5G NR基站部署规划研究

关东黑土豆

摘    要

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。

关键词

5G；CU；DU；3层架构；集中部署；eMBB；mMTC；uRLLC

0  引言

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。

1  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，同时也支撑部分核心网功能（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）。

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、支撑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。

2  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。

2.1  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同址安装于亚星游戏官网-yaxin222机房，RRU与DU通过光纤直连（见图2）。

图2    传统基站部署示意图

2.2  DU前置CU集中部署

此部署方式RRU与天线合设为AAU，DU同址安装于亚星游戏官网-yaxin222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）。

图3    DU前置CU集中部署示意图

2.3  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）。

图4    DU/CU集中部署示意图

2.4  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）。

图5    DU集中部署，CU云化示意图

3  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。

3.1  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

a） 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。

b） 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。

c） 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。

d） 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。

3.2  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）。

图6    光纤直连方式与WDM方式连接示意图

3.3  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

[td]

部署方式	安全性	维护便利性
传统基站部署	独立部署，不影响其他站点安全	CU/DU分散，维护不便
DU前置CU集中部署	小规模集中，整体风险可控	CU集中，维护便利
DU/CU集中部署	中大规模集中，存在较大风险，需关注集中机房的安全性和容灾性能	CU/DU集中，维护便利
DU集中部署、CU云化	大规模集中，存在较大风险，需关注集中机房的安全性和容灾性能	CU/DU集中，维护便利

3.4  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。

4  结束语

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。

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编辑概况

张晓江

毕业于北京邮电大学，一级建造师、咨询工程师（投资）、高级工程师，主要从事移动通信无线网络规划、设计工作。