基于C-RAN的5G無線接入網架構研究

周全材 易浩

摘 ? 要：隨著信息時代的飛速發展，5G已逐步進入人們的生活，5G網絡可以實現系統容量更高、網絡速度更快、運營效益更高的目標。C-RAN是一種集中式5G架構，是5G最理想的架構，但由于是完全集中的控制方式，自適應動態能力較差。基于C-RAN演進的5G網絡架構可解決這一缺點，且有降低運營成本、增加網絡傳輸速度、降低數據傳輸延時等優點，非常符合運營商的需要。文章對此進行了分析。

關鍵詞：5G;云計算;無線接入網;虛擬化

近年來，4G網絡發展迅速，大量的移動數據設備隨之投入使用，導致蜂窩網流量負載正暴漲。蜂窩式結構依然是4G最普遍的無線接入方式，面對越來越嚴峻的龐大需求的挑戰，即使采取正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、中繼等增大系統容量的先進措施，也很難跟上增長量的步伐。通信運營商迫切需要下一代移動網絡實現系統容量更高、網絡速度更快、運營效益更高的目標。因此，本文提出一種基于云計算的無線接入網（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）架構的5G無線接入網的可行方案。

1 ? ?基于C-RAN的5G無線接入網架構

C-RAN是一種集中式架構，有著低成本、高頻譜、高帶寬等顯著優點。但其完全集中的控制方式，也有著自身缺陷，無線鏈路自適應性能較弱，不能自適應動態變化，如用戶行為、信道環境等。主要原因是網絡架構和組網方法的完全集中無法在實際系統下完成預定實時計算。由于無線網絡的用戶行為、基站負載動態環境是時多變的，相對靜止的計算端與多變的接入端無法實時適配，不僅不能達到資源的最大化利用，還會浪費回程鏈路開銷，大大降低接入鏈路的利用率，導致網絡接入性能降低[1]。為優化C-RAN，本文提出了一種包含基站部署、本地云平臺和后臺云服務器的C-RAN演進5G網絡架構（見圖1）。

1.1 ?基站的部署

為了滿足5G網絡需求，許多企業及組織提出多種5G無線網絡架構。按照協議功能劃分方式，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）標準化組織提出了面向5G的無線接入網功能重構方案，引入集中單元—分布單元—有源天線單元（Centralized Unit-Distribute Unit-Active Antenna Unit，CU-DU-AAU）架構。在CU-DU-AAU架構下，5G BBU基帶部分拆分成CU和DU兩個邏輯單元，而射頻單元以及部分基帶物理層底層功能與天線共同構成AAU。通過將CU，DU及AAU分離，簡化了網元功能，CU可以采用通用硬件平臺搭建，采取云化部署，DU可以采取C-RAN方式集中部署，AAU與天線集成后可以上塔，增加了部署靈活性[2]。

1.2 ?本地云平臺

本地云平臺是基站和后臺云服務器之間通過光纖相互連接的網絡單元，主要包含感知模塊、緩存模塊多網絡控制等功能實體[3]。

1.2.1 ?感知模塊

（1）未來的網絡是復雜多變的多融合網絡。存儲用戶和網絡情景信息有著極大的必要性。本方案提出通過獲取接入方式、用戶位置、用戶行為、應用類型、優先級等信息，并結合相應算法推演出用戶需求，自動優化網絡資源，做到網絡資源合理、智能分配，提升用戶使用體驗感受，稱之為“情景感知”，讓網絡使用更智能、更有效。

（2）5G網絡為物聯網的發展提供了強有力的基礎支持，將是5G時代的標志性產物。據相關部門預測，2020年以后，移動數據醫療、智能家居、車聯網、環境實時監測系統、工業實時控制系統將是物聯網的主力軍，并推動千億設備接入網絡，實現爆發式增加，可謂是“萬物互聯”。但普通的網絡數據資源無法滿足同時監測和傳輸如此龐大的數據需求，在高密度的節點中減少信令開銷是個很難實現的艱巨的任務，而情景感知通過信息共享使其變得可行。

圖1 ?基于C-RAN的5G無線接入網架構

1.2.2 ?緩存模塊

為做到改善用戶體驗感受的同時減少網絡流量，選擇在距用戶更近的邊緣地帶安置網絡資源。網絡部門數據表明，重復的音樂和視頻等流行資源下載占據了移動多媒體多半的流量。為減少核心網壓力、避免不必要的重復資源流量浪費，本方案提出采取新的交付與緩存技術，建立中間服務器存放流行資源數據在避免了服務器重復的遠程傳輸造成資源浪費的同時，也提升用戶的體驗。本地平臺通過感知模塊存儲的數據進行算法比對分析，來提高對流行內容分辨的準確性，本地與相鄰平臺之間可以進行數據共享和緩存交換。

1.2.3 ?多網絡控制和融合實體

5G涵蓋了多種技術，包括泛技術時代、多接入技術、多業務系統、多層次覆蓋。其中，多網絡融合早已是業界公認的重要研究熱點，具有非常關鍵的作用。運營商可以通過掌握網絡融合技術能夠提升對多網絡的運維和管控能力，從而有效優化網絡性能、提升用戶體驗。

1.3 ?后臺云服務器

后臺云服務器實際上是由劃分出的多個專用虛擬網組成的服務器數據中心[4]。這些專用虛擬網絡包括虛擬運營商網、虛擬物聯網、通過互聯網向用戶提供各種應用服務（Over the Top，OTT）網等，因地制宜，發揮各自優點分別負責不同特性的業務，并針對性地開發各自的管理系統，達到更好的業務效果。

2 ? ?5G網絡架構的關鍵技術

2.1 ?超密集網絡

5G將長期運行在網絡拓撲結構和特性復雜的環境下，并伴隨著多業務系統、多層次覆蓋、多技術接入。頻譜是有限資源，不可再生，提高有效利用率變得極為重要，因此要盡量縮小作用范圍。既有大面積覆蓋的宏基站，也有高密度部署的小蜂窩，宏基站用于滿足大規模需求，小蜂窩則為了填補邊緣業務的空缺而存在。據預測分析，在宏蜂窩的廣泛部署下，今后的無線網絡中低功率的無線傳輸節點的密度將提高10倍之多，構成超密集網絡（Super Dense Network，UDN），無論是資源分配，還是運營管理，都必定會背負巨大的壓力。

2.2 ?網絡虛擬化

對于通信運營商而言，網絡虛擬化將提供極大的利益。其最有直接的3大優點，第一，能降低系統的運營成本;第二，可以實現網絡資源分配最大效益;第三，可以開發最佳的網絡管理系統。系統運行有4大因素：管理、維護、升級和擴容，在虛擬化之后，統一的硬件平臺能為其提供更多服務，以便更好運行。從虛擬化技術來說，本方案提出并選擇了兩種主要技術，第一種是網絡覆蓋虛擬化技術;第二種就是數據中心的服務器虛擬化技術。

2.3 ?內容分發網絡

內容分發網絡（Content Distribution Network，CDN）是由業內提出的一種應對復雜網絡架構、提升網絡訪問質量的方案，具備對稱分布網絡資源和服務器、客戶端的能力，能解決內容服務器與客戶端之間的傳輸延時大的問題，從而讓用戶使用更佳。內容分發網絡可降低跨域網絡傳輸的延時，其主要是通過在多個ISP內部署內容代理服務器的方式來實現的。通過在用戶訪問高發區的網絡中部署緩存服務器，并根據實際情況將用戶請求合理地重新分配到就近的服務點，可快速取得目標數據，解決網絡擁堵問題，提高網絡訪問速度。

2.4 ?綠色通信

所謂綠色通信，就是降低功率、節省資源、避免污染、降低排放和提高頻譜利用率。頻譜是移動通信網絡中非常珍貴的資源，也是研究的焦點。另外，因為劃分頻段產生了零散片段，浪費許多頻譜資源，使得原本就緊缺的頻譜變得更為供不應求。需要從兩方面減少頻譜資源浪費：（1）靈活使用空置頻譜，可通過認知無線電動態監測實現。（2）不斷提高頻譜利用率，降低干擾。

3 ? ?結語

隨著時代發展的腳步，移動通信網的需求越來越龐大，傳統蜂窩網架構已經很難滿足日益增長的用戶需求，很難保證用戶體驗和網絡性能。今后的5G網絡將是可實現“無限容量感知”的系統，這就對網絡有了更高的要求。通過結合現有技術和分析發展趨勢，可得出結論：C-RAN是目前最符合5G網絡要求的架構方案。因此，本文基于C-RAN的5G無線接入的可行架構，且深度闡述架構關鍵技術，為5G網絡研究提供參考。

[參考文獻]

[1]廖世強.基于C-RAN的5G無線接入網架構[J].計算機產品與流通，2019（3）：150.

[2]李發良.面向C-RAN的傳輸接入組網方案的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[3]雷秋燕，張治中，程方，等.基于C-RAN的5G無線接入網架構[J].電信科學，2015（1）：112-121.

[4]陳常梅.基于C-RAN的移動城域網5G承載方案探討[J].電信工程技術與標準化，2018（7）：35-38.