5G基站重構(gòu)及前中后傳帶寬研究

崔波，姚鍵，傅子維

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司，廣州 510623）

1 引言

隨著4G進(jìn)入規(guī)模商用階段，面向2020年及未來的第五代移動(dòng)通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點(diǎn)，3GPP 2018年中將形成第一版5G標(biāo)準(zhǔn)（R15），2019年底凍結(jié)完整版本的5G標(biāo)準(zhǔn)（R16）。5G具有超高速率、超低時(shí)延、超大連接的特性，將面向eMBB、mMTC、uRLLC三大場景實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)跨領(lǐng)域發(fā)展和產(chǎn)業(yè)融合，如4K/8K電視、VR/AR、智能停車、智慧抄表、無人駕駛、無人機(jī)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

未來如何提供一個(gè)能夠面向各類應(yīng)用、高效、靈活、低成本、易維護(hù)、開放、便于創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將是運(yùn)營商在5G時(shí)代競爭力的核心所在。面向多樣化的應(yīng)用場景和通信需求，5G網(wǎng)絡(luò)需要支持無線空口資源的按需分配，需要空口資源在一定程度上與具體業(yè)務(wù)類型解耦，需要做到更進(jìn)一步處理能力的軟硬件解耦，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)能力的創(chuàng)建和調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能需適應(yīng)人們對(duì)用戶體驗(yàn)更高的要求，以及對(duì)通信時(shí)延、可靠性、安全性的新要求，網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)該更加自動(dòng)化和智能化，以降低各類人工干擾因素，節(jié)約成本，同時(shí)在最優(yōu)化資源分配和編排的基礎(chǔ)上，提供業(yè)務(wù)所需的網(wǎng)絡(luò)能力等等。在這樣的背景下，需要考慮核心網(wǎng)與無線網(wǎng)功能的重構(gòu)和融合，無線基站重構(gòu)是5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然。

2 5G基站重構(gòu)與功能切分

面向未來5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，5G基站將由4G的BBU-RRU架構(gòu)重構(gòu)為CU-DU- RRU (AAU)架構(gòu)，原BBU功能將被重構(gòu)為CU (Centralized Unit)和DU(Distributed Unit)兩個(gè)功能實(shí)體[1]， 如圖1所示。

CU與DU功能的切分以處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分，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)功能下沉和邊緣應(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)性需求的層功能，考慮節(jié)省RRU與DU之間的傳輸資源，部分物理層功能也可上移至RRU實(shí)現(xiàn)。根據(jù)3GPP最新技術(shù)報(bào)告，在協(xié)議棧上重構(gòu)的基站功能切分可分為8種選擇方式[2]，具體如圖2所示。

圖1 5G基站重構(gòu)為CU-DU-RRU(AAU)

其中，CU-DU間的功能切分采用Option 2方式目前已明確，也就是將PDCP/RRC作為集中單元并將RLC/MAC/PHY作為分布單元；DU-RRU(AAU)間的功能切分可采用Option 8方式或Option 7方式兩種，前者僅將RF作為RRU(AAU)功能，此時(shí)前傳網(wǎng)絡(luò)為傳統(tǒng)的CPRI接口，而后者把PHY進(jìn)一步分成Low-PHY和High-PHY，將RF和Low-PHY共同作為RRU(AAU)功能，此時(shí)前傳網(wǎng)絡(luò)為eCPRI接口，將大大降低前傳帶寬，具體分析詳見3.1節(jié)。DURRU(AAU)間的功能切分具體采用哪種方式尚無結(jié)論，但采用Option 7的方式在業(yè)界呼聲較高。

從具體的實(shí)現(xiàn)方案上，CU設(shè)備采用通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，這樣不僅可支持無線網(wǎng)功能，也具備了支持核心網(wǎng)功能和邊緣應(yīng)用的能力，DU設(shè)備可采用專用設(shè)備平臺(tái)或通用+專用混合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，支持高密度數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。引入 NFV（Network Functions Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）框架后，在MANO（Management and Orchestration，管理編排器）的統(tǒng)一管理和編排下，配合網(wǎng)絡(luò)SDN（Software-Defined Network）控制器和傳統(tǒng)的操作維護(hù)中心OMC（Operating and Maintenance Center）功能組件，可實(shí)現(xiàn)包括CU/DU在內(nèi)的端到端靈活資源編排能力和配置能力，滿足運(yùn)營商快速按需的業(yè)務(wù)部署需求。

3 基站前中后傳帶寬需求與分析

5G基站重構(gòu)后，原一級(jí)前傳網(wǎng)絡(luò)將分成二級(jí)前傳網(wǎng)絡(luò)，該二級(jí)前傳網(wǎng)絡(luò)包括DU- RRU(AAU)間的前傳（Fronthaul）和CU-DU間的中傳（Midhaul），而CU至核心網(wǎng)為后傳網(wǎng)絡(luò)（Backhaul）。保證基站前中后傳帶寬是5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)必須提前考慮的問題，下面將分別分析前中后傳的帶寬需求。

3.1 前傳帶寬需求與分析

3.1.1 考慮Option 8方式

圖2 5G基站重構(gòu)后的具體功能切分

前傳采用Option 8切分方式，根據(jù)3GPP技術(shù)報(bào)告[2～4]，當(dāng)基站配置100 MHz帶寬、64TR（低頻）時(shí)：前傳帶寬=Rate×Width×Port×5=314.6 Gbit/s其中 Rate=30.72 Mbit/s，Width=32，Port=64。同時(shí)調(diào)研了個(gè)別主流設(shè)備廠家，采用帶寬壓縮技術(shù)后，A廠家前傳帶寬需求為132 Gbit/s，B廠家前傳帶寬需求為200 Gbit/s，C廠家前傳帶寬需求為133 Gbit/s。

3.1.2 考慮Option 7方式

前傳采用Option 7切分方式，根據(jù)3GPP技術(shù)報(bào)告[2～4]，當(dāng)基站配置100 MHz帶寬、16流（低頻）時(shí)：

前傳帶寬 =Nsc×Nsymb×Nlayer×Nsample×2×1 000 + MAC info=19.5～43.7 Gbit/s

其中Nsc=6 000，Nsymb=14，Nlayer=16；對(duì)于下行Nsample=7～16，MAC info=713.9 Mbit/s；對(duì)于上行Nsample=10～16，MAC info=120 Mbit/s。

同時(shí)調(diào)研了個(gè)別主流設(shè)備廠家，A、B、C廠家的前傳帶寬需求均為25 Gbit/s。

從以上可以看出，采用Option 8方式的前傳帶寬需求約是Option 7方式的7倍以上，Option 7方式可節(jié)約大量纖芯資源，因此建議前傳網(wǎng)絡(luò)采用Option 7方式進(jìn)行切分，100 MHz帶寬、16流（低頻）基站的前傳網(wǎng)絡(luò)至少滿足25 Gbit/s帶寬需求。

3.2 中傳帶寬需求與分析

根據(jù)3GPP技術(shù)報(bào)告[2～4]，中傳網(wǎng)絡(luò)采用Option 2方式切分，基站配置100 MHz帶寬、16流、64TR（低頻）時(shí)：

單小區(qū)中傳帶寬=Data+signaling ≈ 6 Gbit/s。

其中，Data=5.9～6 Gbit/s，signaling=16 ～ 24 Mbit/s。

同時(shí)調(diào)研了個(gè)別主流設(shè)備廠家，A廠家單小區(qū)中傳帶寬需求為5 Gbit/s，B廠家單小區(qū)中傳帶寬需求為6 Gbit/s。

根據(jù)以上分析，建議采用100 MHz帶寬、16流、64TR（低頻）的基站，單小區(qū)至少保證6 Gbit/s中傳帶寬需求；單站至少保證峰值6+2×(6/4)=9 Gbit/s，均值3×(6/4)=4.5 Gbit/s的中傳帶寬需求。

3.3 后傳帶寬需求與分析

3GPP技術(shù)報(bào)告并未對(duì)后傳帶寬給出明確的計(jì)算公式，但是按照圖2中的功能切分，后傳帶寬與中傳帶寬相差并不大，同時(shí)調(diào)研了個(gè)別主流設(shè)備廠家，A廠家單小區(qū)后傳帶寬需求為5 Gbit/s，B廠家單小區(qū)后傳帶寬需求為4 Gbit/s。

根據(jù)以上分析，建議100MHz帶寬、16流、64TR（低頻）的基站，單小區(qū)至少保證6 Gbit/s的后傳帶寬需求；單站至少保證峰值6+2×(6/4)=9 Gbit/s，均值3×(6/4)=4.5 Gbit/s的后傳帶寬需求。

4 重構(gòu)后的基站部署形式

5G基站重構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將出現(xiàn)3種不同方式，如何選擇也是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)首先考慮的問題。3種組網(wǎng)方式如圖3所示。

4.1 方式1：5G CU和DU集中部署，AAU分布部署

圖3 5G基站3種不同的組網(wǎng)形式

該方式具備CU、DU云化的技術(shù)優(yōu)勢，如便于實(shí)現(xiàn)宏微協(xié)同、干擾管理、COMP、D-MIMO等技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)容量，降低干擾，因省去CU-DU間的物理路由，也便于滿足uRLLC場景對(duì)低時(shí)延的需求。CU設(shè)備可采用通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，這樣不僅可支持無線網(wǎng)功能，也具備了支持核心網(wǎng)功能和邊緣應(yīng)用的能力，DU設(shè)備可采用通用+專用混合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，支持高密度數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。該方式的主要缺點(diǎn)是前傳帶寬要求高，對(duì)傳輸資源要求高。部署建議：當(dāng)基站前傳傳輸資源充足時(shí)，優(yōu)先采用此方式；推薦應(yīng)用于uRLLC場景，為滿足時(shí)延要求，DU集中規(guī)模建議不超過10個(gè)；對(duì)于目前已經(jīng)建設(shè)4G C-RAN的基站，建議繼續(xù)考慮該方式建設(shè)；對(duì)于eMBB場景，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加CU集中部署的邏輯功能，以同時(shí)滿足uRLLC場景和eMBB場景的需求。

4.2 方式2：5G CU集中部署，DU和AAU分布部署

該方式具備CU云化的技術(shù)優(yōu)勢，如便于實(shí)現(xiàn)宏微協(xié)同、干擾管理等技術(shù)，對(duì)傳輸資源要求不高，但是不具備DU云化的技術(shù)優(yōu)勢，不能實(shí)現(xiàn)宏COMP、D-MIMO等技術(shù)，CU集中向上放，增加了時(shí)延，CU大規(guī)模集中時(shí)很難滿足uRLLC場景的時(shí)延需求。CU設(shè)備可采用通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，DU設(shè)備建議采用通用+專用混合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。部署建議：當(dāng)基站前傳傳輸資源不充足時(shí)，優(yōu)先采用此方式；推薦用于eMBB場景，建議同時(shí)部署MEC服務(wù)，以適應(yīng)部分低時(shí)延業(yè)務(wù)需求；推薦高頻基站使用，也可采用DU和AAU一體化集成，用于未來的小基站建設(shè)。

4.3 方式3：5G CU、DU、AAU均分布部署

該方式對(duì)傳輸資源要求不高，不具備CU、DU技術(shù)優(yōu)勢，與當(dāng)前4G普通基站相同。部署建議：當(dāng)基站前傳傳輸資源不充足時(shí)，可采用此方式；更多的用于CU、DU和AAU一體化集成時(shí)的小基站建設(shè)。

5 結(jié)束語

5G新技術(shù)是當(dāng)前業(yè)界研究的焦點(diǎn)，面向未來多樣化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和通信需求，5G基站架構(gòu)將隨之做出改變。本文主要介紹了5G基站重構(gòu)原理，基站的功能切分，切分后的前中后傳帶寬需求，以及重構(gòu)后的組網(wǎng)形式和部署建議等，所述內(nèi)容均是5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)關(guān)注的焦點(diǎn)和首先需要考慮解決的問題，對(duì)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)能夠提供一定的指導(dǎo)意義。