基于C-RAN的5G无线接入网架构研究

周全材 易浩

摘   要：随着信息时代的飞速发展，5G已逐步进入人们的生活，5G网络可以实现系统容量更高、网络速度更快、运营效益更高的目标。C-RAN是一种集中式5G架构，是5G最理想的架构，但由于是完全集中的控制方式，自适应动态能力较差。基于C-RAN演进的5G网络架构可解决这一缺点，且有降低运营成本、增加网络传输速度、降低数据传输延时等优点，非常符合运营商的需要。文章对此进行了分析。

关键词：5G;云计算;无线接入网;虚拟化

近年来，4G网络发展迅速，大量的移动数据设备随之投入使用，导致蜂窝网流量负载正暴涨。蜂窝式结构依然是4G最普遍的无线接入方式，面对越来越严峻的庞大需求的挑战，即使采取正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、中继等增大系统容量的先进措施，也很难跟上增长量的步伐。通信运营商迫切需要下一代移动网络实现系统容量更高、网络速度更快、运营效益更高的目标。因此，本文提出一种基于云计算的无线接入网（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）架构的5G无线接入网的可行方案。

1    基于C-RAN的5G无线接入网架构

C-RAN是一种集中式架构，有着低成本、高频谱、高带宽等显著优点。但其完全集中的控制方式，也有着自身缺陷，无线链路自适应性能较弱，不能自适应动态变化，如用户行为、信道环境等。主要原因是网络架构和组网方法的完全集中无法在实际系统下完成预定实时计算。由于无线网络的用户行为、基站负载动态环境是时多变的，相对静止的计算端与多变的接入端无法实时适配，不仅不能达到资源的最大化利用，还会浪费回程链路开销，大大降低接入链路的利用率，导致网络接入性能降低[1]。为优化C-RAN，本文提出了一种包含基站部署、本地云平台和后台云服务器的C-RAN演进5G网络架构（见图1）。

1.1  基站的部署

为了满足5G网络需求，许多企业及组织提出多种5G无线网络架构。按照协议功能划分方式，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）标准化组织提出了面向5G的无线接入网功能重构方案，引入集中单元—分布单元—有源天线单元（Centralized Unit-Distribute Unit-Active Antenna Unit，CU-DU-AAU）架构。在CU-DU-AAU架构下，5G BBU基带部分拆分成CU和DU两个逻辑单元，而射频单元以及部分基带物理层底层功能与天线共同构成AAU。通过将CU，DU及AAU分离，简化了网元功能，CU可以采用通用硬件平台搭建，采取云化部署，DU可以采取C-RAN方式集中部署，AAU与天线集成后可以上塔，增加了部署灵活性[2]。

1.2  本地云平台

本地云平台是基站和后台云服务器之间通过光纤相互连接的网络单元，主要包含感知模块、缓存模块多网络控制等功能实体[3]。

1.2.1  感知模块

（1）未来的网络是复杂多变的多融合网络。存储用户和网络情景信息有着极大的必要性。本方案提出通过获取接入方式、用户位置、用户行为、应用类型、优先级等信息，并结合相应算法推演出用户需求，自动优化网络资源，做到网络资源合理、智能分配，提升用户使用体验感受，称之为“情景感知”，让网络使用更智能、更有效。

（2）5G网络为物联网的发展提供了强有力的基础支持，将是5G时代的标志性产物。据相关部门预测，2020年以后，移动数据医疗、智能家居、车联网、环境实时监测系统、工业实时控制系统将是物联网的主力军，并推动千亿设备接入网络，实现爆发式增加，可谓是“万物互联”。但普通的网络数据资源无法满足同时监测和传输如此庞大的数据需求，在高密度的节点中减少信令开销是个很难实现的艰巨的任务，而情景感知通过信息共享使其变得可行。

图1  基于C-RAN的5G无线接入网架构

1.2.2  缓存模块

为做到改善用户体验感受的同时减少网络流量，选择在距用户更近的边缘地带安置网络资源。网络部门数据表明，重复的音乐和视频等流行资源下载占据了移动多媒体多半的流量。为减少核心网压力、避免不必要的重复资源流量浪费，本方案提出采取新的交付与缓存技术，建立中间服务器存放流行资源数据在避免了服务器重复的远程传输造成资源浪费的同时，也提升用户的体验。本地平台通过感知模块存储的数据进行算法比对分析，来提高对流行内容分辨的准确性，本地與相邻平台之间可以进行数据共享和缓存交换。

1.2.3  多网络控制和融合实体

5G涵盖了多种技术，包括泛技术时代、多接入技术、多业务系统、多层次覆盖。其中，多网络融合早已是业界公认的重要研究热点，具有非常关键的作用。运营商可以通过掌握网络融合技术能够提升对多网络的运维和管控能力，从而有效优化网络性能、提升用户体验。

1.3  后台云服务器

后台云服务器实际上是由划分出的多个专用虚拟网组成的服务器数据中心[4]。这些专用虚拟网络包括虚拟运营商网、虚拟物联网、通过互联网向用户提供各种应用服务（Over the Top，OTT）网等，因地制宜，发挥各自优点分别负责不同特性的业务，并针对性地开发各自的管理系统，达到更好的业务效果。

2    5G网络架构的关键技术

2.1  超密集网络

5G将长期运行在网络拓扑结构和特性复杂的环境下，并伴随着多业务系统、多层次覆盖、多技术接入。频谱是有限资源，不可再生，提高有效利用率变得极为重要，因此要尽量缩小作用范围。既有大面积覆盖的宏基站，也有高密度部署的小蜂窝，宏基站用于满足大规模需求，小蜂窝则为了填补边缘业务的空缺而存在。据预测分析，在宏蜂窝的广泛部署下，今后的无线网络中低功率的无线传输节点的密度将提高10倍之多，构成超密集网络（Super Dense Network，UDN），无论是资源分配，还是运营管理，都必定会背负巨大的压力。

2.2  网络虚拟化

对于通信运营商而言，网络虚拟化将提供极大的利益。其最有直接的3大优点，第一，能降低系统的运营成本;第二，可以实现网络资源分配最大效益;第三，可以开发最佳的网络管理系统。系统运行有4大因素：管理、维护、升级和扩容，在虚拟化之后，统一的硬件平台能为其提供更多服务，以便更好运行。从虚拟化技术来说，本方案提出并选择了两种主要技术，第一种是网络覆盖虚拟化技术;第二种就是数据中心的服务器虚拟化技术。

2.3  内容分发网络

内容分发网络（Content Distribution Network，CDN）是由业内提出的一种应对复杂网络架构、提升网络访问质量的方案，具备对称分布网络资源和服务器、客户端的能力，能解决内容服务器与客户端之间的传输延时大的问题，从而让用户使用更佳。内容分发网络可降低跨域网络传输的延时，其主要是通过在多个ISP内部署内容代理服务器的方式来实现的。通过在用户访问高发区的网络中部署缓存服务器，并根据实际情况将用户请求合理地重新分配到就近的服务点，可快速取得目标数据，解决网络拥堵问题，提高网络访问速度。

2.4  绿色通信

所谓绿色通信，就是降低功率、节省资源、避免污染、降低排放和提高频谱利用率。频谱是移动通信网络中非常珍贵的资源，也是研究的焦点。另外，因为划分频段产生了零散片段，浪费许多频谱资源，使得原本就紧缺的频谱变得更为供不应求。需要从两方面减少频谱资源浪费：（1）灵活使用空置频谱，可通过认知无线电动态监测实现。（2）不断提高频谱利用率，降低干擾。

3    结语

随着时代发展的脚步，移动通信网的需求越来越庞大，传统蜂窝网架构已经很难满足日益增长的用户需求，很难保证用户体验和网络性能。今后的5G网络将是可实现“无限容量感知”的系统，这就对网络有了更高的要求。通过结合现有技术和分析发展趋势，可得出结论：C-RAN是目前最符合5G网络要求的架构方案。因此，本文基于C-RAN的5G无线接入的可行架构，且深度阐述架构关键技术，为5G网络研究提供参考。

[参考文献]

[1]廖世强.基于C-RAN的5G无线接入网架构[J].计算机产品与流通，2019（3）：150.

[2]李发良.面向C-RAN的传输接入组网方案的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

[3]雷秋燕，张治中，程方，等.基于C-RAN的5G无线接入网架构[J].电信科学，2015（1）：112-121.

[4]陈常梅.基于C-RAN的移动城域网5G承载方案探讨[J].电信工程技术与标准化，2018（7）：35-38.