5G系統架構

原文標題：邁向5G之路，顛覆性的5G系統架構？

 

　　本文部分圖片，資料摘自《邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰》

　　突如一晚上春風來，隨着Polar碼與LDPC碼做爲5G編碼候選方案，通訊圈裏也掀起了對於5G編碼技術討論的熱潮。管窺一斑，既然一個小小的編碼方案都能將通訊圈的熱情點燃到了最高點，那麼5G的系統架構究竟是什麼樣的呢？是延續234G煙囪式接入網架構仍是有什麼顛覆性的變革？小編和你們一同窗習一下。

　　首先咱們先了解下專業術語中的一個概念，什麼是「煙囪式」的接入網結構？

　　

　　（小編注：通訊中常常有這樣那樣唬人的術語，初接觸起來感受深不可測，若是誰侃侃而談這些術語，像極了武俠小說中的功夫極高深的前輩教授的那些心法口訣，讓人不可望，更不可及，可是熟悉了這些術語概念後以爲也沒啥，用大白話也能說，只不過用這些術語交流起來省事一些，因此無需被言必稱術語的專家嚇住，也無需爲不懂術語而妄自菲薄，慢慢來，適應就好）。

　　現網234G網絡中接入網的架構基本屬於從核心網到接入網一條線這樣的架構，而接入網之間自己基本沒有業務層面的互聯，像3G中Iur接口爲了RNC之間的信令和數據交互，而4G中基站X2接口主要爲了交互UE跨基站切換的資源準備信令或者eNodeB之間的信令數據交互。所以，從資源協調，處理負荷分擔，干擾抑制等方面都難以進行動態（半動態）的協做適配，從機房的佈局來看，不只是物理站點仍是邏輯站都是一站式的，彼此之間是割裂的，這就比如一段段各自突兀林立的煙囪，相互之間是垂直的，彼此之間沒有實質的聯繫。

　　在5G電信網絡的架構設計中，目前有一種新的構建思想，就是使得龐大的接入網更加集中化，更加協做化（這裏和集中化不矛盾，集中化指相對分佈各處的射頻單元的管理更加集中，而協做化指基帶處理設備的交互更加密切，更多可以承載核心網的既有功能，使得更貼近射頻前端，信令迂迴的路由更短，相對更加扁平），更加「雲」化，甚至更加「綠」化（綠化指的是功耗的下降，更加節能），這樣的好處也是顯而易見的，相對於控制面信令的處理而言使得信令交互時延下降，更加契合將來移動通訊系統對於低交互時延的需求。同時，相對業務層面而言，對於負荷的分擔，資源最大化利用都是比較理想的網絡結構設計，這對於現實中的潮汐話務效應也能找到比較合理的解決方案，同時對於運營商一直頭疼的廠家license受限問題也能必定程度上緩解。站在網絡安全備份的角度，單基帶節點斷了之後，還能夠經過雲化的基帶進行備份。不過，對於將基帶設備集中式的布放到一個物理機房中也存在運維中的安全風險（儘管這樣能夠節省基站機房，可是後續可能會增長傳輸機房），好比機房斷電，之前隻影響一個基站的覆蓋，而如今有可能影響一大片的基站覆蓋，影響更大。

　　其實C-RAN的故事由來已久，並非5G時代的什麼新鮮概念，從2G-3G-4G伴隨着大規模的網絡不斷建設，C-RAN一直是業內探索的話題。在23G網絡大規模部署時期，C-RAN涉及到對於現網機房，設備，傳輸的過多升級改造，並無大規模的開展，而在4G建網初期，主要受限於前傳網絡（小編注,什麼是前傳網絡，彆着急，咱們先賣個關子）消耗太高的傳輸資源，在技術層面有必定的受限，而經過了CPRI（BBU-RRU之間的接口）壓縮技術以及無源波分設備WDM（彩光）技術的結合，必定程度上能夠解決前傳網絡的光纖資源消耗過多的問題。

　　

　　爲何說5G網絡架構是顛覆性的，這是因爲接入網的基礎處理單元BBU可能被重構爲CU（Centralized Unit，集中式單元）和DU（Distributed Unit，分佈式單元）兩個功能實體，CU設備處理無線高層協議棧功能，例如RRC層，PDCP層等，甚至也可以支持部分核心網功能下沉至接入網，術語稱做邊緣計算網絡，可以知足將來通訊網絡對於新興業務例如視頻，網購，虛擬/加強現實對於網絡時延的更高要求，也正是因爲通訊網元，結構的變化，致使協議棧都會進行相應的調整變化，所以對於下一代網絡的命名，5G NR（New Radio）也形象的說明了未來5G網絡自身多方面顛覆性的變化。DU設備主要處理物理層功能和實時性需求較高的層2功能，考慮到RRU與DU的傳輸資源，部分DU的物理層功能能夠上移到RRU，伴隨RRU的小型化，甚至更激進的DU能夠與RRU進行合併。

　　

　　從上圖能夠看到，傳統的BBU被一分爲二，CU涵蓋了無線接入網高層協議棧以及核心網的一部分功能，而DU涵蓋了基帶處理的物理層以及層2部分功能，CU能夠集中式的布放，DU布放取決實際網絡環境，核心城區，話務密度較高，站間距較小，機房資源受限的區域，例如高校，大型演出場館等，DU也能夠集中式布放，而話務較稀疏，站間距較大等區域，例如郊縣，山區等區域，DU能夠採起分佈式的布放方式。目前的234G網絡，因爲其煙囪式，星型分佈式的接入網架構，突顯了回傳（Backhaul）傳輸網絡的做用，而接入網的局部集中式的布放架構使得前傳（Fronthaul）傳輸網絡的角色登上了舞臺，能夠說前傳網絡就是CU到遠端RRU的一系列傳輸鏈路。

　　在C-RAN架構中，C還能夠表明Cloud（雲化），爲了實現運化，從系統設計架構，軟硬件的實現上面都須要適配性的考慮。5G系統架構中提出瞭解耦和切片兩個概念。解耦包括兩個層面，一個是業務請求與空口資源分配之間解耦，像在4G移動系統中，經過QoS，GBR，ARP等網絡參數的設置以及用戶的簽約信息，將業務與資源進行了相對寬鬆耦合，2G網絡中業務與資源的耦合更緊，好比每一個話音用戶至少分配2M傳輸鏈路資源。另外一層解耦是軟硬件處理能力的解耦，底層硬件統一以X86刀片機通用硬件集中部署，中層以虛擬化層進行邏輯劃分，上層進行功能軟件的應用開發。因此這兩層解耦的意義不只從「縱向」的業務與資源實現「去捆綁」解耦，同時對於集中部署的CU網元也從「橫向」實現了軟硬功能分離解耦。網絡端到端切片也比較好理解，就是將網絡的端到端功能經過新的物理/邏輯網元架構（CU-DU）進行從新劃分，好比說核心網的NAS流程部分功能下移，接入層的高層協議棧部分與物理層，MAC層分離。隨着傳統網元功能切片更加細分，C-RAN雲化的能力會不斷成熟。解耦實現了業務的解放，而切片更將產業鏈條不斷的細分和標準化。能夠粗略理解「解耦"就像提供了手機的操做平臺，各類OTT（APP）提供商不在依賴平臺進行開發，而在一個公共的平臺上能夠提供本身的軟件服務。而"切片"定義了相似筆記本電腦標準化的USB接口，各類USB硬件提供商只要按照標準協議設計，均可以和筆記本進行「插拔式」的無縫對接。

　　依託C-RAN的網絡系統，不只在現有234G網絡技術，組網架構上會產生革命性的變化，未來的網絡最大的顛覆之處在於對現有網絡設備提供商的衝擊，由於在現有的通用硬件架構上，IT提供商也能夠提供基於標準協議的通訊服務，打破了傳統網絡設備提供商對通訊市場的長期壟斷地位。甚至運營商也能夠本身編程來實施，這也是運營商目前提倡經過自身能力挖潛的Devops模式根源所在。所以，隨着5G時代的來臨，傳統的設備提供商，大家準備好了麼？

　　任何的新技術，新架構帶來的技術，產業革命都不能盲目的過度樂觀，要知道運營商「雲」化之路的實現還須要面對不少實際的現網改造以及運維管理問題，好比基站機房利舊改造，傳輸機房的新建，機房安全維護重要性升級，設備之間的接口適配等等。C-RAN標準化之路其實也還任重道遠，但咱們依然對C-RAN這朵絢爛的「雲之花」充滿了期待。

　　

　　也許，就在不久的將來，天線技術將成爲傳統設備商捍衛通訊市場最終的舞臺