5G基站架构及部署策略

吕婷，曹亘，张涛，李轶群

1 引言

为了支持增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠与低延迟（uRLLC）、大规模机器类通信（mMTC）等多种业务应用，5G网络将引入NR新空口和新的网络架构，以提升峰值速率、时延、容量等网络性能指标，并具备更大的组网灵活性和可扩展性，以满足多样化的业务需求。

目前，3GPP R15标准已经定义了5G无线网络的整体架构，如图1所示，5G无线接入网（NG-RAN）由多个5G基站（gNB）组成。gNB向UE提供NR空口协议的终结，并通过NG接口连接到AMF/UPF等5G核心网（5GC）网元，gNB之间通过Xn接口实现相互连接。

5G基站是无线网络的核心设备，基站的架构、形态直接影响5G网络的部署策略。随着5G标准及产业链的发展，国内外运营商都已加快5G商用步伐，国内5G预商用时间也提前到了2019年。目前，5G无线网络协议的标准化工作已初步完成，但5G基站设备还处于试验网验证或试商用阶段，业界对5G基站的架构及形态尚未形成明确的共识，各厂家的设备还存在差异性。在5G到来前，有必要对5G基站设备展开系统性研究，梳理5G基站设备体系，深入分析不同设备架构的特点及利弊，并基于5G业务场景探讨设备部署方案，为未来5G网络部署做好技术储备。

图1 5G网络整体架构

2 5G基站架构分析

2.1 5G基站的逻辑架构

5G基站主要用于提供5G空口协议功能，支持与UE、核心网之间的通信。按照逻辑功能划分，5G基站可分为5G基带单元与5G射频单元，二者之间可通过CPRI或eCPRI接口连接，如图2所示。

5G基带单元负责NR基带协议处理，包括整个用户面（UP）及控制面（CP）协议处理功能，并提供与核心网之间的回传接口（NG接口）以及基站间互连接口（Xn接口）。

5G射频单元主要完成NR基带信号与射频信号的转换及NR射频信号的收发处理功能。在下行方向，接收从5G基带单元传来的基带信号，经过上变频、数模转换以及射频调制、滤波、信号放大等发射链路（TX）处理后，经由开关、天线单元发射出去。在上行方向，5G射频单元通过天线单元接收上行射频信号，经过低噪放、滤波、解调等接收链路（RX）处理后，再进行模数转换、下变频，转换为基带信号并发送给5G基带单元。

2.2 5G基站设备体系

为了支持灵活的组网架构，适配不同的应用场景，5G无线接入网将存在多种不同架构、不同形态的基站设备。从设备架构角度划分，5G基站可分为BBU-AAU、CU-DU-AAU、BBU-RRU-Antenna、CU-DU-RRU- Antenna、一体化gNB等不同的架构。如图3所示，BBU-AAU架构中，基带单元映射为单独的一个物理设备BBU，AAU集成了射频单元与天线单元，若采用eCPRI接口，AAU内部还包含部分物理层底层处理功能。CU-DU-AAU架构中，基带功能分布到CU、DU两个物理设备上，二者共同完成构成5G基带单元，CU与DU间的F1接口为中传接口。BBURRU-Antenna架构中，RRU功能与AAU相同，区别在于RRU无内置天线单元，需要外接天线使用，主要用于郊区等低容量需求或室内覆盖场景。一体化gNB架构集成了5G基带单元、射频单元以及天线单元，属于高集成度、紧凑型设备，可用于局部区域补盲或室内覆盖等特殊场景。

图2 5G基站逻辑架构

图3 5G基站设备架构

从设备形态角度划分，5G基站可分为基带设备、射频设备、一体化gNB设备以及其他形态的设备，如图4所示。其中，5G基带设备又包含了BBU、CU、DU不同类型的物理设备，5G射频设备包含了AAU和RRU设备。

2.3 5G基带单元的两种架构分析

对于5G基带单元，存在两类不同的设备架构：CU/DU合设、CU/DU分离。CU/DU合设的5G BBU设备与3G/4G BBU类似，所有的基带处理功能都集成在单个机框或板卡内。对于机框式结构的BBU，整个BBU机框分为多个槽位，分别插入系统控制、基带处理、传输接口等不同功能的板卡，并可基于容量需求灵活配置不同板卡的组合。对于一体化板卡结构的BBU，所有信令面、用户面处理以及传输、电源管理功能均集成在单个板卡上，系统集成度更高。

CU/DU分离架构的5G基带单元将传统的BBU切分为CU、DU两个物理实体，二者配合共同完成整个NR基带处理功能。其中，DU是分布式接入点，负责完成部分底层基带协议处理功能；CU是中央单元，负责处理高层协议功能并集中管理多个DU。CU与DU之间的功能切分存在多种选项，3GPP讨论了8种候选方案，即Option1～Option8，如图5所示，不同方案下CU、DU分别支持不同的协议功能。目前，标准化工作主要集中在Option2，即CU主要完成RRC/PDCP层基带处理功能，DU完成RLC及底层基带协议功能。

由于高层基带处理功能对于实时性的要求不是很高，CU设备可基于X86通用硬件平台实现，采用高性能服务器结合硬件加速器的方案，提供信令处理、数据交换、加解密等硬件处理能力，满足CU设备大容量、大带宽的性能要求，同时可支持灵活的扩缩容，并基于网络部署需求，连接不同数量的DU。

DU作为底层基带协议处理单元，一般基于专用硬件实现，采用机框或一体化板卡的结构，与CU/DU合设的BBU类似，但是，DU不具备完整的基带处理功能，不能单独作为5G基带单元使用。

在5G无线接入网中，CU与其连接的多个DU对5G核心网及其他基站而言，仅是一个节点，CU与DU之间通过F1接口进行信令交互及用户数据传输，该接口为点对点的逻辑接口。

图5 CU-DU功能切分方案

CU/DU分离与合设这两种架构各有利弊，需要从多方面具体分析：

（1）在设备性能方面，CU实现了RRC/PDCP层基带资源集中，可获得网络协同及资源共享增益，同时可降低切换开销，提高网络性能。但另一方面，CU/DU分离将增加控制面以及业务建立时延，影响实时业务性能。

（2）在可扩展性方面，CU/DU合设的BBU使用专用硬件，设备扩容需要更换或新增板卡。CU支持软硬件解耦，可以在底层通用硬件的基础上实现网络功能虚拟化，通过修改软件的方式实现灵活的扩缩容，同时支持网络新特性的快速引入，设备的可扩展性更强。

（3）在设备部署方面，CU/DU合设的BBU设备在网络中的部署位置与3G/4G BBU相同，可利旧现有的机房及配套设备，快速部署。CU设备的体积、功耗与3G/4G BBU差异很大，对机房空间、电源的需求大幅增加，需要进行机房改造或新建，部署周期较长。从部署成本角度分析，CU/DU合设架构只涉及5G BBU成本，不引入新的设备成本。CU/DU分离架构额外增加了CU设备设备，相应的还需增加部署CU的机房及电源等配套成本。

（4）在设备维护方面，CU/DU分离架构由于新增一层网元，维护节点由原来的BBU单节点变为CU、DU两个节点，同时增加了新的F1接口，设备维护的工作量随之增加。

（5）在设备成熟度方面，CU/DU分离的标准还在发展中，基站设备的软硬件解耦技术还不成熟，CU/DU分离设备的成熟商用还需要一段时间。

2.4 5G射频单元的两种架构分析

5G射频单元主要采用AAU架构，设备内部将射频收发单元与天线阵单元集成在一起，构成有源天线阵列，支持massive MIMO。5G AAU存在两类不同架构的设备：基于CPRI接口的AAU与基于eCPRI接口的AAU。

CPRI接口普遍应用于3G/4G基站，是一个标准的基带-射频接口协议，基于CPRI接口的AAU功能相对简单，只完成射频处理功能，所有的基带功能都在基带单元完成，基站软件特性的修改不影响射频单元。CPRI接口传递的是时域IQ信号，接口带宽与载波带宽、收发通道数相关。由于NR支持100 MHz以上大带宽、massive MIMO大规模天线技术，导致5G CPRI接口带宽急剧增加。比如，在100 MHz带宽、64T64R的情况下，CPRI带宽将达到200 G以上。因此，基于CPRI接口的5G AAU需要使用高速光模块，目前，100 G高速光模块成本较高，导致5G基站的部署成本也会增加。

为此，5G射频单元引入了eCPRI接口，通过在5G基带单元与射频单元之间重新进行功能切分，降低前传带宽的需求。在100 MHz载波带宽、64T64R的情况下，采用eCPRI接口可将前传带宽降低至25 G，光模块成本相应下降。目前，eCPRI标准提供了几种可选的切分方式（包括D、ID、IID、IU），支持在物理层内部的不同位置进行切分，各厂商在设备实现时也会采用不同的切分方式，因此异厂商之间难以互通。与CPRI接口相比，基于eCPRI接口的AAU除了完成射频处理功能外，还增加了部分基带物理层功能，需增加基带处理芯片，硬件实现更加复杂，设备功耗也会增加。此外，在协议后向演进时，不仅需要对基带单元进行升级，还需要改动射频单元，设备维护的难度将会增加。

3 5G基站的部署策略

3.1 5G设备部署面临的挑战

为了满足更高速率、更大连接数、更低时延的5G网络性能要求，5G基站需要具备更高的硬件处理能力，设备形态与架构也发生了一定变化，出现了CU、DU、BBU、AAU等多样化设备，并支持100 MHz载波带宽、200 W发射功率、20 Gbit/s吞吐率等高性能指标。5G基站在诸多方面均与3G/4G存在显著差别，给5G设备的部署带来了新的挑战。

5G基站的性能相比3G/4G基站成倍提升，随之而来的代价是5G设备功耗的大幅增加，无论是5G BBU、AAU还是新引入的CU，最大功耗均高于现有的3G/4G设备，达到了几百至几千瓦的量级，这对站址的供电能力提出了挑战。

5G基站存在CPRI与eCPRI两种前传接口，若采用CPRI接口，则需要使用100 G高速光模块，短期内设备部署成本较高；若采用eCPRI接口，则AAU设备的复杂度及功耗有可能增加，且后向升级较为复杂。在设备部署时，既需要考虑光模块产业发展情况，尽可能降低设备成本，也需要评估基于eCPRI接口的设备性能，满足网络未来演进的需求。

5G基站还引入了CU/DU分离架构，无线侧增加新的CU设备。与传统的基带设备不同，CU体积较大，不支持19英寸标准机柜安装，需要独立的机房空间。同时，CU的功耗远高于现有BBU，CU部署机房需要具备大容量供电能力，这些都将增加设备部署的复杂度。此外，由于CU集中管理多个DU，CU所连DU数量越多，需要的回传带宽越大，现有的传输网扩容改造的难度越大。

3.2 CU/DU部署方式

5G网络将支持eMBB、uRLLC、mMTC三大应用场景，其中，eMBB业务要求Gbit/s的用户体验速率，uRLLC业务要求空口时延低于1 ms，mMTC要求每平方公里覆盖范围支持百万用户连接数。由于不同业务场景对于传输带宽、时延、连接数等网络性能的需求存在差异，在组网时需要基于差异化的应用场景灵活采用不同的设备部署方案。

另一方面，5G基站同时支持CU/DU合设与分离这两种设备架构，5G网络部署还需要根据传输情况、机房环境等不同的部署条件确定5G基站的设备形态及部署方式。

对于CU/DU分离架构，CU可集中不同数量的DU，CU容量越大、连接的DU越多，系统可获得的资源池化增益越大，但同时对于回传接口的带宽要求也越高。在部署CU时，需要基于设备容量确定其在传输网中的部署位置。一般情况下，传输网分为接入层、汇聚层、核心层三级架构，对应的，CU可部署于接入机房、汇聚机房、核心机房这几种不同的位置。若CU容量需求较大，连接数百个DU，则对于回传的带宽要求较高，需要将CU部署于汇聚机房或核心机房，需要100 G以上传输带宽。此外，若现有汇聚层不支持网络层三功能，还需要进行传输改造，可能会增加部署复杂度。若CU容量需求较小，支持连接数十个DU，则回传带宽需求较低，25 G以上接入环带宽可满足需求，CU可部署于接入机房。需要说明的是，CU管理的DU越多，CU中断后造成的故障范围越大，对CU设备的可靠性要求也就越高，需要考虑容灾备份方案。

此外，CU、DU分离会引入额外的中传接口时延，该时延与CU、DU的相对位置相关，CU在传输网中的部署位置越高，CU与DU间的传输时延越大。考虑到业务性能要求，eMBB、uRLLC业务端到端时延要求分别为10 ms、2 ms，一般情况下中传接口时延需要控制在10 ms以内。对于uRLLC等时延敏感的业务场景，需要将CU尽量下沉并靠近DU部署，但相应的，CU所带的DU数量也会下降，CU的覆盖范围收缩。对于mMTC等要求广覆盖、大连接数且对时延要求不高的业务场景，则可将CU部署于传输网中较高的位置，扩大CU的覆盖范围，同时获得更大范围的资源集中所带来的性能增益。

DU的部署存在分布式与集中式两种方式，在分布式部署的情况下，DU可位于接入机房，与3G/4G BBU共址部署，利旧现有的机房配套设施，而且4G/5G基带共址部署也便于支持网络协同以及NSA组网。在DU集中化部署的情况下，多个DU可堆叠于现有的BBU池机房，组成DU资源池，便于集中化管理与资源共享。CU/DU合设的BBU的部署方式类似于DU，可分布式部署或组成BBU池集中化部署于接入机房。

综上，图6列出了几种可能的5G基站设备部署方案。

方案一：CU位于核心机房，DU分布式部署于接入机房或多个DU集中化部署于汇聚机房；

方案二：CU位于汇聚机房，DU位于接入机房；

方案三：CU/DU合设的BBU单点部署于接入机房或多个BBU集中部署于汇聚机房。

上述三种方案分别适用于不同的应用场景：

图6 5G基站设备部署方案示意图

对于mMTC或eMBB业务场景，建议采用方案一或方案二。该方案下CU部署位置较高，支持较大覆盖范围、较高容量以及更多用户连接数，可满足mMTC业务需求。

对于uRLLC业务场景，可采用部署方案三，将CU、DU集成为一体化BBU设备，中传时延变为设备内部接口时延，基本可以忽略，可满足超低时延业务的需求，同时5G BBU设备对机房、传输等部署条件没有额外的要求，易于部署。

以上三种部署方案均可满足eMBB业务需求，可基于实际部署条件灵活选择 。

3.3 CU/DU部署建议

不同形态的5G基站设备带来了组网的灵活性，也能更好地支持各类不同的业务场景，在5G建网过程中，需要结合网络发展情况分阶段、分场景引入。

在5G商用初期，新的业务模式尚不成熟，eMBB还是网络承载的主要业务，此阶段可部署CU/DU合设架构，利旧现有机房及配套设施部署5G BBU设备，实现快速建网。若CU设备已具备商用能力，也可在机房、传输具备改造条件的情况下，按需引入CU/DU分离架构，将CU部署于核心机房或汇聚机房，获得更高的网络性能。AAU设备的选型取决于100 G光模块的量产规模及成本，在100 G高速光模块成本较高的情况下，为了控制网络部署成本，可采用基于eCPRI接口的AAU。

在5G网络部署中后期，电信设备的虚拟化技术和平台逐步成熟后，可规模部署CU/DU分离设备，将CU、MEC、UPF等网元统一部署到虚拟化平台上，从而更好地支持uRLLC与mMTC等垂直行业应用，拓展5G的商业模式。

4 结论

5G基站引入了CU/DU分离、eCPRI，一方面增加了设备形态的多样性，出现了5G BBU、CU、DU、基于CPRI/eCPRI接口的AAU等多类设备；另一方面提高了组网的灵活性，在传统BBU-AAU架构的基础上，增加了CU节点，支持多个DU的集中化管理，演变为CUDU-AAU三层组网架构。

5G还引入了NR新空口技术，在极大提升5G基站的峰值速率、时延、连接数等关键性能指标的同时，5G设备的体积、功耗、接口带宽也随之增加，设备部署时需要对现有的机房、电源配套以及传输网络进行扩容改造。另外，5G引入了SA/NSA不同组网架构、上行覆盖增强等新特性，对5G网络的部署提出了新的要求，还有很多问题有待进一步研究。

目前，5G标准的第一版本已基本完成，但业内还没有成熟的5G基站商用产品，5G设备的形态、规格还存在很多不确定性。随着未来更多的5G新技术、新特性的引入，5G设备的功能及架构还会发生变化。此外，微基站、室内分布式基站等更加多样化的设备形态也会逐步引入，满足多场景的网络部署需求。