面向5G的基站软件架构

摘 要：在无线业务宽带化及多样化发展的驱动下，移动通信网络经历了从2G、3G、4G到5G的发展历程，5G网络提供的主要特殊业务包括移动宽带增强、大连接的机器类型通信和低时延高可靠通信，因此对网络的容量、性能、可靠性的要求高。基站作为无线侧的核心设备，其软件架构也在随着移动通信网络技术的发展不断演进，5G基站软件架构从4G架构到5G架构平滑演进的考虑至关重要。

关键词：基站软件架构；集中单元；分布单元

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2018）05-0056-03

Station Software Architecture for 5G

HUANG Yong

（Comba Telecom Technology（Guangzhou）Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

Abstract：Driven by the broadband development and diversification of wireless services，the mobile communication network has experienced the development from 2G，3G，4G to 5G. The main specialties of the 5G network providing services include enhanced Mobile Broadband（eMBB），massive Machine Type Communications（mMTC），Ultra-Reliable and Low Latency Communications（URLLC）. Therefore，the requirements for network capacity，performance，and reliability are high. The base station is a wireless-side core device，and its software architecture is also evolving with the development of mobile communication network technology. It is very important that the 5G base station software architecture consider the smooth evolution of the 4G architecture to the 5G architecture.

Keywords：base station software architecture；centralized unit；distribute Unit

1 5G系统演进方案

5G作为下一代通信技术标准，需要考虑与现有无线通信系统（如LTE系统等）的共存与融合，通过4G平滑过度到5G，3GPP对5G架构的选择和演进的标准（5G架构选项）共列举了Option 1、Option 2、Option 3/3a/3x、Option 4/4a、Option 5、Option 6、Option 7/7a、Option 8/8a多种可能。

本文架构重点从运营商关注的Option 3/3a/3x及Option 2的演进来进行基站架构设计。Option 2及Option 3x的逻辑示意图如图1所示。

方案二（Option 2）是5G系统独立部署方式，5G基站（定义为gNR）连接到5G核心网（定义为NGC）。该方案运营商投入大，需要完全独立建设5G基站及核网。方案三（Option 3x）没有在第一步引入NGC，由LTE基站作为与核心网控制面连接的锚点，全部控制面信令通过LTE基站下发，用户面数据可以通过LTE核心网直接发送给5G基站，目的是尽快部署5GNR基站，通过现有4G核心网来达到数据传输目的，该方案可以减少运营商的前期投入，通过4G平滑过度到5G。

2 5G基站业务用例

由图1方案二（Option 2）及方案三（Option 3x）的逻辑图可知，5G基站架构不仅要考虑直接与5G核心网连接部署，同时还要考虑与4G基站的双连接部署，因此将5G基站架构的业务用例抽象如图2所示。

5G基站系统的外部参与包括AAU（射频处理）、eNB或NR（与4/5G双连接、切换、载波聚合等）、5GC或EPC（双载波及5G相关业务），各主要业务用户描述如下：

（1）广播系统信息：主要负责5G基站系统的广播系统信息管理；

（2）移动性管理：主要负责5G基站系统的移动性管理，包括与4/5G基站的切换、重选、测量控制管理等；

（3）传输UE数据：包括UE接入数据传输的过程管理，保证数据的有效、快速及可靠传输；

（4）寻呼终端：对终端进行寻呼管理，包括寻呼压缩和寻呼时刻计算等；

（5）双连接：实现与4G基站的双连接管理和数据传输等；

（6）载波聚合管理：实现与4G/5G基站的载波聚合管理；

（7）基站管理：5G基站参数管理、网络及空口链路管理等。

3 5G基站逻辑视图

由于5G基站系统可根据不同场景进行分布或合设部署，在分布情况下，将5G基站分为CU和DU，其中CU通过虚拟化NFV技术统一部署，DU部署在远端，一个CU可以连接多个DU。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L2功能。在合设情况下，CU与DU部署在同一个集中点，以获得最大的协作化增益，若前传网络为非理想传输（即传输网络带宽和时延有限时），CU与DU可以集中协议栈低实时性的功能，并采用集中部署的方式，5G基站（gNB）的划分如图3所示。

图3 5G基站逻辑划分

为了满足5G基站系统DU与CU的分设或合设，本方案的5G基站系统的逻辑视图设计如图4所示。

图4 5G基站逻辑视图

5G基站逻辑视图中，L3包括RRM、RRC、S1AP、SCTP、X2AP、SON、XnAP、NgAP、CELL及UE管理等功能；OAM包括日志管理、性能管理、故障管理、参数管理及状态管理；CU-L2包括GTP-U、SDAP、PDCP；DU-L2包括RLC、DMAC、CMAC；PHY包括L1协议栈。

4 5G基站系统部署

5G的RAN网络将从4G/LTE网络的BBU（Baseband Unit，基带单元）、RRU两级结构将演进到CU、DU和AAU三级结构。原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU（Centralized Unit，集中单元，包括OAM、L3、CU-L2及MEC），负责处理非实时协议和服务；BBU的部分物理层处理功能将与原RRU合并为AAU（Active Antenna Unit，有源天线处理单元）；BBU的剩余功能重新定义为DU（Distribute Unit，分布单元，包括L1、DU-L2），负责处理物理层协议和实时服务。5G基站系统的部署分两种架构，一是CU与DU合设架构，CU和DU的逻辑功能整合在同一个设备中，即这个gNB实现协议栈的全部功能；另一种是CU与DU分离架构，CU集中部署，云化部署，一个CU可以连接多个DU，如图5所示。

对于CU和DU分开部署的方式，相应的承载网也分成三部分，AAU和DU之间是前传（Fronthaul），DU和CU之间是中传（Middlehaul），CU以上是回传（Backhaul）。CU和DU合设的方式称为gNB，其承载网的结构和与4G类似，仅包括前传和回传两个部分。

5 结 论

本文考虑从4G平滑过度到5G及最终5G独立部署来设计软件架构，将5G基站系统按CU、DU逻辑独立来进行系统方案设计，并从业务用例、逻辑视图及系统部署来进行详细描述，满足不同场景部署需求，系统可扩展性好，易于移植，满足5G基站系统设计要求。

参考文献：

[1] 黄金日，段然.“迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”技术白皮书 [R].北京：中国移动研究院，2016.

[2] 中国电信.5G时代光传送网技术白皮书 [R].中国电信CTNet2025网络重构开放实验室，2017.

作者简介：黄勇（1984-），男，汉族，贵州遵义人，通信协议软件二级高级工程师，通信技术工程师，中级职称，硕士。研究方向：3G/4G/5G移动通信基站软件。