5G基站重构及前中后传带宽研究

崔波，姚键，傅子维

（中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司，广州 510623）

1 引言

随着4G进入规模商用阶段，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点，3GPP 2018年中将形成第一版5G标准（R15），2019年底冻结完整版本的5G标准（R16）。5G具有超高速率、超低时延、超大连接的特性，将面向eMBB、mMTC、uRLLC三大场景实现产业跨领域发展和产业融合，如4K/8K电视、VR/AR、智能停车、智慧抄表、无人驾驶、无人机、远程医疗等。

未来如何提供一个能够面向各类应用、高效、灵活、低成本、易维护、开放、便于创新的网络平台，将是运营商在5G时代竞争力的核心所在。面向多样化的应用场景和通信需求，5G网络需要支持无线空口资源的按需分配，需要空口资源在一定程度上与具体业务类型解耦，需要做到更进一步处理能力的软硬件解耦，实现短时间内的无线网络能力的创建和调整，网络结构与功能需适应人们对用户体验更高的要求，以及对通信时延、可靠性、安全性的新要求，网络管理应该更加自动化和智能化，以降低各类人工干扰因素，节约成本，同时在最优化资源分配和编排的基础上，提供业务所需的网络能力等等。在这样的背景下，需要考虑核心网与无线网功能的重构和融合，无线基站重构是5G网络发展的必然。

2 5G基站重构与功能切分

面向未来5G网络发展需求，5G基站将由4G的BBU-RRU架构重构为CU-DU- RRU (AAU)架构，原BBU功能将被重构为CU (Centralized Unit)和DU(Distributed Unit)两个功能实体[1]， 如图1所示。

CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分，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功能，考虑节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。根据3GPP最新技术报告，在协议栈上重构的基站功能切分可分为8种选择方式[2]，具体如图2所示。

图1 5G基站重构为CU-DU-RRU(AAU)

其中，CU-DU间的功能切分采用Option 2方式目前已明确，也就是将PDCP/RRC作为集中单元并将RLC/MAC/PHY作为分布单元；DU-RRU(AAU)间的功能切分可采用Option 8方式或Option 7方式两种，前者仅将RF作为RRU(AAU)功能，此时前传网络为传统的CPRI接口，而后者把PHY进一步分成Low-PHY和High-PHY，将RF和Low-PHY共同作为RRU(AAU)功能，此时前传网络为eCPRI接口，将大大降低前传带宽，具体分析详见3.1节。DURRU(AAU)间的功能切分具体采用哪种方式尚无结论，但采用Option 7的方式在业界呼声较高。

从具体的实现方案上，CU设备采用通用平台实现，这样不仅可支持无线网功能，也具备了支持核心网功能和边缘应用的能力，DU设备可采用专用设备平台或通用+专用混合平台实现，支持高密度数学运算能力。引入 NFV（Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化）框架后，在MANO（Management and Orchestration，管理编排器）的统一管理和编排下，配合网络SDN（Software-Defined Network）控制器和传统的操作维护中心OMC（Operating and Maintenance Center）功能组件，可实现包括CU/DU在内的端到端灵活资源编排能力和配置能力，满足运营商快速按需的业务部署需求。

3 基站前中后传带宽需求与分析

5G基站重构后，原一级前传网络将分成二级前传网络，该二级前传网络包括DU- RRU(AAU)间的前传（Fronthaul）和CU-DU间的中传（Midhaul），而CU至核心网为后传网络（Backhaul）。保证基站前中后传带宽是5G网络规划建设必须提前考虑的问题，下面将分别分析前中后传的带宽需求。

3.1 前传带宽需求与分析

3.1.1 考虑Option 8方式

图2 5G基站重构后的具体功能切分

前传采用Option 8切分方式，根据3GPP技术报告[2～4]，当基站配置100 MHz带宽、64TR（低频）时：前传带宽=Rate×Width×Port×5=314.6 Gbit/s其中 Rate=30.72 Mbit/s，Width=32，Port=64。同时调研了个别主流设备厂家，采用带宽压缩技术后，A厂家前传带宽需求为132 Gbit/s，B厂家前传带宽需求为200 Gbit/s，C厂家前传带宽需求为133 Gbit/s。

3.1.2 考虑Option 7方式

前传采用Option 7切分方式，根据3GPP技术报告[2～4]，当基站配置100 MHz带宽、16流（低频）时：

前传带宽 =Nsc×Nsymb×Nlayer×Nsample×2×1 000 + MAC info=19.5～43.7 Gbit/s

其中Nsc=6 000，Nsymb=14，Nlayer=16；对于下行Nsample=7～16，MAC info=713.9 Mbit/s；对于上行Nsample=10～16，MAC info=120 Mbit/s。

同时调研了个别主流设备厂家，A、B、C厂家的前传带宽需求均为25 Gbit/s。

从以上可以看出，采用Option 8方式的前传带宽需求约是Option 7方式的7倍以上，Option 7方式可节约大量纤芯资源，因此建议前传网络采用Option 7方式进行切分，100 MHz带宽、16流（低频）基站的前传网络至少满足25 Gbit/s带宽需求。

3.2 中传带宽需求与分析

根据3GPP技术报告[2～4]，中传网络采用Option 2方式切分，基站配置100 MHz带宽、16流、64TR（低频）时：

单小区中传带宽=Data+signaling ≈ 6 Gbit/s。

其中，Data=5.9～6 Gbit/s，signaling=16 ～ 24 Mbit/s。

同时调研了个别主流设备厂家，A厂家单小区中传带宽需求为5 Gbit/s，B厂家单小区中传带宽需求为6 Gbit/s。

根据以上分析，建议采用100 MHz带宽、16流、64TR（低频）的基站，单小区至少保证6 Gbit/s中传带宽需求；单站至少保证峰值6+2×(6/4)=9 Gbit/s，均值3×(6/4)=4.5 Gbit/s的中传带宽需求。

3.3 后传带宽需求与分析

3GPP技术报告并未对后传带宽给出明确的计算公式，但是按照图2中的功能切分，后传带宽与中传带宽相差并不大，同时调研了个别主流设备厂家，A厂家单小区后传带宽需求为5 Gbit/s，B厂家单小区后传带宽需求为4 Gbit/s。

根据以上分析，建议100MHz带宽、16流、64TR（低频）的基站，单小区至少保证6 Gbit/s的后传带宽需求；单站至少保证峰值6+2×(6/4)=9 Gbit/s，均值3×(6/4)=4.5 Gbit/s的后传带宽需求。

4 重构后的基站部署形式

5G基站重构后，网络架构将出现3种不同方式，如何选择也是网络规划建设首先考虑的问题。3种组网方式如图3所示。

4.1 方式1：5G CU和DU集中部署，AAU分布部署

图3 5G基站3种不同的组网形式

该方式具备CU、DU云化的技术优势，如便于实现宏微协同、干扰管理、COMP、D-MIMO等技术，提升网络容量，降低干扰，因省去CU-DU间的物理路由，也便于满足uRLLC场景对低时延的需求。CU设备可采用通用平台实现，这样不仅可支持无线网功能，也具备了支持核心网功能和边缘应用的能力，DU设备可采用通用+专用混合平台实现，支持高密度数学运算能力。该方式的主要缺点是前传带宽要求高，对传输资源要求高。部署建议：当基站前传传输资源充足时，优先采用此方式；推荐应用于uRLLC场景，为满足时延要求，DU集中规模建议不超过10个；对于目前已经建设4G C-RAN的基站，建议继续考虑该方式建设；对于eMBB场景，可在此基础上进一步增加CU集中部署的逻辑功能，以同时满足uRLLC场景和eMBB场景的需求。

4.2 方式2：5G CU集中部署，DU和AAU分布部署

该方式具备CU云化的技术优势，如便于实现宏微协同、干扰管理等技术，对传输资源要求不高，但是不具备DU云化的技术优势，不能实现宏COMP、D-MIMO等技术，CU集中向上放，增加了时延，CU大规模集中时很难满足uRLLC场景的时延需求。CU设备可采用通用平台实现，DU设备建议采用通用+专用混合平台实现。部署建议：当基站前传传输资源不充足时，优先采用此方式；推荐用于eMBB场景，建议同时部署MEC服务，以适应部分低时延业务需求；推荐高频基站使用，也可采用DU和AAU一体化集成，用于未来的小基站建设。

4.3 方式3：5G CU、DU、AAU均分布部署

该方式对传输资源要求不高，不具备CU、DU技术优势，与当前4G普通基站相同。部署建议：当基站前传传输资源不充足时，可采用此方式；更多的用于CU、DU和AAU一体化集成时的小基站建设。

5 结束语

5G新技术是当前业界研究的焦点，面向未来多样化的网络应用场景和通信需求，5G基站架构将随之做出改变。本文主要介绍了5G基站重构原理，基站的功能切分，切分后的前中后传带宽需求，以及重构后的组网形式和部署建议等，所述内容均是5G网络规划建设关注的焦点和首先需要考虑解决的问题，对后续网络规划建设能够提供一定的指导意义。