从2G到5G：无线RAN技术的演进之路

从2G到5G：无线RAN技术的演进之路

从1G到5G，无线接入网络（RAN）经历了从复杂封闭到简单开放的深刻变革。本文将带你深入了解这一技术演进历程，从2G时代的BSS架构，到3G时代的分布式基站，再到4G的扁平化架构，以及5G时代的C-RAN、vRAN和O-RAN等创新方案。

1G~5G

1G出现在20世纪80年代，主要提供基本的模拟语音通信服务，但受限于容量和数据支持。

20世纪90年代，2G首次引入了短信服务和基础的互联网浏览功能。3G的出现标志着移动互联网、视频通话和多媒体消息传递的新时代。4G则在数据传输速率、延迟降低以及对多媒体服务的支持方面都有显著提升。

而5G作为当前的蜂窝无线标准，在多个方面如更高的容量、更低的延迟等超越其前身4G技术。

随着从2G发展到5G，移动无线接入网络（Radio Access Network，RAN）也从复杂、封闭的技术架构，向简单、灵活与开放的技术架构演进。

2G RAN

在2G时代，移动无线接入网络（RAN）主要由基站子系统BSS（Base Station Subsystem）构成，这一系统包括了两个层级的架构：基站收发信台BTS（Base Transceiver Station）和基站控制器BSC（Base Station Controller），如图下所示。

BTS通过Um空中接口接收移动设备MS发送的无线信号，并将这些信号传输给BSC。BSC的职责是进行无线资源的管理与配置，包括功率控制、信道分配等，随后通过A接口和Gb接口将信号传输至核心网部分。

在2G RAN的一体式基站架构中，天线安装在铁塔上，而其余部分则位于基站旁边的机房内。天线通过馈线与室内机房相连。这种一体式基站架构要求在每个铁塔下建造一个机房，这不仅增加了建设成本，延长了建设周期，同时也不利于网络架构的拓展。

为了解决这种成本高和周期长的问题，一体式基站架构逐渐发展为分布式基站架构。如下图所示：

分布式基站架构将BTS分为RRU（Remote Radio Unit）和BBU（Baseband Unit）。RRU主要负责射频相关的模块，包括中频模块、收发信机模块、功放模块和滤波模块等四大模块。而BBU则主要负责基带处理和协议栈处理等任务。

在这种架构中，RRU安装在铁塔上，BBU则位于室内机房，每个BBU可以通过光纤连接多个RRU（通常为3个或4个），从而提高了网络的灵活性和扩展性。

3G RAN

在3G时代，RAN也是基于分布式架构，不过还将BBU和RRU进行了分离。在这种架构中，RRU甚至可以安装在天线的下方，而不需要与BBU放置在同一个机柜内，这种网络被称为分布式无线接入网D-RAN（Distributed-Radio Access Network），如图所示。

可以看出，3G RAN不再采用2G时代的基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）的两层结构，而是采用了新的基站NodeB和无线网络控制器（RNC，Radio Network Controller）的两级架构。尽管NodeB和RNC在功能上与BTS和BSC基本保持一致，但它们提供了更高的数据传输速率和更先进的网络管理功能。

此外，3G时代的核心网也被划分为两个主要的域：电路交换（CS，Circuit Switch）域和分组交换（PS，Packet Switch）域。CS域主要用于传统的语音服务，而PS域则支持数据服务，包括移动互联网访问。这种划分使得3G网络能够更有效地处理不同类型的通信需求。

4G RAN

在4G时代，为了更低时延，RAN的技术架构主要体现在网络架构的扁平化，采用了一种简化的一级架构，即eNodeB（Evolved NodeB），取代了3G时代的两级架构。

eNodeB集成了原本分散在基站NodeB和RNC中的功能，以期望减少端到端的时延，提高网络的效率。也就是说，3G RNC的某些功能被集成到了eNodeB中，而其他一些功能则被转移到了核心网中。

当然，4G基站普遍采用了分布式基站架构，如下图所示。这种架构允许RRU和BBU分离，提高了网络的灵活性和扩展性，同时也有助于降低建设和维护成本。

4G核心网的设计进一步简化，称为EPC，即演进分组核心网（Evolved Packet Core）。EPC仅包含PS域，这与3G时代的核心网不同，后者还包含CS域。这种设计使得4G网络能够更高效地处理数据服务，尤其是在移动互联网应用方面。

5G RAN

到了5G时代，为了进一步提升移动通信系统的灵活性和效率，BBU被进一步拆分为两个新的组件：分布单元（Distributed Unit，DU）和集中单元（Centralized Unit，CU）。

这种拆分使得RAN的组网方式更加灵活，如下图所示。DU和CU共同构成了gNB，其中每个CU可以连接1个或多个DU。CU和DU之间的功能分割有多种方案，可以根据不同的通信场景和需求进行适配。

同时，5G时代引入了Massive MIMO技术，以提高系统的容量和频谱利用率。MIMO技术的高阶实现需要更多的天线，相应地，也需要更多的馈线和RRU（Remote Radio Unit）上的馈线接口，这增加了工艺的复杂度。馈线本身存在的衰耗也可能影响系统性能。

因此，5G技术将RRU与无源天线集成，形成了有源天线处理单元AAU，即Active Antenna Unit，以降低衰耗并简化设计。

C-RAN & vRAN & O-RAN

我们知道，通信运营商建立无线网络所需的大部分资本支出与RAN有关，约占用网络总成本的80%。

为了有效降低通信运营商的CAPEX，并防止运营商被特定网络设备厂商绑定，运营商也借鉴了数据中心的池化、虚拟化和软硬件解耦等理念，并将其应用到RAN网络架构中。

• C-RAN

因此，大概在2009年左右，IBM、英特尔和中国移动共同启动了C-RAN（Cloud RAN或Centralized RAN）计划，标志着RAN功能的虚拟化开始。C-RAN是对分布式基站的进一步演进，将BBU处理资源集中化、开放化和云计算化为资源池，通过高带宽、低时延的光纤或光传输网连接远端无线射频单元。

C-RAN架构通过集成先进的无线电信号处理技术，如协调多点传输（CoMP）、载波聚合（CA）和增强型小区间干扰消除（eICIC），有效地减少了网络内部和不同网络层次之间的干扰。这些技术不仅提升了网络的整体性能，还显著增强了用户的体验。

同时，C-RAN架构的实施降低了部署和维护多个RAN站点的成本，并通过整合资源，优化了网络容量和频谱的使用效率。

• vRAN

上面说的C-RAN可以认为是在4G RAN传统架构上进行的池化，到了5G时代，更进一步，即将5G网络的物理基础设施资源进行虚拟化处理，主要依赖于SDN技术，也就是我们的vRAN技术，即虚拟化RAN。

通过vRAN技术，传统的专用BBU硬件可以被COTS（Commercial Off-The-Shelf，商用现成品）服务器所取代。BBU的软件化和虚拟化使得其能够在任何COTS服务器上运行，实现了BBU软件与硬件的解耦。

然而，这种虚拟化并没有改变RRU/RRH与基于COTS的BBU之间的专有接口，这些接口保持了原有的专有性质。也就是说BBU与RRU/RRH之间的接口并没有开放。

举例来说，厂商A的无线侧（RRU/RRH）只能与厂商A提供的、运行在COTS BBU上的软件配合使用。除非与厂商A的无线侧接口是基于开放标准，否则通信运营商无法在同一COTS BBU上安装并使用无线网络厂商B的软件。

为了改变这种情况，或者说运营商希望摆脱设备商的绑定，推出了咱们的O-RAN，或Open RAN。

• O-RAN

从前面的C-RAN和vRAN来看，都没有实现BBU和RRU/RRH之间接口的开放与标准化。相比之下，O-RAN提出了一种开放标准的方案架构，使得任何无线网络厂商的软件都能与任何开放的RRU/RRH硬件协同工作。

该方案基于通用的、厂商中立的硬件和软件定义技术，所有组件之间都有开放的标准接口。这种设计实现了硬件和软件的解耦，使得RRU/RRH硬件能够采用商用现成品（COTS）硬件。

这种基于软件架构的O-RAN网络体系结构支持“白盒”化RAN硬件。这意味着RAN的基带单元、无线电单元和远程无线单元可以由任何无线网络设备供应商组装，并由O-RAN软件进行管理，形成一个真正可互操作的开放RAN。

这样一来，当运营商决定进行RAN升级或替换时，可以保留底层硬件，仅需替换RAN组件的软件即可。不过对于设备商来说，喜忧参半。

O-RAN的开放式架构，有一个非常大的优势是为实现AI和ML算法提供了更为理想的平台。运营商可以利用这些先进的技术来优化网络性能，高效分配网络资源，并通过动态适应不断变化的流量模式和用户行为来提升整体用户体验、服务质量和网络效率。

其他RAN

在RAN的发展过程中，除了上面这些大家耳熟能详的构架外，还出现了其他一些RAN方案，比如HC-RAN，F-RAN等。

• HC-RAN

其中HC-RAN，全称是Heterogeneous Cloud Radio Access Network，即：异构云无线电接入网络。它是一种新型的无线接入网架构，通过将小基站（Small BS）与宏基站（Macro BS）集成，创建了一个异构网络环境。宏基站在提供网络控制、移动管理和整体系统性能增强方面发挥着至关重要的作用。小基站用来补充宏基站的功能。

• F-RAN

Fog-RAN，简称F-RAN，Fog的中文是雾，雾RAN。也是为满足5G网络降低延迟需求的推出的一种解决方案。F-RAN通过将网络功能分散到更靠近最终用户的位置，利用与RRH接近的雾计算优势，减少数据传输延迟，增强用户体验。

F-RAN从架构优化了网络边缘的数据处理，通过将计算任务从中央服务器卸载到雾节点来减少拥塞，提高整体网络效率。特别是在5G网络中，F-RAN满足了自动驾驶汽车和物联网等应用对低延迟的需求。

总结

最后总结一句话：

无线RAN架构的演进不断推动着网络性能和效率的提升，同时有效降低了运营成本。每一次技术革新都为网络注入了新的活力和功能，增强了其灵活性和扩展性，以更好地满足用户不断增长的需求。