[4G5G专题-18]：架构-合久必分，分久必合，无线接入网RAN的演进过程与5G无线接入网NR-RAN
目錄
第1章 5G無線接入網概述
1.1 無線接入網概述
1.2?2G/3G網絡架構
1.3?LTE獨立組網的網絡架構
1.4?LTE網絡架構的缺點
第2章. 5G獨立組網的無線接入網架構
2.1?5G獨立組網的無線接入網架構
2.2? 5G無線接入網內部架構
2.3 5G對無線網絡內部架構重構的動機
2.4 5G站對網絡架構的重構
2.5?CU和DU分離遵循的原則：
2.6 CU和DU分離的優點
2.7?CU和DU分離的缺點
2.8 重構后網絡的特點
2.9 5G初期，CU與DU實際的部署狀況
第3章 無線接入網演進
3.1 最初基站一體化，BBU和RRU被放在一個機房或者一個柜子。
3.2?后來RRU被和BBU分開，被有時候掛墻，大部分時放到機柜里。
3.3 后來，RRU被放到天線身邊，所謂RRU拉遠。也就是分布式基站。
3.4 后來，Distributed RAN（分布式無線接入網）
3.5 Centralized RAN，集中化無線接入網
3.6 Cloud RAN (C-RAN), 云化基站
3.7 5G把BBU進一步拆分：CU與DU分離
3.8 靈活的RAN網元部署方式
3.9?靈活的前傳接口的部署方式
3.10??中傳（DU）和回傳（CU）部署方式
第1章 5G無線接入網概述
1.1 無線接入網概述
無線接入：是相對有線接入而言的，它為用戶提供一種無線的方式接入到蜂窩無線通信網絡中，無線終端用戶可以是移動的、也可以是固定的。
無線接入網（RAN）自蜂窩技術誕生以來就一直在使用，并在幾代移動通信（1G到5G）中得到了發展。
1.2?2G/3G網絡架構
缺點：
- 網絡層級化的無線接入網：控制器RNC+基站
- 核心網：電路域+分組域
- 管理復雜
- 延時較大
優點：
- 全局管理：控制器這個全知全能的中心節點存在，所有基站的信息一目了然，統籌管理全局資源也就更容易一些。
- 統籌分配資源
所謂歷史總是在否定之否定中螺旋式上升，5G網絡架構的出現正是利用了此優點。
1.3?LTE獨立組網的網絡架構
網絡：
- e-UTRAN：4G無線接入網
- EPC: 4G核心網
網元：
- eNB: 4G的基站，包括基帶處理單元BBU和射頻拉遠單元RRU
- MME: 核心網移動管理實體（信令面）
- S-GW:核心網業務數據網關（數據面）
接口：
- S1-C:?eNB與MME的接口
- S1-U:?eNB與S-GW的接口
- X2: eNB與eNB之間的接口
- UU接口：gNB與終端的接口為：包括控制面與用戶面。
LTE網絡架構的優點：
- 全IP化：去除了電路域，只留下了分組域，接入網和核心網都是基于IP架構
- 扁平化：去除了2G/3G的RNC，RNC的分拆到核心網和基站eNB中。這樣架構的優點，端到端延時低。
- 簡單化：整個網絡層級簡單、接口簡單
1.4?LTE網絡架構的缺點
這是因為，4G的網絡架構跟2G和3G相比可謂劇變，帶來了時延的降低和部署的靈活性，但同時也帶來了一些問題，尤其是站間信息交互的低效。
從上圖可以看出：
基站數量多了之后，每個基站都要獨立和周圍的基站建立連接交換信息，和兩個基站相比，情況就變得復雜了起來。
這還只是4個基站的情況，如果數量更多的話，連接數將呈指數級增長。
這個問題導致了4G基站間干擾難以協同的痼疾。
第2章. 5G獨立組網的無線接入網架構
2.1?5G獨立組網的無線接入網架構
網絡：
- 5GC: 5G Core，5G核心網
- NG-RAN: 5G無線接入網
網元：
- gNB：5G無線基站，其空口技術稱為NR (Next Radio: 下一代空口技術)，這是標準的stand alone的5G基站。
- ng-eNB：升級后的4G基站，其無線側為4G的空口，核心網側為5G的核心網，也就是說通過ng-eNB，提供LTE的空口接入，提供5G核心的功能。
-
AMF（Access and Mobililty Function）：接入和移動管理的核心網控制單元，根據切片，選擇不同的AMF，這就說明，一個基站gNB，可以連接多個不同的AMF.
-
SMF（Session Management Function）：會話管理功能，包括UE IP地址的分配、收費收據收集等
-
UPF：業務訪問的核心網數據單元，根據切片，選擇不同的UPF，這就說明，一個基站gNB，可以連接多個不同的AMF.
接口：
- NG_C接口，gNB與核心網AMF與SMF接口（控制面）
- NG_U接口，gNB與核心網UPF接口（數據面）
- Xn接口：gNB與gNB之間的接口，?包括控制面與用戶面。
- UU接口：gNB與終端的接口為：包括控制面與用戶面。
2.2? 5G無線接入網內部架構
由上圖可以看出：
4G基站內部分為BBU，RRU和天線幾個模塊，每個基站都有一套BBU，并通過BBU直接連到核心網。
而到了5G時代，原先的RRU和天線合并成了AAU，而BBU則拆分成了DU和CU，每個站都有一套DU，然后多個站點共用同一個CU進行集中式管理。
看了5G的架構，尤其是矗立在中間的CU，總是讓人感覺莫名熟悉，似曾相識。這不就和2G/3G的架構如出一轍么？
這就奇了怪了，撤銷控制器，基站直連核心網，構建扁平化網絡這個剛剛在4G時代興起的架構，到了5G時代，怎么就又要走回2G/3G時代的老路？
2.3 5G對無線網絡內部架構重構的動機
最主要的原因是5G網絡支持更加復雜、多變的的三大業務，扁平化、單一化的LTE網絡無法適應這樣的歷史需求。
2.4 5G站對網絡架構的重構
5G分析了先前2G/3G/4G網絡的優缺點，對基站和核心網的各項功能進行了重構：
（1）增加了一個新的邏輯網元CU。
（2）把BBU拆分為CU和DU。
（3）CU還融合了一部分從核心網下沉的功能，作為集中管理節點存在。
（4）原先BBU的一部分物理層處理功能下沉到RRU，RRU和天線結合成為AAU；
（5）除了前傳接口（BBU與RRU）與后傳接口（CU與核心網）外，增加了中傳接口（DU與CU）。
2.5?CU和DU分離遵循的原則：
CU和DU的分離是根據不同協議層實時性的要求來進行的
（1）把原先BBU中的物理底層PHY_LOW下沉到AAU中處理，
（2）對實時性要求高的物理高層，PHY_HIGHT, MAC，RLC層放在DU中處理，
（3）而把對實時性要求不高的PDCP和RRC層放到CU中處理。
2.6 CU和DU分離的優點
CU和DU的切分可以帶來幾大好處。
（1）實現基帶資源的共享
由于各個基站的忙閑時候不一樣，傳統的做法是給每個站都配置為最大容量，而這個最大容量在大多數時候是達不到的。比如學校的教學樓在白天話務量很高，而到了晚上就會很空閑，而學生宿舍的情況則正好相反，而這兩個地方的基站卻要按最大容量設計，造成很大的資源浪費。
如果教學樓的和宿舍的基站能夠統一管理，把DU集中部署，并由CU統一調度，就能夠節省一半的基帶資源。
可以看出，這種方式和之前提出的C-RAN架構非常相似，而C-RAN架構由于對于光纖資源的要求過高而難以普及。
在5G，雖然DU可能由于同樣的原因難以集中部署，但CU也是基站的一部分，其本身的集中管理也能帶來資源的共享，算是5G時代對于C-RAN架構的一種折中的實現方式。
（2）有利于實現無線接入的切片和云化
網絡切片作為5G的目標，能更好地適配eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC(海量機器類通信)、uRLLC（超可靠、低時延通信）這三大場景對網絡能力的不同要求。
切片實現的基礎是虛擬化，但是在現階段，對于5G的實時處理部分，通用服務器的效率還太低，無法滿足業務需求，因此還需要采用專用硬件，而專用硬件又難以實現虛擬化。
這樣一來，就只好把需要用專用硬件的部分剝離出來成為AAU和DU，剩下非實時部分組成CU，運行在通用服務器上，再經過虛擬化技術，就可以支持網絡切片和云化了。
因此，CU加上邊緣計算及部分核心網用戶面功能的下沉，就被稱為“接入云引擎”。
（3）滿足5G復雜組網情況下的站點協同問題
5G和傳統的2G/3G/4G網絡不同的是高頻毫米波的引入。
由于毫米波的頻段高，覆蓋范圍小，站點數量將會非常多，會和低頻站點形成一個高低頻交疊的復雜網絡。
要在這樣的網絡中獲取更大的性能增益，就必須有一個強大的中心節點來進行話務聚合和干擾管理協同。
毫無懸念，這樣的中心節點就是CU。
2.7?CU和DU分離的缺點
但是，在DU和CU的拆分在帶來諸多的好處的同時，也會帶來一些不利影響。
（1）延時的增加
首當其沖的就是時延的增加，網元的增加會帶來相應的處理時延，再加上增加的的傳輸接口帶來的時延，增加的雖然不算太多，但也足以對超低時延業務帶來很大的影響。
（2）網絡復雜度的增加
5G不同業務對實時性要求的不同：
eMBB對時延不是特別敏感，看高清視頻只要流暢不卡頓，延遲多幾個毫秒是完全感受不到的；
mMTC對時延的要求就更寬松了，智能水表上報讀數，有個好幾秒的延遲都可以接受；
而uRLLC就不同了，對于關鍵業務，如自動駕駛，可能就是“延遲一毫秒，親人兩行淚”。
因此對于eMBB和mMTC業務可以把CU和DU分開來在不同的地方部署，
而要支持uRLLC，就必須要CU和DU合設了。
這樣一來，因為不同業務的需要，CU與DU部署位置不同，大大增加了網絡本身的復雜度，管理的復雜度也就蹭蹭上去了。
所以說，CU和DU雖然可以在邏輯上分離，但物理上是不是要分開部署，還要看具體業務的需求才行。
對于5G的終極網絡，CU和DU的物理關系，必然是合并與分離這兩種架構共存的，有時候需要合在一起，有時候需要分開，它們之間的物理部署關系不是固定不變的。
2.8 重構后網絡的特點
- 層級化：需要增加新的網元，用于集中化管理基站。
- 精細分工化：各種網絡功能需要管理
- 實例化：各種邏輯功能實體，可以實例化多種物理實體。
- 功能化：把
- 服務化
2.9 5G初期，CU與DU實際的部署狀況
2019年是5G元年，首先商用的功能是能支持超高下載速率的eMBB業務，具備CU和DU分開部署的條件。那么是否要這么做呢？實際上并非如此。
首先，最早部署的5G站點都采用低頻來覆蓋，國際上采用3.5GHz的居多。這個頻段的覆蓋能力和4G主流頻段相當，因此5G大概率是和4G共用機房和鐵塔的，這樣的成本也最低。
在5G和4G共站址的情況下，只需要對原先機房內部的傳輸，電源，電池，空調等配套設備升級之后，再把5G基站（CU和DU一體）放進去就可以快速開通5G了。
而搞CU和DU分離，還需要專門為CU去建設新的數據中心，成本太大。
因此，5G初期只會進行CU和DU的邏輯分離的，物理上實際還都是運行在同一個基站上的。后續隨著5G的發展和新業務的拓展，才會逐步進行CU和DU的物理分離。
正所謂合久必分，分久必合，下面就看看無線接入網“分分合合”的歷史過程！
第3章 無線接入網演進
3.1 最初基站一體化，BBU和RRU被放在一個機房或者一個柜子。
3.2?后來RRU被和BBU分開，被有時候掛墻，大部分時放到機柜里。
3.3 后來，RRU被放到天線身邊，所謂RRU拉遠。也就是分布式基站。
3.4 后來，Distributed RAN（分布式無線接入網）
好處：
- 大大縮短了RRU和天線之間饋線的長度，可以減少信號損耗，也可以降低饋線的成本。
- 可以讓網絡規劃更加靈活。畢竟RRU加天線比較小，想怎么放，就怎么放。
- 在D-RAN的架構下，運營商仍然要承擔非常巨大的成本，因為為了擺放BBU和相關的配套設備（電源、空調等），運營商還是需要租賃和建設很多的室內機房或方艙。
3.5 Centralized RAN，集中化無線接入網
除了把RRU拉遠，還把BBU集中起來，BBU變成BBU基帶池。分散的BBU變成BBU基帶池之后，更強大了，可以統一管理和調度，資源調配更加靈活！
通過集中化的方式，
- 可以極大減少基站機房數量，減少配套設備（特別是空調）的能耗。
- 拉遠之后的RRU搭配天線，可以安裝在離用戶更近距離的位置。距離近了，發射功率就低了。低的發射功率意味著用戶終端電池壽命的延長和無線接入網絡功耗的降低。
3.6 Cloud RAN (C-RAN), 云化基站
C-RAN下，基站實際上是“不見了”，所有的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據收發、信道質量等信息。
強化的協作關系，使得聯合調度得以實現。
3.7 5G把BBU進一步拆分：CU與DU分離
在5G網絡中，接入網不再是由BBU、RRU、天線這些東西組成了。
而是被重構為3個功能實體：CU(Centralized Unit,集中單元)、DU(Distribute Unit,分布單元)、AAU(Active Antenna Unit,有源天線單元)
CU：原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協議和服務。
DU：BBU的剩余功能重新定義為DU，負責處理物理層協議和實時服務。
AAU：BBU的部分物理層處理功能（PHY_LOW）與原RRU及無源天線合并為AAU。
簡而言之，CU和DU，以處理內容的實時性進行區分。AAU就是PHY_LOW + RRU + 天線。
3.8 靈活的RAN網元部署方式
- ① 與傳統4G宏站一致，CU與DU共硬件部署，構成BBU單元。
- ② DU部署在4G BBU機房，CU集中部署。
- ③ DU集中部署，CU更高層次集中。
- ④ CU與DU共站集中部署，類似4G的C-RAN方式。
- 如果前傳網絡為理想傳輸（光纖直接到天線那邊），那么，CU與DU可以部署在同一個集中點。
- 如果前傳網絡為非理想傳輸（沒那么多光纖），DU可以采用分布式部署的方式。
- 如果是車聯網這樣的低時延要求場景，DU、CU、應用服務器都想辦法往前放（靠近AAU部署），MEC、邊緣云，就要派上用場。
3.9?靈活的前傳接口的部署方式
（1）光纖直連方式
每個AAU與DU全部采用光纖點到點直連組網。
實現起來很簡單，但最大的問題是光纖資源占用很多。
隨著5G基站、載頻數量的急劇增加，對光纖的使用量也是激增。
所以，光纖資源比較豐富的區域，可以采用此方案。
（2）無源WDM波分復用方式
將無源WDM波分復用設備安裝到AAU和DU上，通過無源設備完成WDM功能，利用一對或者一根光纖提供多個AAU到DU的連接。
無源WDM波分復用設備：光復用傳輸鏈路中的光電轉換器，也稱為WDM波分光模塊。不同中心波長的光信號在同一根光纖中傳輸是不會互相干擾的，所以無源WDM波分復用設備實現將不同波長的光信號合成一路傳輸，大大減少了鏈路成本。
采用無源WDM波分復用設備方式，雖然節約了光纖資源，但是也存在著運維困難，不易管理，故障定位較難等問題。
（3）有源WDM/OTN方式
在AAU站點和DU機房中配置相應的WDM/OTN設備，多個前傳信號通過WDM技術共享光纖資源。
相比無源WDM方案，組網更加靈活（支持點對點和組環網），同時光纖資源消耗并沒有增加。
OTN（光傳送網，OpticalTransportNetwork），是以波分復用技術為基礎、在光層組織網絡的傳送網，是下一代的骨干傳送網。
3.10??中傳（DU）和回傳（CU）部署方式
中傳與回傳對于承載網在帶寬、組網靈活性、網絡切片等方面需求是基本一致的，可以使用統一的承載方案。
主要有兩種方案，承載網中采用的FlexE分片技術、減低時延的技術、SDN架構等，還需進一步了解。
（1）利用分組增強型OTN設備組建中傳網絡，回傳部分繼續使用現有IPRAN架構
（2）中傳與回傳網絡全部使用分組增強型OTN設備進行組網
（3）OTN概述
光傳送網(optical transport network)簡稱OTN，網絡的一種類型，是指在光域內實現業務信號的傳送、復用、路由選擇、監控，并且保證其性能指標和生存性的傳送網絡。
光傳送網(OTN) 技術是電網絡與全光網折衷的產物，將SDH 強大完善的OAM&P 理念和功能移植到了WDM 光網絡中，有效地彌補了現有WDM 系統在性能監控和維護管理方面的不足。OTN 技術可以支持客戶信號的透明傳送、高帶寬的復用交換和配置(最小交叉顆粒為ODU1，約為2.5 Gbit/s)，具有強大的開銷支持能力，提供強大的OAM 功能，支持多層嵌套的串聯連接監視(TCM) 功能、具有前向糾錯(FEC)支持能力。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的[4G5G专题-18]：架构-合久必分，分久必合，无线接入网RAN的演进过程与5G无线接入网NR-RAN的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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