5G基站架構及部署策略

呂婷，曹亙，張濤，李軼群

1 引言

為了支持增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低延遲（uRLLC）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）等多種業(yè)務應用，5G網(wǎng)絡將引入NR新空口和新的網(wǎng)絡架構，以提升峰值速率、時延、容量等網(wǎng)絡性能指標，并具備更大的組網(wǎng)靈活性和可擴展性，以滿足多樣化的業(yè)務需求。

目前，3GPP R15標準已經(jīng)定義了5G無線網(wǎng)絡的整體架構，如圖1所示，5G無線接入網(wǎng)（NG-RAN）由多個5G基站（gNB）組成。gNB向UE提供NR空口協(xié)議的終結，并通過NG接口連接到AMF/UPF等5G核心網(wǎng)（5GC）網(wǎng)元，gNB之間通過Xn接口實現(xiàn)相互連接。

5G基站是無線網(wǎng)絡的核心設備，基站的架構、形態(tài)直接影響5G網(wǎng)絡的部署策略。隨著5G標準及產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，國內(nèi)外運營商都已加快5G商用步伐，國內(nèi)5G預商用時間也提前到了2019年。目前，5G無線網(wǎng)絡協(xié)議的標準化工作已初步完成，但5G基站設備還處于試驗網(wǎng)驗證或試商用階段，業(yè)界對5G基站的架構及形態(tài)尚未形成明確的共識，各廠家的設備還存在差異性。在5G到來前，有必要對5G基站設備展開系統(tǒng)性研究，梳理5G基站設備體系，深入分析不同設備架構的特點及利弊，并基于5G業(yè)務場景探討設備部署方案，為未來5G網(wǎng)絡部署做好技術儲備。

圖1 5G網(wǎng)絡整體架構

2 5G基站架構分析

2.1 5G基站的邏輯架構

5G基站主要用于提供5G空口協(xié)議功能，支持與UE、核心網(wǎng)之間的通信。按照邏輯功能劃分，5G基站可分為5G基帶單元與5G射頻單元，二者之間可通過CPRI或eCPRI接口連接，如圖2所示。

5G基帶單元負責NR基帶協(xié)議處理，包括整個用戶面（UP）及控制面（CP）協(xié)議處理功能，并提供與核心網(wǎng)之間的回傳接口（NG接口）以及基站間互連接口（Xn接口）。

5G射頻單元主要完成NR基帶信號與射頻信號的轉(zhuǎn)換及NR射頻信號的收發(fā)處理功能。在下行方向，接收從5G基帶單元傳來的基帶信號，經(jīng)過上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及射頻調(diào)制、濾波、信號放大等發(fā)射鏈路（TX）處理后，經(jīng)由開關、天線單元發(fā)射出去。在上行方向，5G射頻單元通過天線單元接收上行射頻信號，經(jīng)過低噪放、濾波、解調(diào)等接收鏈路（RX）處理后，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻，轉(zhuǎn)換為基帶信號并發(fā)送給5G基帶單元。

2.2 5G基站設備體系

為了支持靈活的組網(wǎng)架構，適配不同的應用場景，5G無線接入網(wǎng)將存在多種不同架構、不同形態(tài)的基站設備。從設備架構角度劃分，5G基站可分為BBU-AAU、CU-DU-AAU、BBU-RRU-Antenna、CU-DU-RRU- Antenna、一體化gNB等不同的架構。如圖3所示，BBU-AAU架構中，基帶單元映射為單獨的一個物理設備BBU，AAU集成了射頻單元與天線單元，若采用eCPRI接口，AAU內(nèi)部還包含部分物理層底層處理功能。CU-DU-AAU架構中，基帶功能分布到CU、DU兩個物理設備上，二者共同完成構成5G基帶單元，CU與DU間的F1接口為中傳接口。BBURRU-Antenna架構中，RRU功能與AAU相同，區(qū)別在于RRU無內(nèi)置天線單元，需要外接天線使用，主要用于郊區(qū)等低容量需求或室內(nèi)覆蓋場景。一體化gNB架構集成了5G基帶單元、射頻單元以及天線單元，屬于高集成度、緊湊型設備，可用于局部區(qū)域補盲或室內(nèi)覆蓋等特殊場景。

圖2 5G基站邏輯架構

圖3 5G基站設備架構

從設備形態(tài)角度劃分，5G基站可分為基帶設備、射頻設備、一體化gNB設備以及其他形態(tài)的設備，如圖4所示。其中，5G基帶設備又包含了BBU、CU、DU不同類型的物理設備，5G射頻設備包含了AAU和RRU設備。

2.3 5G基帶單元的兩種架構分析

對于5G基帶單元，存在兩類不同的設備架構：CU/DU合設、CU/DU分離。CU/DU合設的5G BBU設備與3G/4G BBU類似，所有的基帶處理功能都集成在單個機框或板卡內(nèi)。對于機框式結構的BBU，整個BBU機框分為多個槽位，分別插入系統(tǒng)控制、基帶處理、傳輸接口等不同功能的板卡，并可基于容量需求靈活配置不同板卡的組合。對于一體化板卡結構的BBU，所有信令面、用戶面處理以及傳輸、電源管理功能均集成在單個板卡上，系統(tǒng)集成度更高。

CU/DU分離架構的5G基帶單元將傳統(tǒng)的BBU切分為CU、DU兩個物理實體，二者配合共同完成整個NR基帶處理功能。其中，DU是分布式接入點，負責完成部分底層基帶協(xié)議處理功能；CU是中央單元，負責處理高層協(xié)議功能并集中管理多個DU。CU與DU之間的功能切分存在多種選項，3GPP討論了8種候選方案，即Option1～Option8，如圖5所示，不同方案下CU、DU分別支持不同的協(xié)議功能。目前，標準化工作主要集中在Option2，即CU主要完成RRC/PDCP層基帶處理功能，DU完成RLC及底層基帶協(xié)議功能。

由于高層基帶處理功能對于實時性的要求不是很高，CU設備可基于X86通用硬件平臺實現(xiàn)，采用高性能服務器結合硬件加速器的方案，提供信令處理、數(shù)據(jù)交換、加解密等硬件處理能力，滿足CU設備大容量、大帶寬的性能要求，同時可支持靈活的擴縮容，并基于網(wǎng)絡部署需求，連接不同數(shù)量的DU。

DU作為底層基帶協(xié)議處理單元，一般基于專用硬件實現(xiàn)，采用機框或一體化板卡的結構，與CU/DU合設的BBU類似，但是，DU不具備完整的基帶處理功能，不能單獨作為5G基帶單元使用。

在5G無線接入網(wǎng)中，CU與其連接的多個DU對5G核心網(wǎng)及其他基站而言，僅是一個節(jié)點，CU與DU之間通過F1接口進行信令交互及用戶數(shù)據(jù)傳輸，該接口為點對點的邏輯接口。

圖5 CU-DU功能切分方案

CU/DU分離與合設這兩種架構各有利弊，需要從多方面具體分析：

（1）在設備性能方面，CU實現(xiàn)了RRC/PDCP層基帶資源集中，可獲得網(wǎng)絡協(xié)同及資源共享增益，同時可降低切換開銷，提高網(wǎng)絡性能。但另一方面，CU/DU分離將增加控制面以及業(yè)務建立時延，影響實時業(yè)務性能。

（2）在可擴展性方面，CU/DU合設的BBU使用專用硬件，設備擴容需要更換或新增板卡。CU支持軟硬件解耦，可以在底層通用硬件的基礎上實現(xiàn)網(wǎng)絡功能虛擬化，通過修改軟件的方式實現(xiàn)靈活的擴縮容，同時支持網(wǎng)絡新特性的快速引入，設備的可擴展性更強。

（3）在設備部署方面，CU/DU合設的BBU設備在網(wǎng)絡中的部署位置與3G/4G BBU相同，可利舊現(xiàn)有的機房及配套設備，快速部署。CU設備的體積、功耗與3G/4G BBU差異很大，對機房空間、電源的需求大幅增加，需要進行機房改造或新建，部署周期較長。從部署成本角度分析，CU/DU合設架構只涉及5G BBU成本，不引入新的設備成本。CU/DU分離架構額外增加了CU設備設備，相應的還需增加部署CU的機房及電源等配套成本。

（4）在設備維護方面，CU/DU分離架構由于新增一層網(wǎng)元，維護節(jié)點由原來的BBU單節(jié)點變?yōu)镃U、DU兩個節(jié)點，同時增加了新的F1接口，設備維護的工作量隨之增加。

（5）在設備成熟度方面，CU/DU分離的標準還在發(fā)展中，基站設備的軟硬件解耦技術還不成熟，CU/DU分離設備的成熟商用還需要一段時間。

2.4 5G射頻單元的兩種架構分析

5G射頻單元主要采用AAU架構，設備內(nèi)部將射頻收發(fā)單元與天線陣單元集成在一起，構成有源天線陣列，支持massive MIMO。5G AAU存在兩類不同架構的設備：基于CPRI接口的AAU與基于eCPRI接口的AAU。

CPRI接口普遍應用于3G/4G基站，是一個標準的基帶-射頻接口協(xié)議，基于CPRI接口的AAU功能相對簡單，只完成射頻處理功能，所有的基帶功能都在基帶單元完成，基站軟件特性的修改不影響射頻單元。CPRI接口傳遞的是時域IQ信號，接口帶寬與載波帶寬、收發(fā)通道數(shù)相關。由于NR支持100 MHz以上大帶寬、massive MIMO大規(guī)模天線技術，導致5G CPRI接口帶寬急劇增加。比如，在100 MHz帶寬、64T64R的情況下，CPRI帶寬將達到200 G以上。因此，基于CPRI接口的5G AAU需要使用高速光模塊，目前，100 G高速光模塊成本較高，導致5G基站的部署成本也會增加。

為此，5G射頻單元引入了eCPRI接口，通過在5G基帶單元與射頻單元之間重新進行功能切分，降低前傳帶寬的需求。在100 MHz載波帶寬、64T64R的情況下，采用eCPRI接口可將前傳帶寬降低至25 G，光模塊成本相應下降。目前，eCPRI標準提供了幾種可選的切分方式（包括D、ID、IID、IU），支持在物理層內(nèi)部的不同位置進行切分，各廠商在設備實現(xiàn)時也會采用不同的切分方式，因此異廠商之間難以互通。與CPRI接口相比，基于eCPRI接口的AAU除了完成射頻處理功能外，還增加了部分基帶物理層功能，需增加基帶處理芯片，硬件實現(xiàn)更加復雜，設備功耗也會增加。此外，在協(xié)議后向演進時，不僅需要對基帶單元進行升級，還需要改動射頻單元，設備維護的難度將會增加。

3 5G基站的部署策略

3.1 5G設備部署面臨的挑戰(zhàn)

為了滿足更高速率、更大連接數(shù)、更低時延的5G網(wǎng)絡性能要求，5G基站需要具備更高的硬件處理能力，設備形態(tài)與架構也發(fā)生了一定變化，出現(xiàn)了CU、DU、BBU、AAU等多樣化設備，并支持100 MHz載波帶寬、200 W發(fā)射功率、20 Gbit/s吞吐率等高性能指標。5G基站在諸多方面均與3G/4G存在顯著差別，給5G設備的部署帶來了新的挑戰(zhàn)。

5G基站的性能相比3G/4G基站成倍提升，隨之而來的代價是5G設備功耗的大幅增加，無論是5G BBU、AAU還是新引入的CU，最大功耗均高于現(xiàn)有的3G/4G設備，達到了幾百至幾千瓦的量級，這對站址的供電能力提出了挑戰(zhàn)。

5G基站存在CPRI與eCPRI兩種前傳接口，若采用CPRI接口，則需要使用100 G高速光模塊，短期內(nèi)設備部署成本較高；若采用eCPRI接口，則AAU設備的復雜度及功耗有可能增加，且后向升級較為復雜。在設備部署時，既需要考慮光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，盡可能降低設備成本，也需要評估基于eCPRI接口的設備性能，滿足網(wǎng)絡未來演進的需求。

5G基站還引入了CU/DU分離架構，無線側增加新的CU設備。與傳統(tǒng)的基帶設備不同，CU體積較大，不支持19英寸標準機柜安裝，需要獨立的機房空間。同時，CU的功耗遠高于現(xiàn)有BBU，CU部署機房需要具備大容量供電能力，這些都將增加設備部署的復雜度。此外，由于CU集中管理多個DU，CU所連DU數(shù)量越多，需要的回傳帶寬越大，現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)擴容改造的難度越大。

3.2 CU/DU部署方式

5G網(wǎng)絡將支持eMBB、uRLLC、mMTC三大應用場景，其中，eMBB業(yè)務要求Gbit/s的用戶體驗速率，uRLLC業(yè)務要求空口時延低于1 ms，mMTC要求每平方公里覆蓋范圍支持百萬用戶連接數(shù)。由于不同業(yè)務場景對于傳輸帶寬、時延、連接數(shù)等網(wǎng)絡性能的需求存在差異，在組網(wǎng)時需要基于差異化的應用場景靈活采用不同的設備部署方案。

另一方面，5G基站同時支持CU/DU合設與分離這兩種設備架構，5G網(wǎng)絡部署還需要根據(jù)傳輸情況、機房環(huán)境等不同的部署條件確定5G基站的設備形態(tài)及部署方式。

對于CU/DU分離架構，CU可集中不同數(shù)量的DU，CU容量越大、連接的DU越多，系統(tǒng)可獲得的資源池化增益越大，但同時對于回傳接口的帶寬要求也越高。在部署CU時，需要基于設備容量確定其在傳輸網(wǎng)中的部署位置。一般情況下，傳輸網(wǎng)分為接入層、匯聚層、核心層三級架構，對應的，CU可部署于接入機房、匯聚機房、核心機房這幾種不同的位置。若CU容量需求較大，連接數(shù)百個DU，則對于回傳的帶寬要求較高，需要將CU部署于匯聚機房或核心機房，需要100 G以上傳輸帶寬。此外，若現(xiàn)有匯聚層不支持網(wǎng)絡層三功能，還需要進行傳輸改造，可能會增加部署復雜度。若CU容量需求較小，支持連接數(shù)十個DU，則回傳帶寬需求較低，25 G以上接入環(huán)帶寬可滿足需求，CU可部署于接入機房。需要說明的是，CU管理的DU越多，CU中斷后造成的故障范圍越大，對CU設備的可靠性要求也就越高，需要考慮容災備份方案。

此外，CU、DU分離會引入額外的中傳接口時延，該時延與CU、DU的相對位置相關，CU在傳輸網(wǎng)中的部署位置越高，CU與DU間的傳輸時延越大?？紤]到業(yè)務性能要求，eMBB、uRLLC業(yè)務端到端時延要求分別為10 ms、2 ms，一般情況下中傳接口時延需要控制在10 ms以內(nèi)。對于uRLLC等時延敏感的業(yè)務場景，需要將CU盡量下沉并靠近DU部署，但相應的，CU所帶的DU數(shù)量也會下降，CU的覆蓋范圍收縮。對于mMTC等要求廣覆蓋、大連接數(shù)且對時延要求不高的業(yè)務場景，則可將CU部署于傳輸網(wǎng)中較高的位置，擴大CU的覆蓋范圍，同時獲得更大范圍的資源集中所帶來的性能增益。

DU的部署存在分布式與集中式兩種方式，在分布式部署的情況下，DU可位于接入機房，與3G/4G BBU共址部署，利舊現(xiàn)有的機房配套設施，而且4G/5G基帶共址部署也便于支持網(wǎng)絡協(xié)同以及NSA組網(wǎng)。在DU集中化部署的情況下，多個DU可堆疊于現(xiàn)有的BBU池機房，組成DU資源池，便于集中化管理與資源共享。CU/DU合設的BBU的部署方式類似于DU，可分布式部署或組成BBU池集中化部署于接入機房。

綜上，圖6列出了幾種可能的5G基站設備部署方案。

方案一：CU位于核心機房，DU分布式部署于接入機房或多個DU集中化部署于匯聚機房；

方案二：CU位于匯聚機房，DU位于接入機房；

方案三：CU/DU合設的BBU單點部署于接入機房或多個BBU集中部署于匯聚機房。

上述三種方案分別適用于不同的應用場景：

圖6 5G基站設備部署方案示意圖

對于mMTC或eMBB業(yè)務場景，建議采用方案一或方案二。該方案下CU部署位置較高，支持較大覆蓋范圍、較高容量以及更多用戶連接數(shù)，可滿足mMTC業(yè)務需求。

對于uRLLC業(yè)務場景，可采用部署方案三，將CU、DU集成為一體化BBU設備，中傳時延變?yōu)樵O備內(nèi)部接口時延，基本可以忽略，可滿足超低時延業(yè)務的需求，同時5G BBU設備對機房、傳輸?shù)炔渴饤l件沒有額外的要求，易于部署。

以上三種部署方案均可滿足eMBB業(yè)務需求，可基于實際部署條件靈活選擇 。

3.3 CU/DU部署建議

不同形態(tài)的5G基站設備帶來了組網(wǎng)的靈活性，也能更好地支持各類不同的業(yè)務場景，在5G建網(wǎng)過程中，需要結合網(wǎng)絡發(fā)展情況分階段、分場景引入。

在5G商用初期，新的業(yè)務模式尚不成熟，eMBB還是網(wǎng)絡承載的主要業(yè)務，此階段可部署CU/DU合設架構，利舊現(xiàn)有機房及配套設施部署5G BBU設備，實現(xiàn)快速建網(wǎng)。若CU設備已具備商用能力，也可在機房、傳輸具備改造條件的情況下，按需引入CU/DU分離架構，將CU部署于核心機房或匯聚機房，獲得更高的網(wǎng)絡性能。AAU設備的選型取決于100 G光模塊的量產(chǎn)規(guī)模及成本，在100 G高速光模塊成本較高的情況下，為了控制網(wǎng)絡部署成本，可采用基于eCPRI接口的AAU。

在5G網(wǎng)絡部署中后期，電信設備的虛擬化技術和平臺逐步成熟后，可規(guī)模部署CU/DU分離設備，將CU、MEC、UPF等網(wǎng)元統(tǒng)一部署到虛擬化平臺上，從而更好地支持uRLLC與mMTC等垂直行業(yè)應用，拓展5G的商業(yè)模式。

4 結論

5G基站引入了CU/DU分離、eCPRI，一方面增加了設備形態(tài)的多樣性，出現(xiàn)了5G BBU、CU、DU、基于CPRI/eCPRI接口的AAU等多類設備；另一方面提高了組網(wǎng)的靈活性，在傳統(tǒng)BBU-AAU架構的基礎上，增加了CU節(jié)點，支持多個DU的集中化管理，演變?yōu)镃UDU-AAU三層組網(wǎng)架構。

5G還引入了NR新空口技術，在極大提升5G基站的峰值速率、時延、連接數(shù)等關鍵性能指標的同時，5G設備的體積、功耗、接口帶寬也隨之增加，設備部署時需要對現(xiàn)有的機房、電源配套以及傳輸網(wǎng)絡進行擴容改造。另外，5G引入了SA/NSA不同組網(wǎng)架構、上行覆蓋增強等新特性，對5G網(wǎng)絡的部署提出了新的要求，還有很多問題有待進一步研究。

目前，5G標準的第一版本已基本完成，但業(yè)內(nèi)還沒有成熟的5G基站商用產(chǎn)品，5G設備的形態(tài)、規(guī)格還存在很多不確定性。隨著未來更多的5G新技術、新特性的引入，5G設備的功能及架構還會發(fā)生變化。此外，微基站、室內(nèi)分布式基站等更加多樣化的設備形態(tài)也會逐步引入，滿足多場景的網(wǎng)絡部署需求。