5g承載網有哪些花樣（一文看懂5G網絡接入網）

2023-10-13 14:24:15

本文發表於：物聯傳媒

來源：趙越

圖片源：部分來自鮮棗課堂

本文以無線接入網為線索，梳理一下無線側接入網 承載網 核心網的架構，主講無線接入網，淺析承載網和核心網，幫助大家更深入的了解5G，也幫助新手更好的入門。

在我們正式講解之前，我想通過這張網絡簡圖幫助大家認識一下全網的網絡架構，通過對全網架構的了解，將方便對後面每一塊網絡細節的理解。

這張圖分為左右兩部分，右邊為無線側網絡架構，左邊為固定側網絡架構。

無線側：手機或者集團客戶通過基站接入到無線接入網，在接入網側可以通過RTN或者IPRAN或者PTN解決方案來解決，將信號傳遞給BSC/RNC。在將信號傳遞給核心網，其中核心網內部的網元通過IP承載網來承載。

固網側：家客和集客通過接入網接入，接入網主要是GPON，包括ONT、ODN、OLT。信號從接入網出來後進入城域網，城域網又可以分為接入層、匯聚層和核心層。BRAS為城域網的入口，主要作用是認證、鑑定、計費。信號從城域網走出來後到達骨幹網，在骨幹網處，又可以分為接入層和核心層。其中，移動叫CMNET、電信叫169、聯通叫163。

固網側和無線側之間可以通過光纖進行傳遞，遠距離傳遞主要是有波分產品來承擔，波分產品主要是通過WDM SDH的升級版來實現對大量信號的承載，OTN是一種信號封裝協議，通過這種信號封裝可以更好的在波分系統中傳遞。

最後信號要通過防火牆到達INTERNET，防火牆主要就是一個NAT，來實現一個地址的轉換。這就是整個網絡的架構。

看完宏觀的架構，讓我們深入進每個部分，去深入解讀一下吧。

01

什麼是無線接入網？

首先大家看一下這個簡化版的移動通信架構圖：

無線接入網，也就是通常所說的RAN（Radio Access Network）。

簡單地講，就是把所有的手機終端，都接入到通信網絡中的網絡。

大家耳熟能詳的基站（BaseStation），就是屬於無線接入網（RAN）。

無線基站

雖然我們從1G開始，歷經2G、3G，一路走到4G，號稱是技術飛速演進，但整個通信網絡的邏輯架構，一直都是：手機→接入網→承載網→核心網→承載網→接入網→手機。

通信過程的本質，就是編碼解碼、調製解調、加密解密。

要做的事情就這麼多，各種設備各司其職，完成這些事情。

通信標準更新換代，無非是設備改個名字，或者挪個位置，功能本質並沒有變化。

基站系統，乃至整個無線接入網系統，亦是如此。

一個基站，通常包括BBU（主要負責信號調製）、RRU（主要負責射頻處理），饋線（連接RRU和天線），天線（主要負責線纜上導行波和空氣中空間波之間的轉換）。

基站的組成部分

在最早期的時候，BBU，RRU和供電單元等設備，是打包塞在一個柜子或一個機房裡的。

基站一體化

後來，慢慢開始發生變化。

怎麼變化呢？通信磚家們把它們拆分了。

首先，就是把RRU和BBU先給拆分了。

硬體上不再放在一起，RRU通常會掛在機房的牆上。

BBU有時候掛牆，不過大部分時候是在機櫃裡。

機櫃裡的BBU

再到後來，RRU不再放在室內，而是被搬到了天線的身邊（所謂的「RRU拉遠」），也就是分布式基站DBS3900，我們的餘承東總裁當年在聖無線的時候就是負責這方面變革的專家，該產品一出解決了歐洲運營商的剛需，為打開歐洲市場立下了汗馬功勞。

天線 RRU

這樣，我們的RAN就變成了D-RAN，也就是Distributed RAN（分布式無線接入網）。

這樣做有什麼好處呢？

一方面，大大縮短了RRU和天線之間饋線的長度，可以減少信號損耗，也可以降低饋線的成本。

另一方面，可以讓網絡規劃更加靈活。畢竟RRU加天線比較小，想怎麼放，就怎麼放。

說到這裡，請大家注意：通信網絡的發展演進，無非就是兩個驅動力，一是為了更高的性能，二是為了更低的成本。

有時候成本比性能更加重要，如果一項技術需要花很多錢，但是帶來的回報少於付出，它就很難獲得廣泛應用。

RAN的演進，一定程度上就是成本壓力帶來的結果。

在D-RAN的架構下，運營商仍然要承擔非常巨大的成本。因為為了擺放BBU和相關的配套設備（電源、空調等），運營商還是需要租賃和建設很多的室內機房或方艙。

大量的機房=大量的成本

於是，運營商就想出了C-RAN這個解決方案。

C-RAN，意思是Centralized RAN，集中化無線接入網。這個C，不僅代表集中化，還代表了別的意思：

相比於D-RAN，C-RAN做得更絕。

除了RRU拉遠之外，它把BBU全部都集中關押起來了。關在哪了？中心機房（CO，Central Office）。

這一大堆BBU，就變成一個BBU基帶池。

C-RAN這樣做，非常有效地解決了前文所說的成本問題。

可能在沒有接觸一線業務的時候，我們總以為設備運行後，運營商大量的前都用到了網絡設備的維護中，但通過前期的勘測，我才了解到，運營商支持最大的成本不是通信設備維護，也不是僱傭維護人員，而是電費！

在整個移動通信網絡中，基站的能耗佔比大約是……

72%

在基站裡面，空調的能耗佔比大約是……

56%

傳統方式機房的功耗分析

採用C-RAN之後，通過集中化的方式，可以極大減少基站機房數量，減少配套設備（特別是空調）的能耗。

若干小機房，都進了大機房

機房少了，租金就少了，維護費用也少了，人工費用也跟著減少了。這筆開支節省，對飽受經營壓力之苦的運營商來說，簡直是久旱逢甘霖。

另外，拉遠之後的RRU搭配天線，可以安裝在離用戶更近距離的位置。距離近了，發射功率就低了。

低的發射功率意味著用戶終端電池壽命的延長和無線接入網絡功耗的降低。說白了，你手機會更省電，待機時間會更長，運營商那邊也更省電、省錢！

更重要一點，除了運營商可以省錢之外，採用C-RAN也會帶來很大的社會效益，減少大量的碳排放（CO2）。

此外，分散的BBU變成BBU基帶池之後，更強大了，可以統一管理和調度，資源調配更加靈活！

C-RAN下，基站實際上是「不見了」，所有的實體基站變成了虛擬基站。

所有的虛擬基站在BBU基帶池中共享用戶的數據收發、信道質量等信息。強化的協作關係，使得聯合調度得以實現。小區之間的幹擾，就變成了小區之間的協作（CoMP），大幅提高頻譜使用效率，也提升了用戶感知。

多點協作傳輸(CoMP，Coordinated Multiple Points Transmission/Reception)是指地理位置上分離的多個傳輸點，協同參與為一個終端的數據(PDSCH)傳輸或者聯合接收一個終端發送的數據(PUSCH)。

此外，BBU基帶池既然都在CO（中心機房），那麼，就可以對它們進行虛擬化了！

虛擬化，就是網元功能虛擬化（NFV）。簡單來說，以前BBU是專門的硬體設備，非常昂貴，現在，找個x86伺服器，裝個虛擬機（VM，Virtual Machines），運行具備BBU功能的軟體，然後就能當BBU用啦！

這樣又可以幫客戶節省好多的經費，不過這項技術短期內主要還是應用於核心網的網元中，前一段時間刷屏的亞馬遜上銷售的僅需每月90美元的核心網設備，就是利用這項核心技術。具體的我們留到後面再說，這裡讓我們繼續聚焦於接入網。

正因為C-RAN這種集中化的方式會帶來巨大的成本削減，所以，受到運營商的歡迎和追捧。

到了5G時代，接入網又發生了很大的變化。

在5G網絡中，接入網不再是由BBU、RRU、天線這些東西組成了。而是被重構為以下3個功能實體：

CU：原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協議和服務。

AAU：BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合併為AAU。

DU：BBU的剩餘功能重新定義為DU，負責處理物理層協議和實時服務。

簡而言之，CU和DU，以處理內容的實時性進行區分。

簡單來說，AAU=RRU 天線

如果還不太清楚，我們看一下下面這張圖：

注意，在圖中，EPC（就是4G核心網）被分為New Core（5GC，5G核心網）和MEC（行動網路邊界計算平臺）兩部分。MEC移動到和CU一起，就是所謂的「下沉」（離基站更近）。

核心網部分功能下沉

之所以要BBU功能拆分、核心網部分下沉，根本原因，就是為了滿足5G不同場景的需要。

5G是一個「萬金油」網絡，除了網速快之外，還有很多的特點，例如時延低、支持海量連接，支持高速移動中的手機，等等。

不同場景下，對於網絡的特性要求（網速、時延、連接數、能耗...），其實是不同的，有的甚至是矛盾的。

例如，你看高清演唱會直播，在乎的是畫質，時效上，整體延後幾秒甚至十幾秒，你是沒感覺的。而你遠程駕駛，在乎的是時延，時延超過10ms，都會嚴重影響安全。

所以，把網絡拆開、細化，就是為了更靈活地應對場景需求。

說到這裡，就要提到5G的一個關鍵概念——「切片」。

切片，簡單來說，就是把一張物理上的網絡，按應用場景劃分為N張邏輯網絡。不同的邏輯網絡，服務於不同場景。

不同的切片，用於不同的場景

網絡切片，可以優化網絡資源分配，實現最大成本效率，滿足多元化要求。

可以這麼理解，因為需求多樣化，所以要網絡多樣化；因為網絡多樣化，所以要切片；因為要切片，所以網元要能靈活移動；因為網元靈活移動，所以網元之間的連接也要靈活變化。

所以，才有了DU和CU這樣的新架構。

依據5G提出的標準，CU、DU、AAU可以採取分離或合設的方式，所以，會出現多種網絡部署形態：

回傳、中傳、前傳，是不同實體之間的連接

上圖所列網絡部署形態，依次為：

① 與傳統4G宏站一致，CU與DU共硬體部署，構成BBU單元。

② DU部署在4G BBU機房，CU集中部署。

③ DU集中部署，CU更高層次集中。

④ CU與DU共站集中部署，類似4G的C-RAN方式。

這些部署方式的選擇，需要同時綜合考慮多種因素，包括業務的傳輸需求（如帶寬，時延等因素）、建設成本投入、維護難度等。

舉個例子，如果前傳網絡為理想傳輸（有錢，光纖直接到天線那邊），那麼，CU與DU可以部署在同一個集中點。如果前傳網絡為非理想傳輸（沒錢，沒那麼多光纖），DU可以採用分布式部署的方式。

再例如，如果是車聯網這樣的低時延要求場景，你的DU，就要想辦法往前放（靠近AAU部署），你的MEC、邊緣雲，就要派上用場。

好了，通過前面的講解，我們應該已經大體對5G接入網的概念有了一定程度地了解，那麼接下來我們再來簡單地談一談5G承載網。

02

什麼是5G承載網？

有同學就問，5G不僅僅只在接入網有變化，在即將到來的5G時代，5G的承載網和傳送網會是個什麼樣子，會採用什麼黑科技？

業界有一句話，就是承載先行。這也體現了承載網的重要性，為什麼說它重要呢？因為承載網是基礎資源，必須先於無線網部署到位。前面我們提到過5G的主要優點，總結而言，就三個：

5G想要滿足以上應用場景的要求，承載網是必須要進行升級改造的。

注意！劃重點啦！下面這段文字很重要！

在5G網絡中，之所以要功能劃分、網元下沉，根本原因，就是為了滿足不同場景的需要。前面再談接入網的時候，我們提到了前傳、回傳等概念說的就是承載網。因為承載網的作用就是把網元的數據傳到另外一個網元上。

這裡我們再來具體看看，對於前、中、回傳，到底怎麼個承載法。

首先看前傳（AAU↔DU）。主要有三種方式：

第一種，光纖直連方式。

每個AAU與DU全部採用光纖點到點直連組網，如下圖：

這就屬於典型的「土豪」方式了，實現起來很簡單，但最大的問題是光纖資源佔用很多。隨著5G基站、載頻數量的急劇增加，對光纖的使用量也是激增。

所以，光纖資源比較豐富的區域，可以採用此方案。

第二種，無源WDM方式。

將彩光模塊安裝到AAU和DU上，通過無源設備完成WDM功能，利用一對或者一根光纖提供多個AAU到DU的連接。如下圖：

什麼是彩光模塊？

光復用傳輸鏈路中的光電轉換器，也稱為WDM波分光模塊。不同中心波長的光信號在同一根光纖中傳輸是不會互相干擾的，所以彩光模塊實現將不同波長的光信號合成一路傳輸，大大減少了鏈路成本。

採用無源WDM方式，雖然節約了光纖資源，但是也存在著運維困難，不易管理，故障定位較難等問題。

第三種，有源WDM/OTN方式。

在AAU站點和DU機房中配置相應的WDM/OTN設備，多個前傳信號通過WDM技術共享光纖資源。如下圖：

這種方案相比無源WDM方案，組網更加靈活（支持點對點和組環網），同時光纖資源消耗並沒有增加。

看完了前傳，我們再來看看中傳（DU↔CU）和回傳（CU以上）。

由於中傳與回傳對於承載網在帶寬、組網靈活性、網絡切片等方面需求是基本一致的，所以可以使用統一的承載方案。

主要有兩種方案：

利用分組增強型OTN設備組建中傳網絡，回傳部分繼續使用現有IPRAN架構。

中傳與回傳網絡全部使用分組增強型OTN設備進行組網。

這裡我們僅僅對承載網做了最簡單的講解，至於承載網中採用的FlexE分片技術、減低時延的技術、SDN架構等等想了解的小夥伴建議自己查一查。

最後對5G承載網做一下總結：

03

什麼是5G核心網？

由於核心網是我認為最難的一塊網絡，涉及的產品非常多，實話說我也還沒有理解透，因此這裡採用從2G到5G核心網演進的方式，幫助大家初步了解核心網。尤其會重點說一說，馬上進入5G時代了，我們的核心網究竟會變成什麼樣子。

2G的核心網設備，是這樣的：

2G核心網設備

大大寬寬的機櫃，有好幾層機框，然後每層機框插了很多的單板。單板很薄很輕，面板是塑料的，很容易壞。

這個設備，名字就叫MSC（Mobile Switching Center），移動交換中心。

我們來看看當時的網絡架構圖：

2G網絡架構

可以看出來，組網非常簡單，MSC就是核心網的最主要設備。HLR、EIR和用戶身份有關，用於鑑權。

注意：之所以圖上面寫的是「MSC/VLR」，是因為VLR是一個功能實體，但是物理上，VLR和MSC是同一個硬體設備。相當於一個設備實現了兩個角色，所以畫在一起。HLR/AUC也是如此，HLR和AUC物理合一。

後來，到了2.5G。是的沒錯，2G和3G之間，還有一個2.5G——就是GPRS。

在之前2G只能打電話發簡訊的基礎上，有了GPRS，就開始有了數據（上網）業務。

於是，核心網有了大變化，開始有了PS核心網。PS，Packet Switch，分組交換，包交換。

紅色部分為PS交換

SGSN：Serving GPRS Support Node，服務GPRS支持節點

GGSN：Gateway GPRS Support Node，網關GPRS支持節點

SGSN和GGSN都是為了實現GPRS數據業務

很快，基站部分跟著變，2.5G到了3G，網絡結構變成了這樣：

（為了簡單，HLR等網元就沒畫）

3G基站，由RNC和NodeB組成。

到了3G階段，設備商的硬體平臺進行徹底變革升級。

機架內部

（單板比2G重，而且面板都是金屬的）

機框後側

（主要是提供網線、時鐘線、信號線接口）

大家不要小看了硬體平臺，實際上，就像最開始華為的C&C08、中興的ZXJ10一樣，設備商自家的很多不同業務的設備，都是基於同一個硬體平臺進行開發的。不可能每個設備都單獨開發硬體平臺，既浪費時間和精力，又不利於生產和維護。

穩定可靠且處理能力強大的硬體平臺，是產品的基石。

3G除了硬體變化和網元變化之外，還有兩個很重要的思路變化。其中之一，就是IP化。

以前是TDM電路，就是E1線，中繼電路。

粗重的E1線纜

IP化，就是TCP/IP，乙太網。網線、光纖開始大量投入使用，設備的外部接口和內部通訊，都開始圍繞IP位址和埠號進行。

硬體平臺上的光纖

第二個思路變化，就是分離。

具體來說，就是網元設備的功能開始細化，不再是一個設備集成多個功能，而是拆分開，各司其事。

在3G階段，是分離的第一步，叫做承載和控制分離。

在通信系統裡面，說白了，就兩個（平）面，用戶面和控制面。如果不能理解兩個面，就無法理解通信系統。

用戶面，就是用戶的實際業務數據，就是你的語音數據，視頻流數據之類的。

而控制面，是為了管理數據走向的信令、命令。

這兩個面，在通信設備內部，就相當於兩個不同的系統，

2G時代，用戶面和控制面沒有明顯分開。3G時代，把兩個面進行了分離。

接著，SGSN變成MME，GGSN變成SGW/PGW，也就演進成了4G核心網：

4G LTE網絡架構

（注意，基站裡面的RNC沒有了，為了實現扁平化，功能一部分給了核心網，一部分給了eNodeB）

MME：Mobility Management Entity，移動管理實體

SGW：Serving Gateway，服務網關

PGW：PDN Gateway，PDN網關

演進到4G核心網之前，硬體平臺也提前升級了。

華為的USN系列，開始啟用ATCA/ETCA平臺（後來MME就用了它），還有UGW平臺（後面PGW和SGW用了它，PGW和SGW物理上是一體的）。

中興ATCA機框

ATCA：Advanced Telecom Computing Architecture，先進電信計算架構

ETCAz：enhanced ATCA，增強型ATCA

中興xGW（T8000）硬體平臺

其實就是一個大路由器

在3G到4G的過程中，IMS出現了，取代傳統CS（也就是MSC那些），提供更強大的多媒體服務（語音、圖片簡訊、視頻電話等）。IMS，使用的也主要是ATCA平臺。

前面所說的V3平臺，實際上很像一個電腦，有處理器（MP單板），有網卡（乙太網接口卡，光纖接口卡）。而V4的ATCA平臺，更像一臺電腦了，前面你也看到了，名字就叫「先進電信計算平臺」，也就是「電信伺服器」嘛。

確切說，ATCA裡面的業務處理單板，本身就是一臺單板造型的「小型化電腦」，有處理器、內存、硬碟，我們俗稱「刀片」。

ATCA業務處理板——「刀片」

（沒找到中興的，只能放個華為的）

既然都走到這一步，原來的專用硬體，越做越像IT機房裡面的x86通用伺服器，那麼，不如乾脆直接用x86伺服器吧。

於是，虛擬化時代，就到來了。

虛擬化，就是網元功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）。

說白了，硬體上，直接採用HP、IBM等IT廠家的x86平臺通用伺服器（目前以刀片伺服器為主，節約空間，也夠用）。

軟體上，設備商基於openstack這樣的開源平臺，開發自己的虛擬化平臺，把以前的核心網網元，「種植」在這個平臺之上。

網元功能軟體與硬體實體資源分離

注意了，虛擬化平臺不等於5G核心網。也就是說，並不是只有5G才能用虛擬化平臺。也不是用了虛擬化平臺，就是5G。

按照慣例，設備商先在虛擬化平臺部署4G核心網，也就是，在為後面5G做準備，提前實驗。

硬體平臺，永遠都會提前準備。

好了，上面說了5G核心網的硬體平臺，接下來，我們仔細說說5G核心網的架構。

到了5G，網絡邏輯結構徹底改變了。

5G核心網，採用的是SBA架構（Service Based Architecture，即基於服務的架構）。名字比較好記，呵呵…

SBA架構，基於雲原生構架設計，借鑑了IT領域的「微服務」理念。

把原來具有多個功能的整體，分拆為多個具有獨自功能的個體。每個個體，實現自己的微服務。

單體式架構（Monolithic）→ 微服務架構（Microservices）

這樣的變化，會有一個明顯的外部表現，就是網元大量增加了。

紅色虛線內為5G核心網

除了UPF之外，都是控制面

圖片來源：鮮棗課堂

這些網元看上去很多，實際上，硬體都是在虛擬化平臺裡面虛擬出來的。這樣一來，非常容易擴容、縮容，也非常容易升級、割接，相互之間不會造成太大影響（核心網工程師的福音）。

簡而言之，5G核心網就是模塊化、軟體化。