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5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架分析說明

戴連貴

（2019.03.01）

溫馨提示：“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”，5G不知不覺已經(jīng)來到我們的面前?！?G接入網(wǎng)如何部署，由哪些網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成，基站如何建設(shè)”這些問題對于非專業(yè)人士猶如霧里看花。本文是從公開的網(wǎng)上文獻(xiàn)中，經(jīng)梳理總結(jié)后整理出的一些5G接入網(wǎng)的信息，信息中的絕大部分出自文后所列參考文獻(xiàn)。此文供非通信行業(yè)的專業(yè)人士閱讀，目的是學(xué)習(xí)5G知識，思考如何將5G應(yīng)用到自己所在行業(yè)。

0、前言

這是一張來自SK電信的5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖，完整展示了從4G到5G整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架演變，清晰明了，簡單易懂，請放大后橫著屏幕看。從這張圖可以清晰地了解4G與5G的邏輯對應(yīng)關(guān)系，后面的內(nèi)容基本上是對這張圖的詮釋。

1、關(guān)鍵名詞解釋：

RAN?無線接入網(wǎng)?

D-RAN?分布式無線接入網(wǎng)?

C-RANCentralized RAN集中化無線接入網(wǎng)C不僅代表集中化，還代表云化，協(xié)作，清潔。

RRU Remote Radio Unit?遠(yuǎn)端射頻模塊?

BBU Building Baseband Unit?室內(nèi)基帶處理單元?

CU Centralized Unit集中單元原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU，負(fù)責(zé)處理非實時協(xié)議和服務(wù)。

DU Distribute Unit分布單元DU：BBU的剩余功能重新定義為DU，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實時服務(wù)。

AAU Active Antenna Unit有源天線單元BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并為AAU。

MEC Mobile Edge Computing移動邊緣計算?

EPC???

5GC New Core5G核心網(wǎng)?

NFV Network Function Virtualization網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化就是將網(wǎng)絡(luò)中的專用電信設(shè)備的軟硬件功能（比如核心網(wǎng)中的MME, S/P-GW和PCRF，無線接入網(wǎng)中的數(shù)字單元DU等）轉(zhuǎn)移到虛擬機（VMs，Virtual Machines）上，在通用的商用服務(wù)器上通過軟件來實現(xiàn)網(wǎng)元功能。

SDN Software?Defined?Network 即軟件定義網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)通過SDN連接邊緣云和核心云里的VMs（虛擬機），SDN控制器執(zhí)行映射，建立核心云與邊緣云之間的連接。網(wǎng)絡(luò)切片也由SDN集中控制。

EPC Evolved Packet Core分組核心網(wǎng)EPC具備如下特點：?1?核心網(wǎng)趨同化，交換功能路由化；?2?業(yè)務(wù)平面與控制平面完全分離；?3?網(wǎng)元數(shù)目最小化，協(xié)議層次最優(yōu)化；4?網(wǎng)絡(luò)扁平化，全I(xiàn)P化。

CoMP Coordinated Multiple Points Transmission/Reception多點協(xié)作傳輸是指地理位置上分離的多個傳輸點，協(xié)同參與為一個終端的數(shù)據(jù)(PDSCH)傳輸或者聯(lián)合接收一個終端發(fā)送的數(shù)據(jù)(PUSCH)

CDN Content Delivery Network內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)各處放置節(jié)點服務(wù)器所構(gòu)成的在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的一層智能虛擬網(wǎng)絡(luò)

eMB BEnhanced Mobile Broadband 增強移動寬帶 。在現(xiàn)有移動寬帶業(yè)務(wù)場景的基礎(chǔ)上，提升用戶體驗。Polar Code（極化碼）方案是?5G控制信道eMBB場景編碼最終方案

uRLLC Ultra Reliable Low Latency Communication高可靠低時延通信。高可靠、低時延、極高的可用性。它包括以下各類場景及應(yīng)用：工業(yè)應(yīng)用和控制、交通安全和控制、遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程手術(shù)等。

mMTC massive Machine-Type of Communication海量機器類通信（大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)）。mMTC和eMTC則是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，但各自側(cè)重點不同：mMTC主要是人與物之間的信息交互，eMTC主要體現(xiàn)物與物之間的通信需求

eMTC?enhanced Machine-Type Communication增強機器類通信。是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，超可靠低時延，側(cè)重點主要體現(xiàn)物與物之間的通信需求

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2、5G的特點

5G網(wǎng)絡(luò)空口至少支持20Gbps速率。用戶10秒鐘就能夠下載一部UHD（超高清，分辨率4倍于全高清，9倍于高清）電影。

核心網(wǎng)功能分離。核心網(wǎng)用戶面部分功能下沉至CO（中心主機房，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的eNodeB），從原來的集中式的核心網(wǎng)演變成分布式核心網(wǎng)，使得核心網(wǎng)功能在地理位置上更靠近終端，減小時延。

分布式應(yīng)用服務(wù)器（AS）。AS部分功能下沉至CO（中心主機房，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的eNodeB）,并在CO部署MEC。MEC類似于CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）的緩存服務(wù)器功能，但不僅于此。它將應(yīng)用、處理和存儲推向移動邊界，使得海量數(shù)據(jù)可以得到實時、快速處理，以減少時延、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

重新定義BBU和RRU功能。將PHY、MAC，或者RLC層從BBU分離下沉到RRU，以減小前傳容量，降低前傳成本。

NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，Network Function Virtualization）。就是將網(wǎng)絡(luò)中的專用電信設(shè)備的軟硬件功能（比如核心網(wǎng)中的MME, S/P-GW和PCRF，無線接入網(wǎng)中的數(shù)字單元DU等）轉(zhuǎn)移到虛擬機（VMs，Virtual Machines）上，在通用的商用服務(wù)器上通過軟件來實現(xiàn)網(wǎng)元功能。

SDN，即軟件定義網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)通過SDN連接邊緣云和核心云里的VMs（虛擬機），SDN控制器執(zhí)行映射，建立核心云與邊緣云之間的連接。網(wǎng)絡(luò)切片也由SDN集中控制。

SDN，NFV和云技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)從底層物理基礎(chǔ)設(shè)施分開，變成更抽象靈活的以軟件為中心的構(gòu)架，可以通過編程，來提供業(yè)務(wù)連接。

網(wǎng)絡(luò)切片。5G網(wǎng)絡(luò)將面向不同的應(yīng)用場景，比如，超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等等，不同的場景對網(wǎng)絡(luò)的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至是計費方式的要求是不一樣的，因此，需要將物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)面向不同的應(yīng)用場景需求。虛擬網(wǎng)絡(luò)間是邏輯獨立的，互不影響。

只有實現(xiàn)NFV/SDN之后，才能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片。

面向超高清視頻一類的大容量移動寬帶業(yè)務(wù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，需引入CDN技術(shù)，在CO（中心主機房，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的eNodeB）配置緩存服務(wù)器，并將核心網(wǎng)部分用戶面功能下沉至CO。

3、4G與5G比較分析

無線接入網(wǎng)( RAN：Radio Access Network)通俗地講，把所有的手機終端，都連接到網(wǎng)絡(luò)里面的這個功能，就是無線接入網(wǎng)。大家耳熟能詳?shù)幕?BaseStation)，就是屬于無線接入網(wǎng)(RAN)。

無線基站

雖然我們從1G開始，歷經(jīng)2G、3G，一路走到4G，號稱是技術(shù)飛速演進(jìn)，但整個通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯架構(gòu)，一直都是：手機→接入網(wǎng)→承載網(wǎng)→核心網(wǎng)→承載網(wǎng)→接入網(wǎng)→手機。

通信過程的本質(zhì)，就是編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、加密解密。

通信標(biāo)準(zhǔn)更新?lián)Q代，無非是設(shè)備改個名字，或者挪個位置，功能本質(zhì)并沒有變化。

一個基站，通常包括BBU(主要負(fù)責(zé)信號調(diào)制)、RRU(主要負(fù)責(zé)射頻處理)，饋線(連接RRU和天線)，天線(主要負(fù)責(zé)線纜上導(dǎo)行波和空氣中空間波之間的轉(zhuǎn)換)。

在最早期的時候，BBU，RRU和供電單元等設(shè)備，是打包塞在一個柜子或一個機房里的。

基站一體化后來，慢慢開始發(fā)生變化。怎么變化呢?通信磚家們把它們拆分了。首先，就是把RRU和BBU先給拆分了。

硬件上不再放在一起，RRU通常會掛在機房的墻上。

BBU有時候掛墻，不過大部分時候是在機柜里。

機柜里的BBU

再到后來，RRU不再放在室內(nèi)，而是被搬到了天線的身邊(所謂的“RRU拉遠(yuǎn)”)。

天線+RRU

這樣，我們的RAN就變成了D-RAN，也就是Distributed RAN(分布式無線接入網(wǎng))。這樣做有什么好處呢?

一方面，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。

另一方面，可以讓網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更加靈活。畢竟RRU加天線比較小，想怎么放，就怎么放。

說到這里，請大家注意：通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演進(jìn)，無非就是兩個驅(qū)動力，一是為了更高的性能，二是為了更低的成本。

有時候成本比性能更加重要，如果一項技術(shù)需要花很多錢，但是帶來的回報少于付出，它就很難獲得廣泛應(yīng)用。

RAN的演進(jìn)，一定程度上就是成本壓力帶來的結(jié)果。

在D-RAN的架構(gòu)下，運營商仍然要承擔(dān)非常巨大的成本。因為為了擺放BBU和相關(guān)的配套設(shè)備(電源、空調(diào)等)，運營商還是需要租賃和建設(shè)很多的室內(nèi)機房或方艙。

大量的機房=大量的成本。于是，運營商就想出了C-RAN這個解決方案。這個C，不僅代表集中化，還代表了別的意思：

相比于D-RAN，C-RAN做得更絕。

除了RRU拉遠(yuǎn)之外，它把BBU全部都集中起來放在中心機房(CO，Central Office)。

這一大堆BBU，就變成一個BBU基帶池。C-RAN這樣做，非常有效地解決了前文所說的成本問題。整個移動通信網(wǎng)絡(luò)中，基站的能耗占比大約72%，基站里面空調(diào)的能耗占比大約56%。

傳統(tǒng)方式機房的功耗分析

也就是說，運營商的錢，大部分都花在基站上，花在基礎(chǔ)設(shè)施上，花在電費上。

采用C-RAN之后，通過集中化的方式，可以極大減少基站機房數(shù)量，減少配套設(shè)備(特別是空調(diào))的能耗。

若干小機房，都進(jìn)了大機房，這樣租金、維護(hù)費、人工費用也跟著減少了。

另外，拉遠(yuǎn)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(fā)射功率就低了。低的發(fā)射功率意味著用戶終端電池壽命的延長和無線接入網(wǎng)絡(luò)功耗的降低。說白了，你手機會更省電，待機時間會更長，運營商那邊也更省電、省錢!

此外，分散的BBU變成BBU基帶池之后，更強大了，可以統(tǒng)一管理和調(diào)度，資源調(diào)配更加靈活!

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(shù)據(jù)收發(fā)、信道質(zhì)量等信息。強化的協(xié)作關(guān)系，使得聯(lián)合調(diào)度得以實現(xiàn)。小區(qū)之間的干擾，就變成了小區(qū)之間的協(xié)作(CoMP)，大幅提高頻譜使用效率，也提升了用戶感知。

此外，BBU基帶池既然都在CO(中心機房)，那么，就可以對它們進(jìn)行虛擬化了!

虛擬化，就是網(wǎng)元功能虛擬化(NFV)。簡單來說，以前BBU是專門的硬件設(shè)備，非常昂貴，現(xiàn)在，找個x86服務(wù)器，裝個虛擬機(VM，Virtual?Machines)，運行具備BBU功能的軟件，然后就能當(dāng)BBU用啦!

正因為C-RAN這種集中化的方式會帶來巨大的成本削減，所以，受到運營商的歡迎和追捧。C-RAN是是中國移動提出的并積極推動C-RAN的部署。

到了5G時代，接入網(wǎng)又發(fā)生了很大的變化。在5G網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)不再是由BBU、RRU、天線這些東西組成了。而是被重構(gòu)為以下3個功能實體：?CU、DU、AAU。

CU和DU，以處理內(nèi)容的實時性進(jìn)行區(qū)分

AAU=RRU+天線

注意，在圖中，EPC(就是4G核心網(wǎng))被分為New Core(5GC，5G核心網(wǎng))和MEC(移動網(wǎng)絡(luò)邊界計算平臺)兩部分。MEC移動到和CU一起，就是所謂的“下沉”(離基站更近)。

核心網(wǎng)部分功能下沉

之所以要BBU功能拆分、核心網(wǎng)部分下沉，根本原因，就是為了滿足5G不同場景的需要。5G是一個“萬金油”網(wǎng)絡(luò)，除了網(wǎng)速快之外，還有很多的特點，例如時延低、支持海量連接，支持高速移動中的手機，等等。

不同場景下，對于網(wǎng)絡(luò)的特性要求(網(wǎng)速、時延、連接數(shù)、能耗...)，其實是不同的，有的甚至是矛盾的。

例如，你看高清演唱會直播，在乎的是畫質(zhì)，時效上，整體延后幾秒甚至十幾秒，你是沒感覺的。而你遠(yuǎn)程駕駛，在乎的是時延，時延超過10ms，都會嚴(yán)重影響安全。

所以，把網(wǎng)絡(luò)拆開、細(xì)化，就是為了更靈活地應(yīng)對場景需求。

說到這里，就要提到5G的一個關(guān)鍵概念——「切片」。

切片，簡單來說，就是把一張物理上的網(wǎng)絡(luò)，按應(yīng)用場景劃分為N張邏輯網(wǎng)絡(luò)。不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于不同場景。

不同的切片，用于不同的場景

網(wǎng)絡(luò)切片，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，實現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化要求。

可以這么理解，因為需求多樣化，所以要網(wǎng)絡(luò)多樣化;因為網(wǎng)絡(luò)多樣化，所以要切片;因為要切片，所以網(wǎng)元要能靈活移動;因為網(wǎng)元靈活移動，所以網(wǎng)元之間的連接也要靈活變化。

所以，才有了DU和CU這樣的新架構(gòu)。

依據(jù)5G提出的標(biāo)準(zhǔn)，CU、DU、AAU可以采取分離或合設(shè)的方式，所以，會出現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)部署形態(tài)：

回傳、中傳、前傳，是不同實體之間的連接

上圖所列網(wǎng)絡(luò)部署形態(tài)，依次為：

a)????與傳統(tǒng)4G宏站一致，CU與DU共硬件部署，構(gòu)成BBU單元。

b)????DU部署在4G BBU機房，CU集中部署。

c)????DU集中部署，CU更高層次集中。

d)????CU與DU共站集中部署，類似4G的C-RAN方式。

這些部署方式的選擇，需要同時綜合考慮多種因素，包括業(yè)務(wù)的傳輸需求(如帶寬，時延等因素)、建設(shè)成本投入、維護(hù)難度等。

舉個例子，如果前傳網(wǎng)絡(luò)為理想傳輸(有錢，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(wǎng)絡(luò)為非理想傳輸(沒錢，沒那么多光纖)，DU可以采用分布式部署的方式。

再例如，如果是車聯(lián)網(wǎng)這樣的低時延要求場景，你的DU，就要想辦法往前放(靠近AAU部署)，你的MEC、邊緣云，就要派上用場。

參考文獻(xiàn)：

1、一張圖看懂5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，http://www.360doc.com/userhome/30136251

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

3、2017年中國第五代通信技術(shù)（5G）發(fā)展前景分析及預(yù)測，http://www.chyxx.com/industry/201712/598125.html

4、2018年中國第五代移動通信技術(shù)(5G)現(xiàn)狀分析及市場前景預(yù)測，華經(jīng)情報網(wǎng)

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