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5G NR基站部署的规划研究

2019-05-07 09:49 《邮电设计技术》
关键词:5GNR基站

导读:5G的RAN构架从4G的BBU+RRU双层架构升级为CU+DU+RRU 3层架构,在5G NR基站规划部署时,通过3层架构的灵活组合,结合承载网路由和网络应用网关的合理部署,可针对性地满足不同应用场景的需求。

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图片来自“东方IC”


【编者按】随着5G RAN 3层架构的逐渐明确,原4G时代的BBU拆分为CU和DU,其中非实时的无线高层协议栈功能引入到CU,物理层功能和实时性需求的层2功能引入到DU,部分实时性更高的物理层功能并入RRU。5G NR基站的规划正是基于新的3层架构,通过从4G到5G RAN架构的演进、CU/DU/RRU多种部署组合方式、NR基站多种部署方式资源需求、场景应用等多方面分析,论述了5G NR基站部署需要关注的问题。


过去30年来,移动通信从语音通信发展到移动宽带数据通信,无论是通信技术还是业务需求和用户行为,都发生了翻天覆地的变化,用户需求不再只是基础的语音、短信和低速数据业务,增强移动带宽(eMBB)、大连接物联网(mMTC)、超高可靠低时延通信(uRLLC)等业务需求逐渐进入人们的视野,随着2014年IMT-2020(5G)推进组发布第一份白皮书,第五代移动通信系统被正式提上日程。

5G网络为满足上述三大应用场景下的差异化需求,在无线网层面将采用多种关键技术,如超密集异构网络、毫米波技术、NR 3层架构设计、大规模天线(Massive MIMO)、高阶调制、云计算网络等。5G多样化应用场景下,用户对带宽、时延、连接数、移动性和可靠性都有不同的需求,本文将针对不同的应用场景,分析探讨NR基站的规划和部署方法。

RAN架构的演进

在4G时代,国内外运营商已在积极探索C-RAN即BBU的集中部署,RAN架构主要由BBU和RRU组成,通过BBU集中部署,RRU近天线端安装,可大大减少机房、电源配套资源需求,降低选址难度,提升运维便利性,从而降低运营商CAPEX和OPEX。但是BBU集中对CPRI传输的需求很高,所以在实际操作中,很难做到大规模的BBU集中部署。

到了5G时代,随着应用场景的细分,传统的BBU+RRU模式已无法满足多种场景的需求。因此,5G RAN架构将BBU进行了拆分和重构,根据处理内容的实时性,将BBU重构为中央单元CU和分布单元DU 2个功能实体,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(UP)下沉和MEC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。同时,为了节省RRU与DU之间的传输资源,部分物理层功能也可下移至RRU实现(见图1)。


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图1 5G NR三层架构

目前4G采用的CPRI接口主要适用于点对点连接,由于其传输效率低、灵活性差、难以扩展等缺点,特别是集中化部署成本过高,无法满足面向5G演进的前传网络组网需求。因此5G需要采用基于下一代前端传输接口(NGFI)的eCPRI接口,eCPRI接口遵循统计复用、载荷相关的自适应带宽变化、支持性能增益高的协作化算法、接口流量与RRU天线数无关、空口技术中立、RRS归属关系迁移等基本原则。

5G NR基站部署方式

基于5G NR灵活的3层架构和高效的eCPRI接口,5G NR可以通过CU/DU/RRU的灵活组合达到部署的多样化。

根据DU前置或集中部署,CU前置、集中部署或者云化,5G NR部署方式可组合为以下4种。

传统基站部署

与传统的3G/4G基站类似,RRU与天线合设为AAU,DU/CU同址安装于本站机房,RRU与DU通过光纤直连(见图2)。


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图2    传统基站部署示意图

DU前置CU集中部署

此部署方式RRU与天线合设为AAU,DU同址安装于本站机房,RRU与DU通过光纤直连,CU集中安装于中心机房,CU与DU通过传输网络连接(见图3)。


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图3    DU前置CU集中部署示意图

DU/CU集中部署

此部署方法RRU与天线合设为AAU,DU/CU集中安装于中心机房,RRU与DU通过传输网络连接(见图4)。


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图4    DU/CU集中部署示意图

DU集中部署,CU云化

此部署方法RRU与天线合设为AAU,DU集中安装于中心机房,RRU与DU通过传输网络连接,CU云化,并通过传输网络与DU连接(见图5)。


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图5    DU集中部署,CU云化示意图

多种部署方式需求及应用分析

2015年,3GPP正式定义了5G的3类典型应用场景:增强移动带宽(eMBB)、大连接物联网(mMTC)、超高可靠低时延通信(uRLLC)。

eMBB:指在现有移动宽带业务场景的基础上,对于用户体验等性能的进一步提升,主要还是追求人与人之间极致的通信体验。其特征为吞吐量大,主要用户为手机、平板电脑等设备。

mMTC:其特征为大连接,主要用户为智能抄表、智能灌溉等。

uRLLC:其特征为低时延、高可靠,主要用户为AR/VR,自动驾驶等。

在部署5G NR基站时,需要从资源需求、维护、适用场景等方面进行考虑。

机房资源需求分析

不同的CU/DU部署方式,对机房资源资源的需求是不同的,具体如表1所示。

表1 不同的CU/DU部署方式,对机房资源资源的需求


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传统基站部署方式。CU/DU均部署在站点机房或室外机柜,但CU可扩展性小、不便于统一管理,故传统部署方式更适合部分对时延要求及其敏感的业务。

DU前置CU集中部署方式。DU部署在站点机房或室外机柜,CU部署中心机房,传输资源需求小,CU统一部署,便于管理维护,适合于小规模集中部署。

DU/CU集中部署方式。DU可集中部署于站点机房或中心机房,CU部署于中心机房,单一DU可管理多站点RRU,由于采用了前传,传输资源需求较大,但DU/CU集中部署,管理和维护较为便利,适合于中、大规模集中部署。当选择站点机房作为DU集中部署点时,需关注机房传输资源是否丰富,是否具备可扩容能力,站点可靠性是否高等问题,当选择在中心机房部署CU/DU时,需关注中心机房空间是否满足,并做好容灾备份。

DU集中部署。CU云化方式,DU可集中部署于站点机房或中心机房,CU云化后,MEC等应用下沉到中心机房,与CU共享硬件,逻辑独立,有利于提升用户体验。CU云化可实现统一的多连接锚点,位置较高,减少传输反传,减少不必要的切换,集中的控制面可以实现资源的合理调度,享受统计复用增益,但同时也存在着一定的弊端,首先是管理复杂度提高,安全性和可靠性要求提高,由于CU层级提高,信令时延也相应增加,在考虑CU云化部署的时候,需要综合考虑以上因素。

传输网络光纤资源需求分析

在5G建网初期,按每站3扇区考虑,RRU与DU之间需要6根光纤(单芯单向)或者3根光纤(单芯双向),而随着5G网络建设不断进行,高低频混合组网,光纤资源需求成倍增加,传输网络的压力也会不断增高。

针对传统基站部署和DU前置CU集中部署,由于DU和RRU在同一站点,不需要通过传输网络,故RRU和DU之间可通过光纤直连。

针对DU/CU集中部署和DU集中部署、CU云化,由于DU和RRU之间需要经过传输网络,光纤直连方式将导致传输网络光纤容量无法承受,需要引入相应的WDM技术,节约光纤资源(见图6)。


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图6 光纤直连方式与WDM方式连接示意图

安全性和维护便利性分析

在考虑5G NR基站的部署时,不仅需要考虑机房、传输等资源需求,也需要考虑各种部署方式对整网的安全影响以及后期运维的便利性。CU/DU集中度越高,集中站点的安全性就显得更加重要,在规划集中部署站点时,需要综合考察集中机房的交通便利度、机房防火防灾响应能力、传输网络情况、电源配套容量等问题(见表2)。

表2    不同部署方式的比较

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三大场景5G NR部署关注事项

根据3GPP定义,eMBB、mMTC和uRLLC三大场景由于关注业务不同,对网络和时延的要求也不尽相同。如eMBB关注高速率、大吞吐量,mMTC关注大连接,uRLLC关注低时延、高可靠性能,针对不同的要求,CU/DU的部署方式也各有不同。

针对时延敏感的业务:如AR/VR、自动驾驶等uRLLC业务,可采用传统基站部署方式或DU前置CU集中的小集中部署方式,将CU、DU尽量靠近RRU,同时将应用网关下移,降低传输时延。

针对时延不敏感的业务:如智能抄表、智能灌溉等mMTC业务,可采用DU/CU集中部署方式或DU集中、CU云化等大集中部署方式,从优化网络运维角度出发,降低运维成本。

5G站点的部署,会依据业务应用场景的不同而采用不同的部署方式,即便是同一种业务,在不同的地区,也会因为机房、光纤、距离等条件的不同,而采用不同的部署方式,因此,5G网络将会采用多种部署方式共存。

与4G相比,5G的应用场景更加细化,传统的单一的网络架构设计已经不能够满足5G的多样化需求,在此背景下,5G的RAN构架从4G的BBU+RRU双层架构升级为CU+DU+RRU 3层架构,在5G NR基站规划部署时,通过3层架构的灵活组合,结合承载网路由和网络应用网关的合理部署,可针对性地满足不同应用场景的需求。未来随着5G应用场景越来越丰富,网络部署的个性化需求也会越来越多,如何合理地规划5G NR基站是一个需要关注的问题。