5G网络构架分析说明

 

5G网络构架分析说明

戴连贵

（2019.03.01）

温馨提示：“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”，5G不知不觉已经来到我们的面前。“5G接入网如何部署，由哪些网络单元构成，基站如何建设”这些问题对于非专业人士犹如雾里看花。本文是从公开的网上文献中，经梳理总结后整理出的一些5G接入网的信息，信息中的绝大部分出自文后所列参考文献。此文供非通信行业的专业人士阅读，目的是学习5G知识，思考如何将5G应用到自己所在行业。

0、前言

这是一张来自SK电信的5G网络构架图，完整展示了从4G到5G整体网络构架演变，清晰明了，简单易懂，请放大后横着屏幕看。从这张图可以清晰地了解4G与5G的逻辑对应关系，后面的内容基本上是对这张图的诠释。

1、关键名词解释：

RAN 无线接入网 

D-RAN 分布式无线接入网 

C-RANCentralized RAN集中化无线接入网C不仅代表集中化，还代表云化，协作，清洁。

RRU Remote Radio Unit 远端射频模块 

BBU Building Baseband Unit 室内基带处理单元 

CU Centralized Unit集中单元原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。

DU Distribute Unit分布单元DU：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

AAU Active Antenna Unit有源天线单元BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

MEC Mobile Edge Computing移动边缘计算 

EPC   

5GC New Core5G核心网 

NFV Network Function Virtualization网络功能虚拟化就是将网络中的专用电信设备的软硬件功能（比如核心网中的MME, S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟机（VMs，Virtual Machines）上，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能。

SDN Software Defined Network 即软件定义网络5G网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs（虚拟机），SDN控制器执行映射，建立核心云与边缘云之间的连接。网络切片也由SDN集中控制。

EPC Evolved Packet Core分组核心网EPC具备如下特点： 1 核心网趋同化，交换功能路由化； 2 业务平面与控制平面完全分离； 3 网元数目最小化，协议层次最优化；4 网络扁平化，全IP化。

CoMP Coordinated Multiple Points Transmission/Reception多点协作传输是指地理位置上分离的多个传输点，协同参与为一个终端的数据(PDSCH)传输或者联合接收一个终端发送的数据(PUSCH)

CDN Content Delivery Network内容分发网络在网络各处放置节点服务器所构成的在现有的互联网基础之上的一层智能虚拟网络

eMB BEnhanced Mobile Broadband 增强移动宽带 。在现有移动宽带业务场景的基础上，提升用户体验。Polar Code（极化码）方案是 5G控制信道eMBB场景编码最终方案

uRLLC Ultra Reliable Low Latency Communication高可靠低时延通信。高可靠、低时延、极高的可用性。它包括以下各类场景及应用：工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等。

mMTC massive Machine-Type of Communication海量机器类通信（大规模物联网）。mMTC和eMTC则是物联网的应用场景，但各自侧重点不同：mMTC主要是人与物之间的信息交互，eMTC主要体现物与物之间的通信需求

eMTC enhanced Machine-Type Communication增强机器类通信。是物联网的应用场景，超可靠低时延，侧重点主要体现物与物之间的通信需求

 

2、5G的特点

5G网络空口至少支持20Gbps速率。用户10秒钟就能够下载一部UHD（超高清，分辨率4倍于全高清，9倍于高清）电影。

核心网功能分离。核心网用户面部分功能下沉至CO（中心主机房，相当于4G网络的eNodeB），从原来的集中式的核心网演变成分布式核心网，使得核心网功能在地理位置上更靠近终端，减小时延。

分布式应用服务器（AS）。AS部分功能下沉至CO（中心主机房，相当于4G网络的eNodeB）,并在CO部署MEC。MEC类似于CDN（内容分发网络）的缓存服务器功能，但不仅于此。它将应用、处理和存储推向移动边界，使得海量数据可以得到实时、快速处理，以减少时延、减轻网络负担。

重新定义BBU和RRU功能。将PHY、MAC，或者RLC层从BBU分离下沉到RRU，以减小前传容量，降低前传成本。

NFV（网络功能虚拟化，Network Function Virtualization）。就是将网络中的专用电信设备的软硬件功能（比如核心网中的MME, S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟机（VMs，Virtual Machines）上，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能。

SDN，即软件定义网络。5G网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs（虚拟机），SDN控制器执行映射，建立核心云与边缘云之间的连接。网络切片也由SDN集中控制。

SDN，NFV和云技术使网络从底层物理基础设施分开，变成更抽象灵活的以软件为中心的构架，可以通过编程，来提供业务连接。

网络切片。5G网络将面向不同的应用场景，比如，超高清视频、虚拟现实、大规模物联网、车联网等等，不同的场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至是计费方式的要求是不一样的，因此，需要将物理网络切割成多个虚拟网络，每个虚拟网络面向不同的应用场景需求。虚拟网络间是逻辑独立的，互不影响。

只有实现NFV/SDN之后，才能实现网络切片。

面向超高清视频一类的大容量移动宽带业务的虚拟网络，需引入CDN技术，在CO（中心主机房，相当于4G网络的eNodeB）配置缓存服务器，并将核心网部分用户面功能下沉至CO。

3、4G与5G比较分析

无线接入网( RAN：Radio Access Network)通俗地讲，把所有的手机终端，都连接到网络里面的这个功能，就是无线接入网。大家耳熟能详的基站(BaseStation)，就是属于无线接入网(RAN)。

无线基站

虽然我们从1G开始，历经2G、3G，一路走到4G，号称是技术飞速演进，但整个通信网络的逻辑架构，一直都是：手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。

通信过程的本质，就是编码解码、调制解调、加密解密。

通信标准更新换代，无非是设备改个名字，或者挪个位置，功能本质并没有变化。

一个基站，通常包括BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理)，馈线(连接RRU和天线)，天线(主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。

在最早期的时候，BBU，RRU和供电单元等设备，是打包塞在一个柜子或一个机房里的。

基站一体化后来，慢慢开始发生变化。怎么变化呢?通信砖家们把它们拆分了。首先，就是把RRU和BBU先给拆分了。

硬件上不再放在一起，RRU通常会挂在机房的墙上。

BBU有时候挂墙，不过大部分时候是在机柜里。

机柜里的BBU

再到后来，RRU不再放在室内，而是被搬到了天线的身边(所谓的“RRU拉远”)。

天线+RRU

这样，我们的RAN就变成了D-RAN，也就是Distributed RAN(分布式无线接入网)。这样做有什么好处呢?

一方面，大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度，可以减少信号损耗，也可以降低馈线的成本。

另一方面，可以让网络规划更加灵活。毕竟RRU加天线比较小，想怎么放，就怎么放。

说到这里，请大家注意：通信网络的发展演进，无非就是两个驱动力，一是为了更高的性能，二是为了更低的成本。

有时候成本比性能更加重要，如果一项技术需要花很多钱，但是带来的回报少于付出，它就很难获得广泛应用。

RAN的演进，一定程度上就是成本压力带来的结果。

在D-RAN的架构下，运营商仍然要承担非常巨大的成本。因为为了摆放BBU和相关的配套设备(电源、空调等)，运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。

大量的机房=大量的成本。于是，运营商就想出了C-RAN这个解决方案。这个C，不仅代表集中化，还代表了别的意思：

相比于D-RAN，C-RAN做得更绝。

除了RRU拉远之外，它把BBU全部都集中起来放在中心机房(CO，Central Office)。

这一大堆BBU，就变成一个BBU基带池。C-RAN这样做，非常有效地解决了前文所说的成本问题。整个移动通信网络中，基站的能耗占比大约72%，基站里面空调的能耗占比大约56%。

传统方式机房的功耗分析

也就是说，运营商的钱，大部分都花在基站上，花在基础设施上，花在电费上。

采用C-RAN之后，通过集中化的方式，可以极大减少基站机房数量，减少配套设备(特别是空调)的能耗。

若干小机房，都进了大机房，这样租金、维护费、人工费用也跟着减少了。

另外，拉远之后的RRU搭配天线，可以安装在离用户更近距离的位置。距离近了，发射功率就低了。低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长和无线接入网络功耗的降低。说白了，你手机会更省电，待机时间会更长，运营商那边也更省电、省钱!

此外，分散的BBU变成BBU基带池之后，更强大了，可以统一管理和调度，资源调配更加灵活!

C-RAN下，基站实际上是“不见了”，所有的实体基站变成了虚拟基站。

所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。强化的协作关系，使得联合调度得以实现。小区之间的干扰，就变成了小区之间的协作(CoMP)，大幅提高频谱使用效率，也提升了用户感知。

此外，BBU基带池既然都在CO(中心机房)，那么，就可以对它们进行虚拟化了!

虚拟化，就是网元功能虚拟化(NFV)。简单来说，以前BBU是专门的硬件设备，非常昂贵，现在，找个x86服务器，装个虚拟机(VM，Virtual Machines)，运行具备BBU功能的软件，然后就能当BBU用啦!

正因为C-RAN这种集中化的方式会带来巨大的成本削减，所以，受到运营商的欢迎和追捧。C-RAN是是中国移动提出的并积极推动C-RAN的部署。

到了5G时代，接入网又发生了很大的变化。在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为以下3个功能实体： CU、DU、AAU。

CU和DU，以处理内容的实时性进行区分

AAU=RRU+天线

注意，在图中，EPC(就是4G核心网)被分为New Core(5GC，5G核心网)和MEC(移动网络边界计算平台)两部分。MEC移动到和CU一起，就是所谓的“下沉”(离基站更近)。

核心网部分功能下沉

之所以要BBU功能拆分、核心网部分下沉，根本原因，就是为了满足5G不同场景的需要。5G是一个“万金油”网络，除了网速快之外，还有很多的特点，例如时延低、支持海量连接，支持高速移动中的手机，等等。

不同场景下，对于网络的特性要求(网速、时延、连接数、能耗...)，其实是不同的，有的甚至是矛盾的。

例如，你看高清演唱会直播，在乎的是画质，时效上，整体延后几秒甚至十几秒，你是没感觉的。而你远程驾驶，在乎的是时延，时延超过10ms，都会严重影响安全。

所以，把网络拆开、细化，就是为了更灵活地应对场景需求。

说到这里，就要提到5G的一个关键概念——「切片」。

切片，简单来说，就是把一张物理上的网络，按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络，服务于不同场景。

不同的切片，用于不同的场景

网络切片，可以优化网络资源分配，实现最大成本效率，满足多元化要求。

可以这么理解，因为需求多样化，所以要网络多样化;因为网络多样化，所以要切片;因为要切片，所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动，所以网元之间的连接也要灵活变化。

所以，才有了DU和CU这样的新架构。

依据5G提出的标准，CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式，所以，会出现多种网络部署形态：

回传、中传、前传，是不同实体之间的连接

上图所列网络部署形态，依次为：

a)    与传统4G宏站一致，CU与DU共硬件部署，构成BBU单元。

b)    DU部署在4G BBU机房，CU集中部署。

c)    DU集中部署，CU更高层次集中。

d)    CU与DU共站集中部署，类似4G的C-RAN方式。

这些部署方式的选择，需要同时综合考虑多种因素，包括业务的传输需求(如带宽，时延等因素)、建设成本投入、维护难度等。

举个例子，如果前传网络为理想传输(有钱，光纤直接到天线那边)，那么，CU与DU可以部署在同一个集中点。如果前传网络为非理想传输(没钱，没那么多光纤)，DU可以采用分布式部署的方式。

再例如，如果是车联网这样的低时延要求场景，你的DU，就要想办法往前放(靠近AAU部署)，你的MEC、边缘云，就要派上用场。

参考文献：

1、一张图看懂5G网络构架，http://www.360doc.com/userhome/30136251

2、一文看懂5G究竟是个啥！，https://www.jiaheu.com/topic/470866.html

3、2017年中国第五代通信技术（5G）发展前景分析及预测，http://www.chyxx.com/industry/201712/598125.html

4、2018年中国第五代移动通信技术(5G)现状分析及市场前景预测，华经情报网

5、SK Telecom，https://www.sktelecom.com/en/view/introduce/intro.do