BBU集中部署時CPRI鏈路承載方案

霍曉莉，荊瑞泉

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京 100035）

1 引言

移動通信的LTE時代已全面開啟。由于LTE階段單個基站的帶寬大幅度增加、基站部署密度加大，傳統(tǒng)的基站建網(wǎng)方式已顯現(xiàn)出基站選址困難、機(jī)房成本高、基站資源利用率低、維護(hù)工作量大等問題。因此，隨著BBU（building baseband unit，室內(nèi)基帶處理單元）與 RRU（remote radio unit，遠(yuǎn)端射頻模塊）的分離、RRU拉遠(yuǎn)技術(shù)的逐漸成熟，BBU集中部署已成為LTE基站部署的主流方案，目前很多運營商都已采用此方案，特別是日韓運營商已進(jìn)行了全面部署，國內(nèi)運營商也在積極開展相關(guān)的測試和現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)工作。

BBU設(shè)備被集中放置到局站后，運營商將會在節(jié)省建設(shè)投資、降低運維成本、實現(xiàn)快速建網(wǎng)等方面獲得最明顯的成效。同時，BBU集中式部署有利于通過BBU間的高速交換，以實現(xiàn)多個BBU處理資源的負(fù)載均衡及資源共享，從而有效提升BBU硬件的利用率；另外也有利于實現(xiàn)需要BBU間大量交互信息的多小區(qū)聯(lián)合信號處理技術(shù)，如CoMP（coordinated multiple point，多點協(xié)同傳輸）。

BBU集中部署后，RRU與BBU之間的網(wǎng)絡(luò)被稱為前傳網(wǎng)絡(luò)，解決好前傳網(wǎng)絡(luò)的承載問題是實現(xiàn)BBU集中部署優(yōu)勢的關(guān)鍵，本文的討論將圍繞多種前傳網(wǎng)絡(luò)的承載方案展開。

2 CPRI介紹及需求分析

在討論移動前傳網(wǎng)絡(luò)的承載方案之前，首先要了解一下BBU與RRU分離之后，它們之間的標(biāo)準(zhǔn)接口。目前業(yè)界主要存在3種接口標(biāo)準(zhǔn)，具體介紹如下。

（1）CPRI

·CPRI（common public radio interface，通用公共射頻接口）聯(lián)盟于2003年4月由愛立信、華為、NEC、北電網(wǎng)絡(luò)及西門子公司發(fā)起和成立。

·CPRI協(xié)議包括 L1（物理層）和L2（數(shù)據(jù)連接層），目前 可 支 持 GSM、WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、WiMAX和LTE等多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)，主流設(shè)備廠商均已支持該接口。

（2）Ir接口

·Ir（infrared，紅外線）接口標(biāo)準(zhǔn)由中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會提出，在TD-SCDMA中得到應(yīng)用，并進(jìn)一步擴(kuò)展到TD-LTE。

·LTE Ir接口協(xié)議的層一、層二遵從CPRI Specification V4.2協(xié)議，LTE Ir接口協(xié)議對CPRI協(xié)議的部分內(nèi)容加以約束以保證互操作性。

（3）OBASI接口

·由諾基亞、中興通訊、三星等公司發(fā)起的一個標(biāo)準(zhǔn)化組織。

·OBASI（open base station architecture initiative，開放式基站架構(gòu)）協(xié)議分為4層，從上至下分別是應(yīng)用層、傳輸層、鏈路層和物理層。OBASI規(guī)定了3種光纖速率，分別是768 Mbit/s、1 536 Mbit/s和3 072 Mbit/s，通常以1x、2x和4x表示。

由于CPRI獲得了更多主流設(shè)備廠商的支持，因此，CPRI成為國內(nèi)基站設(shè)備使用的主流接口，已被廣泛采用。后續(xù)將主要討論CPRI鏈路的承載方案。

CPRI可用于各種無線網(wǎng)絡(luò)制式 （如GSM、cdma2000、LTE等），目前已發(fā)布到6.1版本（2014年7月發(fā)布）。CPRI鏈路應(yīng)用于 REC（radio equipment control，即 LTE制式中的 BBU）和 RE（radio equipment，即 LTE 制式中的 RRU）之間，CPRI 6.1中已定義了10個速率，見表1。

由于CPRI采用射頻模擬信號采樣數(shù)字化，帶寬需求比業(yè)務(wù)帶寬增加數(shù)十倍，在20 MHz載波配置下，一個3載波的RRU型基站的承載帶寬需求如下。

·FDD LTE：3×2.5 Gbit/s(2T2R)，3×4.9 Gbit/s(2T4R)；

表1 CPRI速率

·TD-LTE：3×4.9 Gbit/s(4T4R)，3×9.8 Gbit/s(8T8R)。

為了保證RRU與BBU之間的數(shù)據(jù)可以正常傳遞，其性能需滿足基站應(yīng)用要求，CPRI 6.1附錄B對同步、時延精度、鏈路質(zhì)量等物理層指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，CPRI主要物理層指標(biāo)見表2。

表2 CPRI主要物理層指標(biāo)

帶寬需求、物理指標(biāo)要求是后續(xù)評價承載技術(shù)方案是否可行的重要依據(jù)。

3 CPRI鏈路承載技術(shù)方案

目前已提出的CPRI鏈路的承載方案主要包括光纖直連方案、WDM （wavelength division multiplexing，波分復(fù)用）方案和 WDM-PON（wavelength division multiplexing PON，波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)）方案。

3.1 光纖直連方案

光纖直連方案，顧名思義是指RRU與BBU之間的CPRI采用光纖直接連接。這一技術(shù)方案的關(guān)鍵點是CPRI采用的光模塊。一般來講高速率CPRI光模塊能夠兼容幾個低速率接口，例如10 Gbit/s光模塊可以兼容6 Gbit/s、4.9 Gbit/s等低速率。根據(jù)距離區(qū)分，CPRI光模塊又可分為短距（2 km 以內(nèi)）、中距（10 km 以內(nèi)）、長距（20 km 以內(nèi)）等幾種規(guī)格。

為了節(jié)省光纖資源，業(yè)界提出了單纖雙向的解決方案。單纖雙向是指雙方向的數(shù)據(jù)信號采用不同的波長在一根光纖中傳送，原理如圖1所示。該解決方案可以節(jié)省一半的光纖資源。由于雙方向模塊各需增加一個波長選擇濾波器，以透過發(fā)送波長、折射接收波長，因此，成本較單纖單向光模塊有所增加，增加20%～30%。

圖1 單纖雙向通信原理

目前主流光模塊廠商均已提供單纖雙向的CPRI光模塊，其規(guī)格主要集中在10 km和15 km兩種規(guī)格，相對而言，10 Gbit/s光模塊更加成熟。主流的無線設(shè)備廠商均已提供支持CPRI單纖雙向光模塊的LTE基站設(shè)備。

3.2 WDM方案

WDM方案利用波分復(fù)用特性，將多個CPRI鏈路采用不同的波長承載，然后再復(fù)用到一根光纖中，以達(dá)到節(jié)省光纖資源的目的。WDM方案有兩種實現(xiàn)方案，具體介紹如下。

（1）CPRI彩光方案

基站的CPRI采用彩光模塊，通過無源的合分濾波器實現(xiàn)波分復(fù)用，而無需配置傳輸承載設(shè)備。CPRI彩光方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 CPRI彩光方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CPRI彩光方案目前尚處于研發(fā)期，一些模塊廠商開始提供彩光模塊，基站廠商已嘗試研發(fā)此方案的設(shè)備，無源的合分波設(shè)備亦逐漸商用。但是，此方案的網(wǎng)管能力、保護(hù)能力仍處于未知狀態(tài)。

（2）WDM 承載設(shè)備方案

WDM承載設(shè)備方案采用小型化的WDM承載設(shè)備實現(xiàn)CPRI鏈路的承載，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。由于BBU和RRU通過CPRI與WDM承載設(shè)備直接連接，基站設(shè)備只需選用短距光模塊即可。WDM承載設(shè)備具備組網(wǎng)能力，因此可以為CPRI鏈路提供保護(hù)機(jī)制。

圖3 WDM設(shè)備承載方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

WDM設(shè)備承載方案有以下兩種實現(xiàn)方式。

·成幀方案，即將CPRI信號映射到OTN（optical transport network，光傳送網(wǎng)）幀結(jié)構(gòu)后再轉(zhuǎn)換成彩光信號實現(xiàn)波分復(fù)用，基于OTN的網(wǎng)絡(luò)管理能力和保護(hù)功能比較完善。

·非成幀方案，即直接將CPRI信號轉(zhuǎn)為彩光信號后實現(xiàn)波分復(fù)用，不再進(jìn)行映射封裝，該方案可以提供保護(hù)機(jī)制，但由于未成幀，其網(wǎng)管能力與彩光方案類似，相對較弱。

CPRI彩光方案與WDM承載設(shè)備方案可以結(jié)合在一起應(yīng)用，例如，末端和/或hub節(jié)點采用無源的CPRI彩光方案，而匯聚點或次級匯聚點采用有源的WDM設(shè)備實現(xiàn)承載。

3.3 WDM-PON方案

WDM-PON方案的本質(zhì)也是利用波分復(fù)用技術(shù)來達(dá)到節(jié)省光纖的目的。WDM-PON是波長獨立的方案，不同波長通道可采用不同協(xié)議、速率、碼型，承載不同業(yè)務(wù)。該方案與WDM方案最大的不同也是關(guān)鍵技術(shù)點就是采用了無色光模塊，光模塊可以自行調(diào)整適合的波長。近期隨著CPRI承載和用戶帶寬需求的迅速增長，各個運營商都開始考慮把WDM-PON作為承載CPRI信號的技術(shù)方案之一，WDM-PON承載方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

在性能上，CPRI的需求遠(yuǎn)比普通用戶接入嚴(yán)格得多，因此，WDM-PON需要簡化協(xié)議和封裝的流程，以滿足CPRI對于時延和抖動的需求。對于CPRI的信號，可以采用直接透傳，或者將CPRI信號做簡單處理后封裝進(jìn)以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸。目前WDM-PON承載CPRI的技術(shù)方案還處于起步階段，尚沒有商用產(chǎn)品。因此，后續(xù)的方案比較分析部分將不涉及此方案。

4 CPRI承載方案的應(yīng)用建議

光纖直連方案是目前最簡單的前傳承載方案，但最大的問題就是光線資源占用很多，1個RRU需要1對光纖，一個基站至少需要部署3個RRU，也就是需要占用3對光纖。即使現(xiàn)在可采用單纖雙向方案，光線資源的占用量仍然不容忽視。另外，通過對主流廠商基站的測試發(fā)現(xiàn)，目前基站對于CPRI光接口的管理功能還比較弱，保護(hù)機(jī)制不完善，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

·無法監(jiān)測CPRI光接口的誤碼，因此不能對CPRI鏈路性能劣化進(jìn)行預(yù)警，即不能在CPRI鏈路性能劣化時執(zhí)行CPRI鏈路的保護(hù)倒換。而誤碼率較大時會直接導(dǎo)致用戶體驗變差，業(yè)務(wù)吞吐量隨誤碼率變化的測試結(jié)果如圖5所示。

·基站主要支持基于RRU級聯(lián)的RRU環(huán)保護(hù)，但對于不同廠商，基站的保護(hù)倒換時間存在較大差異，有些使業(yè)務(wù)基本無損，有些則導(dǎo)致業(yè)務(wù)受損時間達(dá)到10 s左右。

因此，在面臨光纖資源緊張問題或較高基站可靠性要求時，光纖直連方案會顯得力不從心。

CPRI彩光方案可以解決光纖資源緊張的問題，同時引入無源的合分波器件并不會加大設(shè)備安裝的復(fù)雜度。但是，這一方案同樣面臨光纖直連方案所存在的管理能力弱、保護(hù)機(jī)制不完善的問題。另外，固定波長的彩光模塊會在維護(hù)中增加一些難度，需要做好波長標(biāo)簽以防更換光模塊時出現(xiàn)錯誤。

WDM設(shè)備承載方案可以同時解決光纖資源緊張、管理能力弱、保護(hù)機(jī)制不完善等問題。實驗測試已證明該方案對CPRI鏈路的性能無明顯影響，并可以滿足前面所提到的頻率同步、時延精度、絕對時延等CPRI主要物理層指標(biāo)。但該方案的設(shè)備為有源設(shè)備，需要配置室外安裝箱，因此，該方案會增加安裝的復(fù)雜度。上述3種方案的技術(shù)對比見表3。

表3 前傳承載方案技術(shù)比較

從成本角度看，光纖直連方案無疑是最低的，但對于一些光纖緊張、而新鋪設(shè)光纖管道又比較困難（非技術(shù)原因造成的困難）的地區(qū)，CPRI彩光方案和WDM設(shè)備承載方案都可以實現(xiàn)光纖的節(jié)省，降低了很多間接成本，比如管道施工、補(bǔ)償費用等，而這些間接成本又往往是很難評估的。另外，隨著LTE的規(guī)模建設(shè)和廣泛應(yīng)用，基站數(shù)量、基站的載扇數(shù)量都會增加，簡單的光纖承載會導(dǎo)致光纖數(shù)量的大幅度增加，即使光纖資源可以保證，也很不利于光纖的管理（不斷地新建光纖在一些地區(qū)已經(jīng)造成了很多永久“暗光纖”的出現(xiàn)，即由于光纖資源信息太多又缺乏精細(xì)管理，使得一些光纖是否正在被使用的信息不清，從而導(dǎo)致維護(hù)人員不敢應(yīng)用）。目前一些地方運營商已經(jīng)意識到了這一問題，不再一味傾向于光纖直連方案，而在考慮采用WDM設(shè)備的承載方案。

通過以上的比較分析，提出以下建議。

·在目前階段，最簡單、成本最低的光纖直連方案仍是首選的CPRI鏈路承載方案。

·在光纖資源出現(xiàn)緊張的區(qū)域或希望降低光纖管理難度的地區(qū)，引入WDM設(shè)備承載方案是必須的。在RRU與BBU之間距離不太長的情況下，如果不考慮RRU連接的高可靠性問題，CPRI彩光方案是比較適宜的方案。

·當(dāng)基站提出較高可靠性要求時，采用小型WDM設(shè)備承載才可以保證這一需求的實現(xiàn)。WDM設(shè)備承載方案可以與CPRI彩光方案結(jié)合應(yīng)用。

5 結(jié)束語

綜上所述，目前已成熟的CPRI鏈路承載方案雖然可以基本解決BBU集中部署后的前傳承載問題，但都還存在一定的不足。隨著市政施工難度的加大，光纖直連方案將會面臨越來越多的光纖資源問題，同時，隨著LTE的現(xiàn)網(wǎng)發(fā)展，光纖資源的不足和管理問題會逐步顯現(xiàn)，引入WDM技術(shù)以提高光纖資源的利用率是遲早要研究的方案。因此，WDM承載方案還需要進(jìn)一步完善，如何解決彩光方案的維護(hù)管理和保護(hù)問題、如何降低小型WDM設(shè)備的成本和安裝復(fù)雜度是未來整個業(yè)界需要關(guān)注的研發(fā)重點。

1 CPRI Specification V6.1,2014

2 張忠平.高帶寬、扁平化移動網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢分析.信息通信技術(shù),2012(3):6～12 Zhang Z P.Analysis of high bandwidth,flat mobile network evolution trend.Information and Communications Technologies,2012(3):6～12