灵活RAN架构应对未来业务挑战

发布时间:2018-09-03  作者:中兴通讯5G产品网络架构规划总监 李邈  阅读量:

5G RAN架构分析

相对于之前无线通信标准的演进,5G是一次全面的技术革新。5G主要有3个核心应用场景,即eMBB、uRLLC和mMTC,分别对应大流量、低时延高可靠、低功耗物联网等三大类业务。进一步细分下去,超高清视频、AR/VR、智能电网、智能交通、工业自动化、自动驾驶等领域均在其涵盖范围内。

可以看到,与4G单一的移动宽带服务相比,5G的愿景更为广阔,其瞄准的目标市场也从纯粹的CT市场向繁多的垂直行业市场演变。但要适配众多的市场特性和业务需求,传统以网元为基础、软件功能与硬件紧密耦合的接入网形态难以为继,我们需要更为灵活、通用、自适应的新型接入网网络架构。因此在5G网络架构研究中,采用可切分的RAN新架构。

在4G时代,3GPP引入了扁平化的无线接入网架构,接入侧功能统一聚合在eNodeB。到了5G时代,为什么又要进行切分呢?主要原因有以下几个:

● 前传带宽的限制
基于CPRI实现BBU和RRU分离时,采用理想前传每10MHz单天线端口所需CPRI带宽为614.4Mbps。如果采用1GHz的5G最大带宽,采用256天线,则CRPI所需带宽将达到T比特级别,其造成的前传成本提升不可接受。对现有RAN架构进行切分,可有效降低前传的带宽需求。

● 集中协同的处理要求
5G在频率方面,目前可预见的包括Sub 6GHz和毫米波,未来可能还会涉及非授权频段;组网方面,必然会引入宏微多层覆盖的异构网络;覆盖密度方面,为了实现5G的性能目标,需要增加带宽、提高频谱效率并增加站址密度。要在如此复杂的网络中获得更大的性能增益,可以考虑引入一个中央处理单元来实现干扰管理和话务聚合。

● 边缘计算的引入
在移动领域,边缘计算(MEC)主要指将计算能力下沉到无线网络的边缘,增加计算、存储、处理功能,以降低处理时延、提升访问效率和吞吐量。大视频、车联网、区块链等领域,都是边缘计算的典型应用场景。虽然边缘计算的特性是将应用下沉,但一个完全分布式、直接部署在站点机房的架构部署难度极大,从收益来说也并非必要。引入一个集中式的逻辑节点,在该节点上部署MEC,反而可实现效率最大化。

● 分布单元保留的必要性
由于5G的带宽大、天线数目多,无法完全集中化管理,多天线处理、前传压缩等功能还需要在远端分布单元中实现;另一方面,集中化的节点部署层次高,与终端距离远,引入的传输时延不可忽略。一些对实时要求高的功能,如编解码、资源调度等,更适合部署在远端的分布式单元,而非集中处理。

如上所述,引入集中式的节点在5G时代是必要的,而分布式单元也必须保留。要同时达到这两个目的,中兴通讯采用可分离的灵活RAN架构,以在各种场景下提供更大的灵活性。

切分形态

中兴通讯的5G架构将5G的BBU功能重构为CU(Centralized Unit) 和DU(Distributed Unit)两个功能实体,CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分,实现了完全符合3GPP标准的高层切分形态。CU设备主要包括非实时的无线高层协议栈功能,同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署,而DU设备主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能。为了减少前传带宽,还将一部分DU功能上移到RRU中,即级联(Cascade)架构。除协议栈本身的功能分布外,我们也对RAN切分后可能对调度、时延等的影响进行了深入评估,输出可适配多种用户站点形态、业务类型和频段的RAN部署架构模型。经验证,这种架构下前传带宽可缩小到非切分时的1/7左右,可满足5G的大带宽需求。

云化与非云化部署

虚拟化的引入将网络软件功能从黑盒设备中解耦,实现了软硬件分离,由此也带来灵活部署、资源池化、弹性伸缩等增益。5G系统中接入网侧由于基带处理等实时特性,并不能像核心网一样实现完全虚拟化。但接入网高层功能对实时性要求并不高,因此将实时和非实时功能切分,为接入网的部分虚拟化带来了可能。

在CU/DU分离后,可以将承载非实时功能的CU,承载于通用物理器件上,而接入网高层功能以虚拟机的形态运行;而切分后的DU依然采用专用的物理器件。这样集中部署的CU形态,我们可称之为Cloud CU或云化CU。与之相对的,则是没有引入虚拟化技术、传统的接入网非云化部署形态。一种是多个BBU完全独立,不共站址部署的形态,我们称之为D-RAN;另外一种则是多个BBU共站部署,此时BBU的基带资源池可能共享,也可能彼此独立。这种形态,我们称之为C-RAN。

中兴通讯的5G 接入网,支持上述所有形态的部署架构。这不止是为了前向和后向的兼容性,更多的是为了应对复杂多样的业务场景。

CP/UP的汇聚优化

在通过分离来适配带宽和部署架构后,中兴通讯5G RAN还可在集中式的CU节点上实现控制面和用户面汇聚的优化处理。

对控制面(CP)而言,多个小区或站点对应CP的汇聚可以统一进行资源协同、干扰控制、负荷分担等处理,其效率和效果均优于分布式基于接口的RRM(Radio Resource Management)操作;对用户面而言,多个用户面(UP)汇聚有利于跨小区乃至跨站的报文交互,原本要通过接口投递的数据,现在只需在集中式节点共享上下文即可;原本移动性过程中需要迁移的到核心网承载,现在则可链路复用。

这些集中式的收益,在4G的C-RAN中也可以部分实现。但对5G而言,因其组网架构复杂、站址密度高、频段丰富,对业务连续性和可靠性的要求更高于4G,因此CP/UP汇聚处理的必要性和收益都更为明显。中兴5G RAN已可在CU/DU分离架构基础上,通过汇聚来实现如上所述的性能增强,并将进一步在此基础上继续探索,引入包括能力开放、网络自优化、AI等可利用汇聚节点提升用户体验的特性。

更进一步的CP/UP分离

在CU/DU分离的基础上,为了进一步适配不同业务的请求。接入网的CU侧,还可以更进一步地将控制面和用户面再行分离。分离后的CP和UP彼此解耦,通过标准的E1接口进行交互,可部署在不同的物理节点。

 图1展示了CP/UP分离后的接口,但并未完全描述CP和UP的部署形态。实际上,CP/UP进一步分离后,其部署的位置可根据需要来选择。如分离后的CP可以进一步集中,更好地实现控制面的协同功能;分离后的UP可以根据业务时延需求,选择部署在网络边缘或更高一层的节点。



灵活的5G RAN架构

如上所述,引入CU/DU分离设计后,在5G RAN架构中出现了D-RAN、C-RAN、Cloud-RAN等多种架构,而CP/UP的进一步分离则使得架构的变化更为多样。但需要说明的是,这些架构之间并非彼此互斥,运营商完全可以根据自己的需要来进行灵活的网络部署。

在从4G网络向5G网络演进的过程中,可以从D-RAN部署开始,逐步引入不同的架构形态。而在5G成熟商用部署后,这三种架构依然可以根据区域、业务需要,在同一张网络中共存。中兴通讯5G RAN灵活的拓扑结构,可兼容适应理想前传和非理想前传的传输环境,不止可支持多种形态,更可以根据不同应用场景自适应进行架构调整。

三种架构的适用场景如下:

● D-RAN:低时延业务场景、网络初期快速部署;

● C-RAN:站址机房空间不足、前传光纤资源受限、BBU基带资源池化需求;

● Cloud-RAN:与MEC共平台部署、集中管理和协同要求、采用通用化器件、基于切片的编排和弹缩。

下面列举两个典型的5G业务应用场景,我们来看一看灵活的5G RAN架构如何适配这些场景,实现最佳用户体验。

● 4G/5G融合场景:采用LTE和5G双连接的方式,控制面经由LTE基站,保证连续覆盖;用户面数据经由5G DU单元,解决高流量无线接入;控制面和用户面高层协议均集中汇聚在CU单元。终端移动时,保持控制面以及用户面锚点不变,实现无缝移动性。

● 车联网场景:在靠近路边的位置部署DU单元,辅助实现车端V2V/V2X无线资源分配;CU单元可部署在上级节点,应用服务器可部署在CU侧,实现应用层的快速反馈交互。

总体来说,通过对RAN侧的功能切分,使得业务驱动的接入网重组成为可能。这种重组既包含功能层次分离,也包含处理的汇聚、应用服务的下移、核心网功能的融合。更为重要的是,这诸多形态,可以由网络根据需要自适应使能。中兴通讯5G RAN架构所具备的这种通用性和灵活性,正切合5G“万物互联”的商业诉求,符合移动通信的未来发展方向。

分享到:

 选择国家/语言

Global - English China - 中文