎng)絡、時延、連接數(shù)及能耗等）也不一致。靈活可配置的CU-DU分離可以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的實時性按需部署，更好地適應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要求較高，屬于eMBB業(yè)務；而無人駕駛、遠程醫(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分布式架構并不能針對不同業(yè)務的差異化需求做出相應的調整。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，但實際距離往往相隔數(shù)百公里，并途經(jīng)多重匯聚、轉發(fā)設備，中間還會出現(xiàn)不可預知的擁塞和抖動，無法滿足低時延的需求。而通過CU-DU分離，將RAN的實時處理功能由DU承載，并靠近用戶部署，同時配置相應的網(wǎng)關和MEC服務器能夠減少中間層級的轉發(fā)，進而實現(xiàn)端到端低時延的目標。此外，還可以通過多個DU連接到同一CU的方式，在CU的集中控制和調度下，多個DU傳送相同的數(shù)據(jù)信息，實現(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，此時移動錨點處于CU內部，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現(xiàn)多小區(qū)CoMP，從而提高網(wǎng)絡的覆蓋和容量，保證用戶體驗。

依據(jù)5G提出的標準，CU、DU和AAU可以采取合設和分離的形式，因此存在多種網(wǎng)絡部署形態(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，構成BBU單元；形式2表示DU部署在4G BBU基站接入機房，CU集中部署在綜合接入機房；形式3表示DU集中部署綜合接入機房，CU集中部署在更高層次的匯聚機房；形式4表示CU與DU共站集中部署在綜合接入機房，類似4G C-RAN方式。

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

圖2 5G網(wǎng)絡部署形態(tài)

3 C-RAN架構優(yōu)點

5G C-RAN是基于CU-DU的兩級協(xié)議架構，NGFI的傳輸架構及NFV的實現(xiàn)架構，形成了面向5G的靈活部署的兩級網(wǎng)絡云架構，將成為5G及未來網(wǎng)絡架構演進的重要方向。5G C-RAN網(wǎng)絡具有集中化、協(xié)作化、無線云化及綠色節(jié)能四項主要特征，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)一管理和調度資源，資源調配更加靈活，能夠最優(yōu)化資源利用；（4）C-RAN下，所有實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)轉發(fā)、信道質量等信息，能夠強化站點間的協(xié)作關系，實現(xiàn)資源的聯(lián)合調度，小區(qū)間干擾轉變成小區(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房數(shù)量、站址配套及站址租賃等費用，節(jié)省了建設和運營成本；（2）無線側管理趨于統(tǒng)一，削減了擴容和升級成本。

4 結 論

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