分布式基站架构之分割点
发布时间：2022/07/22
随着通信技术的发展，移动通信系统的架构也在持续的演进，分布式基站架构在3G后期开始出现，并在4G时期得到成熟和发展，成为基站架构的主要形式之一。分布式基站的主要特点是将基站的基带处理单元和射频处理单元进行物理实体上的分离，之间通过光纤连接。在进行网络部署时，射频处理单元安装在信号覆盖规划站点的铁塔、抱杆或墙面等处，通过光纤连接至设备机房，基带单元与核心网等设备安装在设备机房的机架上。通常设备机房可以设置在离规划站点较远的地方，可以集中放置一定数量的设备进而实现对多台射频单元的管理，而射频处理单元由于功能简化，可以实现较小的体积和较低的功耗，从而方便工程现场的安装，降低建设维护成本。
一般而言，基站的功能包含无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）处理、分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）处理、无线链路层控制（Radio Link Control，RLC）处理、媒体接入控制（Media Access Control，MAC）处理、物理层（Physical，PHY）处理，以及射频电路和天线等。分布式基站将基站中的各项功能进行了分组，形成相应的功能单元，如图1所示。在3G、4G时期，基站的基带处理单元和射频处理单元分别被成为BBU（Baseband Unit，基带单元）和RRH（Remote Radio Head，射频前端）。RRH安装位置尽可能靠近天线，从而减小RRH和天线之间的馈线损耗，RRH也可以和天线集成在一个外壳内，成为有源天线单元AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元），施工更加方便。BBU和核心网之间的接口称为回传接口（BackHaul，BH），3GPP协议中对应3G网络中NodeB和RNC之间的Iub接口，4G网络中eNodeB和ePC之间的S1接口；BBU和RRH之间的接口称为前传接口（FrontHaul，FH），3GPP协议中对前传接口没有拟定标准，国内称其为Ir接口，设备商通常遵从CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线接口）或OBSAI（Open Base Station Architecture Initiative，开放基站架构倡议）接口协议，通过定义同步帧结构，采用时分复用的方式传送时域数字基带信号。
在5G系统中，基站被进一步划分成CU（Central Unit，集中单元）、DU（Distributed Unit，分布单元）和RU（Radio Unit，射频单元），其中CU包含基带处理单元中实时性较弱的处理部分的功能，DU包含实时性较强处理部分的功能，而RU除了射频处理功能外，还包含了部分物理层的基带处理功能。采用大规模天线阵列技术的5G的RU，通常与天线阵列集成在一起，即采用AAU的形式。CU和核心网之间的接口为回传接口，3GPP协议中对应NG接口；CU和DU之间的接口称为中传（MiddleHaul，MH），3GPP协议中对应F1接口；DU和RU之间的接口称为前传接口，3GPP协议中对前传接口没有拟定标准，设备商通常遵从eCPRI接口协议，基于以太网协议，采用数据包的方式传送时域数字基带信号。
图2是3GPP 38.401中描述的NG-RAN的总体架构，CU与DU分离的分布式架构已经成为5G基站的基本架构。CU和DU分离的基站方案，可以解决传统LTE基站BBU和RRH分离的架构在5G中应用面临的问题，这些问题包括：前传接口带宽需求太高、集中化管理实现困难、实时性业务支持不灵活等等。3GPP在Rel-14 5G SI阶段针对CU/DU分离架构开展了技术研究和性能评估。2016年3GPP RAN #71会议通过的TR38.913 V0.2.1中明确了“应允许拆分RAN架构的不同选项和灵活性”，之后进行的RAN3 #91bis会议上开始正式讨论RAN架构分割的方案，提出7种分割方案，之后RAN3 #92会议中加入了第8种分割方案，此后的3GPP会议就基于这8种分割方式进行讨论。2017年3GPP Rel-15确定分割点Option 2做为CU和DU之间高层分割（Higher Layer Split）方案的分割点，并将该接口定义为F1接口（3GPP TS38.401），制定了TS 38.47x系列F1接口规范。这一分割点的选择，着重解决了把非实时功能和实时功能分割的问题，进而方便CU集中化管理。而分割点Option 6或Option 7被选为低层分割（Lower Layer Split）CU和DU（分别称之为lls-CU和lls-DU）的分割点，Option 6位于MAC和PHY之间，Option 7位于PHY层中间，而Option 8就是传统的PHY/RF分割点。
除3GPP外，还有一些标准化组织或联盟也对CU和DU的分割点进行的标记。IEEE 1914 NGFI（Next Generation Fronthaul Interface，下一代前传接口）工作组将基站分割为CU、DU和RU，前传接口分为两层（tier），称为NGFI-I和NGFI-II，分别与3GPP的Option 7和Option 2相对应。CPRI联盟在eCPRI协议中对4G和5G基站进行功能分割，将基站分割为eREC和eRE，设计了6个分割点，分别对应3GPP的Option 1, 2, 4, 6, 7, 8。图3是3GPP的8个分割点的方案和IEEE 1914.1协议、eCPRI协议中分割点的方案，它们基本上是一致的。2018年10月ITU-T SG15会议通过的技术报告“GSTR-TN5G – Transport network support of IMT-2020/5G”中明确了将基站分割成CU、DU和RU三个要素的分割方法，传统的BBU和RRH被重新命名为CU/DU和RU。
RU，即射频单元，是NG-RAN的射频前端。RU的前传接口对应3GPP描述的低层分割的CU和DU之间的接口。3GPP Rel-15将关于低层分割CU和DU的研究成果记录在3GPP TR38.816。低层分割有几种可能的选项，分别是Option 6（MAC/PHY分割）和Option 7（PHY内部分割），Option 7又被划分成Option 7-1（资源映射和FFT/IFFT之间）、Option 7-2（层映射和预编码之间）和Option 7-3（下行扰码/和调制之间）。对于Option 7-2内部再设立细化分割点的建议并没有被记录进入3GPP TR38.816。在3GPP讨论低层分割点的同时，eCPRI协议的正式发布，之后3GPP结束了关于CU和DU低层分割的讨论，认为TR38.816中记录的各种分割方案技术上都是可行的，对已经确定的分割方案及其可能的变种持开放态度。3GPP对低层分割点不在进一步标准化。
尽管3GPP对RU的前传接口没有进行标准化，但其他联盟组织仍然各自对前传接口的标准化。在eCPRI协议中，物理层内部的分割点被定义为ID，IID和IU，其中ID对应Option 7-3，IID和IU位于预编码和资源映射之间，可以认为是Option 7-2的变种（这里称之为7-2a）。O-RAN联盟（O-RAN Alliance）将物理层内部的分割点设置在资源映射和数字波束赋形之间，称之为7-2x。虽然eCPRI协议只明确了分割点{ID; IID: IU}，但其协议仍然可以支持其他分割点组合，使用其他各种分割点的前传接口，基本上都可以基于eCPRI接口协议实现。图4示意了几种主要的RU前传接口的分割点。
现在市场产品主要是采用Option 8或Option 7-2x作为前传分割点。