ORAN学习
O-RAN、RAN 与 5G 核心网入门教程:从 UE → RU → DU → CU → 5GC → Data Network 理解一张 5G 网络
核心总结
| 名称 | 所属范围 | 物理位置常见部署 | 核心作用 | 新手记忆 |
|---|---|---|---|---|
| UE | 用户侧 | 用户手中、车辆、设备、工厂终端 | 发起和接收业务,接入无线网络 | 用户设备 |
| RU / O-RU | RAN / 基站侧 | 塔上、楼顶、灯杆、室内天线附近 | 射频收发、无线电波和数字信号转换 | 嘴巴和耳朵 |
| DU / O-DU | RAN / 基站侧 | 站点机柜、边缘机房、边缘云 | 低时延基带处理、调度、MAC/RLC/部分 PHY | 快速反应中枢 |
| CU / O-CU | RAN / 基站侧 | 区域机房、数据中心、云平台 | 高层协议、控制面/用户面、RRC/PDCP/SDAP | 基站高层大脑 |
| 5GC | 核心网侧 | 运营商核心机房、区域云、中心云 | 认证、注册、移动性、会话、策略、转发 | 运营商中枢 |
| UPF | 5GC 用户面 | 核心网、边缘云、园区本地 | 用户数据转发出口 | 数据出口 |
| Data Network | 业务网络 | 互联网、企业内网、云平台、IMS | 承载真正业务 | 目的地 |
| RIC / SMO | O-RAN 管理智能侧 | 管理云、O-Cloud、数据中心 | 智能控制、编排、管理、优化 | 网络智能运营系统 |
High PHY:更靠近 MAC/调度/编码的物理层上半部分。 Low PHY:更靠近射频/RF/天线/采样的物理层下半部分。
1 | |
1 | |
也就是说,O-DU 负责更复杂、更集中化的协议和高层物理层处理;O-RU 负责靠近天线和射频的低层物理层处理。srsRAN 的 O-RAN gNB 文档也说明,使用 split 7.2x 时,Low-PHY 位于 RU;而使用 split 8 时,Low-PHY 可以位于 DU-low。
High PHY 通常包括这些功能:
1 | |
它的特点是:更靠近比特流、调制符号、资源块、MCS、HARQ 和调度控制。
从计算角度看,High PHY 里有大量:
1 | |
所以 High PHY 更适合放在 DU、服务器、GPU、NPU、FPGA 或其他可编程加速平台上。
Low PHY 通常包括这些功能:
1 | |
它的特点是:更靠近 IQ 采样、时频变换、天线端口和射频前端。
在 O-RAN 7.2x 中,Low PHY 通常放在 O-RU 侧。这样做的原因是 Low PHY 离射频更近,对时延、同步、采样、前传带宽都有更强约束。O-RAN 7.2x 的目标就是在 O-DU 和 O-RU 之间用开放前传接口划分 PHY 功能,以支持多厂商互通。
5G / O-RAN 一句话总览
在 5G / O-RAN 语境里,可以先记住这一条主线:
1 | |
最重要的边界是:
1 | |
如果用一句话解释:
RU/DU/CU 负责把手机“接进运营商无线网络”;5GC 负责判断你是谁、能不能上网、怎么转发数据、怎么计费和管理;Data Network 才是你最终访问的互联网、企业业务或语音业务网络。
UE、RAN、核心网、数据网络
理解 5G 网络时,不要一开始陷入 RU、DU、CU 的细节。先从大框架看:
1 | |
UE:User Equipment,用户设备
UE 就是用户侧终端,例如:
- 手机
- 平板
- 5G CPE
- 车联网终端
- 工业网关
- 摄像头
- 机器人
- 物联网模组
UE 的任务是通过无线空口接入基站。它会和网络完成注册、鉴权、建立会话,然后发送或接收数据。
RAN:Radio Access Network,无线接入网
RAN 是“无线接入”部分。它负责让 UE 通过无线信号接入运营商网络。
在传统理解里,RAN 约等于“基站网络”。
在 5G 里,基站通常叫 gNB。
在 O-RAN 里,gNB 的功能可以进一步拆成:
1 | |
其中:
- O-RU:Open Radio Unit,无线射频单元
- O-DU:Open Distributed Unit,开放分布式单元
- O-CU:Open Centralized Unit,开放集中单元
所以可以先简单理解:
1 | |
但注意:这只是逻辑上的“基站功能”。物理部署上,RU、DU、CU 可以在同一个设备里,也可以分布在不同位置。
5GC:5G Core,5G 核心网
核心网不是基站。核心网是运营商网络的大脑和中枢。
它负责:
- 判断 UE 是谁
- 判断 SIM/USIM 是否有效
- 管理 UE 的注册状态
- 管理 UE 在不同基站之间移动
- 为 UE 建立上网会话
- 分配 IP 地址或相关会话资源
- 选择用户数据从哪个出口出去
- 执行策略、计费、安全、切片等控制
- 把用户数据转发到互联网、企业专网或其他业务网络
Data Network:数据网络
Data Network 是用户真正想访问的网络,例如:
- 公网互联网
- 企业专网
- 云服务平台
- 视频平台
- 游戏服务器
- 工业控制平台
- IMS 语音网络
核心网是“运营商中枢”,Data Network 是“业务目的地”。
第二张图:这些东西物理上在哪里?
逻辑链路是 UE → RU → DU → CU → 5GC → Data Network,但它们不一定在同一个地点。物理部署通常是分层的。
RU、DU、CU 能不能认为是一个“小基站”?
可以,但要分场景。
当 RU、DU、CU 在一个盒子里
例如小基站、园区专网、室内覆盖设备、部分一体化设备中,RU、DU、CU 可能集成在同一个物理设备里。
这种情况下,可以近似理解为:
1 | |
它像一个完整的无线接入点:一边和 UE 通信,一边连接到核心网。
当 RU、DU、CU 分开放
在运营商宏站、云化 RAN、O-RAN 部署里,常见方式是:
1 | |
这种情况下,它们合起来才构成一个完整的基站功能。
也就是说:
1 | |
但物理上并不一定是一个设备。
多个 RU 共享 DU/CU
在集中化部署中,可能出现:
1 | |
好处包括:
- 更容易集中运维
- 资源池化
- 降低部分站点设备复杂度
- 支持云化和虚拟化
- 更容易实现多厂商组合
O-RAN 到底是什么?RU + DU + CU 就是 O-RAN 吗?
不完全是。
RU + DU + CU 是 RAN 的主体
RU、DU、CU 是无线接入网的主要功能模块。
如果只从“基站功能”角度看,它们确实是 O-RAN 里最核心、最容易看见的组成部分。
但是 O-RAN 不只是把基站拆成 RU、DU、CU。
O-RAN 的关键思想
O-RAN 的重点是:
- 开放接口
- 多厂商互通
- 硬件和软件解耦
- 云化部署
- 自动化运维
- 智能控制
- RAN 可编程化
传统基站通常是一家厂商提供封闭的一整套系统。
O-RAN 希望把不同功能模块开放出来,让不同厂商的 O-RU、O-DU、O-CU、RIC、SMO 等组件可以通过标准化或开放接口协同工作。
O-RAN 还包括哪些组件?
除了 O-RU、O-DU、O-CU,O-RAN 架构里还经常出现:
| 组件 | 中文理解 | 作用 |
|---|---|---|
| Near-RT RIC | 近实时 RAN 智能控制器 | 对 RAN 进行近实时优化和控制,时间尺度通常更接近秒级或亚秒级 |
| Non-RT RIC | 非实时 RAN 智能控制器 | 做更长期、更全局的策略、AI/ML、优化和编排 |
| SMO | Service Management and Orchestration | 服务管理与编排,负责管理、编排、配置、性能和生命周期 |
| O-Cloud | O-RAN Cloud | 承载 O-CU、O-DU、RIC 等云化网元的云基础设施 |
| xApp | 运行在 Near-RT RIC 上的应用 | 做近实时无线优化,例如负载均衡、干扰协调 |
| rApp | 运行在 Non-RT RIC/SMO 侧的应用 | 做非实时策略、训练、分析、能效优化等 |
所以更准确的表达是:
1 | |
BBU、RU、DU、CU 之间是什么关系?
BBU 是传统基站里的概念
BBU 是 Baseband Unit,基带处理单元。
在传统 4G 或早期基站架构中,常见形式是:
1 | |
- RRU(Remote Radio Unit)/ RRH:靠近天线,负责射频收发
- BBU:负责基带处理和协议处理
到 5G / O-RAN,BBU 的功能被拆开
在 5G 拆分架构中,传统 BBU 的功能大致可以拆成:
1 | |
其中:
- DU 负责更靠近实时性的低层处理
- CU 负责更高层、更集中化的协议处理
所以你可以这样记:
1 | |
但这只是帮助理解的近似关系,不是严格一一对应。
每个部分具体做什么?
UE:用户设备
UE 是什么?
UE 是终端设备。手机是最典型的 UE,但 UE 不只包括手机。
例如:
- 智能手机
- 5G 模组
- CPE 路由器
- 工业机器人
- AGV 小车
- 摄像头
- 车载终端
- 智能电表
- AR/VR 设备
UE 主要做什么?
UE 主要负责:
- 搜索小区和接入网络
- 和基站完成无线连接
- 通过 SIM/USIM 参与身份认证
- 建立上网会话
- 收发用户数据
- 在移动过程中完成切换
- 按网络调度规则发送和接收无线资源
UE 和谁直接通信?
UE 直接通过无线空口和 RAN 通信。
从物理感觉上看,UE 是和“基站天线”通信。
从逻辑上看,UE 是和 gNB,也就是由 RU/DU/CU 共同组成的基站功能通信。
RU / O-RU:无线射频单元
RU 是什么?
RU 是 Radio Unit,无线射频单元。
在 O-RAN 中通常叫 O-RU。
RU 是最靠近天线的部分。
它负责把无线信号和数字信号之间进行转换。
你可以把 RU 理解为:
1 | |
- 嘴巴:把网络侧的数字信号变成无线电波发出去
- 耳朵:把手机发来的无线电波接收回来,变成数字信号给 DU 处理
RU 通常部署在哪里?
RU 通常部署在:
- 通信塔上
- 楼顶基站旁
- 灯杆站上
- 室内分布系统附近
- 工厂园区天线附近
- 小基站设备内部
因为它要连接天线,所以必须非常靠近天线。
RU 主要功能
RU 的主要功能包括:
| 功能 | 解释 |
|---|---|
| 射频收发 | 发送和接收无线电信号 |
| 频率转换 | 在基带/中频/射频之间转换 |
| 数模转换 DAC | 下行时把数字信号变成模拟信号 |
| 模数转换 ADC | 上行时把模拟无线信号变成数字信号 |
| 功率放大 PA | 下行发射时增强信号功率 |
| 低噪声放大 LNA | 上行接收时放大微弱信号 |
| 滤波 | 去除不需要的频率成分 |
| 部分物理层处理 | 在不同功能拆分方案下,RU 可能承担部分低层 PHY 功能 |
| 波束赋形相关处理 | 在 Massive MIMO 场景中配合天线阵列调整波束方向 |
RU 和 DU 的连接
RU 和 DU 之间的连接叫 前传 Fronthaul。
在 O-RAN 中强调开放的前传接口,通常称为 Open Fronthaul。
前传链路通常对以下指标很敏感:
- 带宽
- 时延
- 抖动
- 时间同步
- 丢包
- 光纤质量
因为 RU 和 DU 之间承载的是非常靠近无线物理层的数据,时延要求高。
DU / O-DU:分布式单元
DU 是什么?
DU 是 Distributed Unit,分布式单元。
在 O-RAN 中通常叫 O-DU。
DU 负责更靠近实时性的基带处理。
它比 CU 更靠近 RU,也更靠近无线现场。
你可以把 DU 理解为:
1 | |
DU 为什么要靠近 RU?
因为 DU 处理很多低时延任务,例如:
- 用户调度
- HARQ 快速重传相关处理
- MAC 层处理
- RLC 层处理
- 部分 PHY 处理
这些功能和无线帧、时隙、调度强相关,需要快速响应。
如果 DU 离 RU 太远,前传时延过大,会影响无线性能。
DU 通常部署在哪里?
DU 可以部署在:
- 基站站点机柜
- 边缘机房
- 汇聚机房
- 园区边缘数据中心
- 云化 RAN 的边缘云节点
它通常比 RU 更“机房化”,但又比 CU 更靠近无线现场。
DU 主要功能
DU 主要处理低层和较实时的 RAN 功能。常见理解如下:
| 层/功能 | DU 中的作用 |
|---|---|
| High PHY | 部分物理层处理,具体取决于功能拆分方式 |
| MAC | 媒体接入控制,负责无线资源调度 |
| RLC | 无线链路控制,负责分段、重组、重传等 |
| Scheduler | 调度器,决定哪个 UE 在什么时间、频率资源上传输 |
| HARQ 相关处理 | 快速确认和重传机制相关处理 |
| 小区低层管理 | 和无线资源、低层小区控制相关的功能 |
DU 的关键特点
DU 的关键词是:
1 | |
如果 RU 是“收发无线电波”,DU 就是“快速决定无线资源怎么用”。
CU / O-CU:集中单元
CU 是什么?
CU 是 Centralized Unit,集中单元。
在 O-RAN 中通常叫 O-CU。
CU 负责更高层、更集中化的 RAN 协议处理。
它不像 DU 那样需要贴近无线现场,因此可以部署在更集中的机房或云平台中。
你可以把 CU 理解为:
1 | |
CU 可以继续拆成 CU-CP 和 CU-UP
在 5G 架构里,CU 经常进一步拆成:
| 组件 | 全称 | 作用 |
|---|---|---|
| CU-CP | Centralized Unit - Control Plane | 控制面,处理 RRC、连接控制、移动性控制等 |
| CU-UP | Centralized Unit - User Plane | 用户面,处理用户数据相关的 PDCP、SDAP 等 |
简单理解:
1 | |
CU 主要功能
CU 常见功能包括:
| 功能 | 解释 |
|---|---|
| RRC | 无线资源控制,管理 UE 连接状态、配置、切换等 |
| PDCP | 分组数据汇聚协议,涉及加密、完整性保护、头压缩、重排序等 |
| SDAP | 5G 中负责 QoS Flow 和无线承载之间的映射 |
| 高层移动性管理 | 配合核心网和其他基站完成切换控制 |
| CU-CP / CU-UP 分离 | 控制面和用户面分开部署,提升灵活性 |
| 与 5GC 连接 | 通过 NG 接口连接 AMF/UPF 等核心网功能 |
CU 通常部署在哪里?
CU 可以部署在:
- 区域数据中心
- 运营商汇聚机房
- 城市级云平台
- 边缘云或中心云
- 私有 5G 核心/边缘平台附近
相比 DU,CU 可以更集中。
一个 CU 可能服务多个 DU。
5GC:5G 核心网
核心网是什么?
5GC 是 5G Core,5G 核心网。
它是运营商网络的控制和转发中枢,不属于 O-RAN 的 RU/DU/CU 基站拆分本体。
你可以把核心网理解为:
1 | |
核心网和 RAN 的根本区别
| 对比项 | RAN:RU/DU/CU | 5GC:核心网 |
|---|---|---|
| 主要目标 | 让 UE 通过无线信号接入网络 | 管理用户、会话、移动性、策略和数据出口 |
| 是否直接处理无线电波 | 是,尤其 RU | 否 |
| 是否靠近天线 | RU 必须靠近,DU 通常较近,CU 可集中 | 通常在核心机房、区域云或中心云 |
| 面向对象 | 小区、无线资源、空口质量、UE 连接 | 用户身份、会话、策略、计费、路由、切片 |
| 典型接口 | Uu、Open Fronthaul、F1、E1、NG | N1、N2、N3、N4、N6、服务化接口 SBI |
| 类比 | 基站和无线接入系统 | 运营商总部系统和网络中枢 |
5GC 里常见的网络功能
5GC 是由多个网络功能组成的,不是一个单一盒子。常见功能包括:
| 5GC 功能 | 全称 | 简化理解 |
|---|---|---|
| AMF | Access and Mobility Management Function | 接入和移动性管理,负责注册、连接、移动性 |
| SMF | Session Management Function | 会话管理,负责 PDU Session、IP 地址、UPF 选择等 |
| UPF | User Plane Function | 用户面转发,真正转发用户数据到 Data Network |
| AUSF | Authentication Server Function | 鉴权服务器功能,参与用户鉴权 |
| UDM | Unified Data Management | 用户数据管理,保存用户签约相关数据 |
| UDR | Unified Data Repository | 统一数据存储 |
| PCF | Policy Control Function | 策略控制,决定 QoS、计费和访问策略 |
| NRF | Network Repository Function | 网络功能注册与发现 |
| NSSF | Network Slice Selection Function | 网络切片选择 |
| NEF | Network Exposure Function | 对外开放网络能力 |
| AF | Application Function | 应用功能,与网络策略或能力开放相关 |
核心网如何帮助 UE 上网?
一个非常简化的过程是:
- UE 通过 RU/DU/CU 接入 RAN。
- RAN 把控制信令送到核心网 AMF。
- AMF 负责接入和移动性管理。
- 核心网通过 AUSF、UDM 等确认用户身份和签约信息。
- UE 请求建立 PDU Session,也就是上网会话。
- SMF 负责会话管理,选择合适的 UPF。
- UPF 成为用户数据出口,把数据转发到 Data Network。
- Data Network 返回的数据再通过 UPF、CU、DU、RU 回到 UE。
Data Network:数据网络
Data Network 是什么?
Data Network 是 UE 最终访问的网络。它可能是:
- 互联网
- 企业专网
- 工厂内网
- 视频业务平台
- 游戏服务器
- 云服务平台
- IMS 语音网络
- MEC 边缘应用平台
Data Network 和核心网有什么区别?
核心网负责“把你送到正确的出口”。
Data Network 是“你真正访问的目的地”。
例如你用手机打开网页:
1 | |
其中:
- 5GC 是运营商核心网络
- Internet / 目标网站服务器是 Data Network
专网场景中的 Data Network
在企业专网或工业园区中,Data Network 可能不是公网互联网,而是:
- 工厂 MES 系统
- PLC 控制系统
- 机器视觉平台
- 本地视频分析服务器
- 企业办公网络
- 边缘 AI 平台
这时 5GC 的 UPF 可能部署在园区边缘,使 UE 的数据直接进入本地企业网络,降低时延并提升数据安全性。
控制面和用户面:为什么经常听到 CP、UP?
理解 5G 时,经常会听到两个词:
1 | |
控制面 CP
控制面负责“指挥和管理”,例如:
- 终端注册
- 鉴权
- 建立连接
- 建立会话
- 移动性管理
- 切换控制
- 策略控制
- QoS 配置
它回答的是:
1 | |
用户面 UP
用户面负责“真正搬运用户数据”,例如:
- 网页数据
- 视频流
- 游戏数据
- 工业控制数据
- 语音媒体流
- 上传下载文件
它回答的是:
1 | |
在整体链路中的体现
控制面大致是:
1 | |
用户面大致是:
1 | |
上网时数据到底怎么走?
下面用“手机打开网页”为例。
下行方向:网络到手机
当你打开一个视频或网页,数据从服务器回来时:
1 | |
每一段的作用:
| 位置 | 做什么 |
|---|---|
| Data Network | 产生业务数据,例如网页、视频、API 响应 |
| UPF | 核心网用户面出口,把数据送回对应 UE |
| CU-UP | RAN 用户面高层处理 |
| DU | 调度无线资源,决定如何通过空口发送 |
| RU | 把数字信号变成无线电波 |
| UE | 接收无线信号并交给应用 |
上行方向:手机到网络
当你上传照片、发消息或发送请求时:
1 | |
每一段的作用:
| 位置 | 做什么 |
|---|---|
| UE | 产生业务数据 |
| RU | 接收无线电波并转为数字信号 |
| DU | 进行低层处理和无线链路处理 |
| CU-UP | 做高层用户面处理 |
| UPF | 转发到正确的数据网络 |
| Data Network | 接收请求或业务数据 |
手机接入网络时控制信令怎么走?
上网前,UE 需要先接入网络。简化过程如下:
1 | |
简化的注册和会话过程
| 步骤 | 简化说明 |
|---|---|
| 1. 小区搜索 | UE 找到可用小区 |
| 2. 随机接入 | UE 尝试接入小区 |
| 3. RRC 连接 | UE 和 RAN 建立无线控制连接 |
| 4. 注册请求 | UE 通过 RAN 向 AMF 发起注册 |
| 5. 鉴权 | 核心网确认 SIM/USIM 和用户身份 |
| 6. 安全建立 | 建立信令和数据保护机制 |
| 7. PDU Session | 建立上网会话 |
| 8. UPF 选择 | 核心网选择用户面转发出口 |
| 9. 数据通道可用 | UE 可以访问 Data Network |
为什么要拆成 RU、DU、CU?
传统基站把很多东西做在一个封闭设备里。拆成 RU、DU、CU 的原因包括:
为了适配不同的时延需求
不同功能对时延要求不同:
| 功能 | 时延敏感程度 | 更适合放在哪里 |
|---|---|---|
| 射频收发 | 极高 | RU,靠近天线 |
| 低层调度和 HARQ | 很高 | DU,靠近边缘 |
| 高层协议和集中控制 | 中等 | CU,可集中部署 |
| 核心网会话和策略 | 相对更低 | 5GC,可云化/中心化 |
为了资源池化
多个站点的 DU/CU 能力可以被集中管理,提升资源利用率。
为了云化和虚拟化
CU 和部分 DU 可以运行在通用服务器、虚拟化平台或云原生环境中,而不是完全依赖专用硬件。
为了多厂商互通
O-RAN 希望通过开放接口,让不同厂商的组件可以组合,例如:
1 | |
为了智能优化
引入 RIC、xApp、rApp 后,可以对无线网络做更灵活的优化,例如:
- 负载均衡
- 能耗优化
- 干扰协调
- 移动性优化
- QoS 优化
- 网络切片优化
- 异常检测
总览图提示词
参考资料
以下资料用于校准本文中的架构边界和术语理解,建议作为后续深入阅读入口:
3GPP - 5G System Overview
https://www.3gpp.org/technologies/5g-system-overviewO-RAN Software Community - O-RAN Architecture Overview
https://docs.o-ran-sc.org/en/latest/architecture/architecture.htmlO-RAN Alliance - O-RAN Architecture and Resources
https://www.o-ran.org/o-ran-resourcesETSI TS 138 401 / 3GPP TS 38.401 - NG-RAN Architecture description
https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138400_138499/138401/ETSI TS 103 982 - O-RAN Fronthaul / Architecture related public specification entry
https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/103900_103999/103982/