面向5G通信網(wǎng)絡(luò)承載方案的探討

尹遠(yuǎn)陽　楊廣銘　盧泉　孫嘉琪

摘要：隨著4G網(wǎng)絡(luò)的部署，前傳網(wǎng)絡(luò)的光纖資源消耗過多的問題愈加凸顯。傳統(tǒng)通過無源波分設(shè)備WDM和CPRI壓縮技術(shù)雖然在一定程度上解決了傳輸資源問題，但是面向5G通信，為了滿足高帶寬、低時延、協(xié)作綠色節(jié)能化和無線云化等要求，這就需要傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也隨之調(diào)整。通過對傳統(tǒng)基于CPRI承載方案研究和各承載方案的性能指標(biāo)對比分析，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備的能力要求，提出了一種新的能滿足前傳需求的承載方案，進(jìn)一步提升傳輸網(wǎng)絡(luò)中的光纖利用率。

關(guān)鍵詞：5G通信 IP RAN網(wǎng)絡(luò) C-RAN 綠色智能通信 CoP

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信息通信將成為維持整個社會生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的信息大動脈[1]。移動通信憑借其應(yīng)用之廣和接入之便，其應(yīng)用將不再局限于人與人的溝通，而可能發(fā)展到人與物的溝通，甚至是物與物的通信。4G正在大規(guī)模建設(shè)，5G通信技術(shù)的研發(fā)也已邁入了重要階段。5G通信以以下幾方面作為技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)要求，旨在發(fā)展成為一項(xiàng)史上最節(jié)能、應(yīng)用最廣泛的通信[1，4-5，7-8]：1）引入新的無線傳輸技術(shù)將資源利用率在4G的基礎(chǔ)上提高10倍以上；2）引入新的更靈活、更智能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)將整個系統(tǒng)的吞吐率提高25倍左右；3）挖掘新的頻率資源（如高頻段、毫米波與可見光等），使未來無線移動通信的頻率資源擴(kuò)展4倍左右等。

2 無線接入網(wǎng)的現(xiàn)狀

對于通信運(yùn)營商來說，無線接入網(wǎng)（RAN）是企業(yè)收入來源最為關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量直接關(guān)系到用戶數(shù)量。通過無線接入網(wǎng)可以向用戶提供7×24小時不間斷、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)[8]。傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：1）每個基站連接若干固定數(shù)量的扇區(qū)天線并覆蓋小片區(qū)域，同時所在區(qū)域的基站只能處理本小區(qū)的收發(fā)信號；2）系統(tǒng)的容量使干擾受限，各個基站獨(dú)立工作已經(jīng)很難增加頻譜效率；3）不同設(shè)備廠家基站通常都是基于專有平臺開發(fā)的，調(diào)度不靈活，需要巨額的運(yùn)營成本；4）基站所在區(qū)域環(huán)境要求極高，需要配備一定的制冷系統(tǒng)。傳統(tǒng)架構(gòu)的無線接入網(wǎng)在移動互聯(lián)網(wǎng)時代面臨著降低成本、提高性能和節(jié)能減排的挑戰(zhàn)，因此，無線接入網(wǎng)必須重新考慮新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，得出適合移動互聯(lián)網(wǎng)的高性能、低費(fèi)用的綠色環(huán)保的無線接入網(wǎng)方案。在2010年4月召開的無線接入網(wǎng)綠色演進(jìn)國際研討會上，我國首次提出了無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)C-RAN（Cloud Radio Access Network）[1，7，9]。C-RAN指的是基于集中化處理（Centralized Processing）、協(xié)作式無線電（Collaboration Radio）和實(shí)時云計算架構(gòu)（Real-time Cloud Infrastructure）的綠色環(huán)保無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（Clean System），也稱4C通信架構(gòu)。其本質(zhì)就是通過減少現(xiàn)有無線接入基站機(jī)房數(shù)量、降低設(shè)備工作能耗，采用協(xié)作通信方式及SDN虛擬化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享和動態(tài)調(diào)度，提高無線基站的頻譜利用效率，以實(shí)現(xiàn)低成本、高帶寬、低時延、高保障和高靈活度的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營。

3 NGFI技術(shù)下的C-RAN系統(tǒng)

架構(gòu)及目前的承載方案

C-RAN架構(gòu)是采用分布式天線系統(tǒng)，將集中式基帶池（BBU）布置在中心機(jī)房，通過光纖骨干網(wǎng)，將遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）布置在所需的地理位置，這些位置事先已經(jīng)經(jīng)過設(shè)計規(guī)劃好。這樣遠(yuǎn)端射頻單元不需再建立機(jī)房，只需解調(diào)、處理設(shè)備和天線，從而可大大降低成本。NGFI（Next Generation FrontHaul Interface）是指下一代無線網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備中基帶處理功能與遠(yuǎn)端射頻處理功能之間的前傳接口，是前傳網(wǎng)和后傳網(wǎng)的關(guān)鍵樞紐。不同于傳統(tǒng)的CPRI[3-4]，NGFI是一個開放性接口，它基于以太網(wǎng)協(xié)議，并通過BBU/RRU間功能的重新定義，遵循支持統(tǒng)計復(fù)用、載荷相關(guān)的自適應(yīng)帶寬變化、多連接的映射關(guān)系，盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法等基本原則。為滿足下一代通信技術(shù)的要求，催生通信界產(chǎn)生了新的組網(wǎng)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)面向5G及云世界的萬物互聯(lián)通信，因此有必要對無線側(cè)的接入部分實(shí)現(xiàn)改造，滿足大容量、低能耗、高速率、低時延的通信，如圖1所示為基于NGFI的無線C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

C-RAN架構(gòu)強(qiáng)調(diào)的是綠色無線接入網(wǎng)，其具體實(shí)施方法不一，上述提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是基于遠(yuǎn)端無線單元（RRU）和基帶信號單元（BBU）組成，BBU由機(jī)房中的機(jī)架和基帶處理單元等設(shè)備組成。前傳網(wǎng)是基于以太交換機(jī)、PTN、ATN等分組交換設(shè)備，無需進(jìn)行額外的改造，末端設(shè)備以模塊或板卡的形式，集成在遠(yuǎn)端或局端無線設(shè)備中，以節(jié)約機(jī)房空間，節(jié)省能源。

目前主要存在的C-RAN承載方案有三種，具體如圖2所示。

方案1：光纖直連方案

（1）光纖直連方案主要是指基站RRU通過單獨(dú)的光纖直接接入到集中BBU處理，具體如圖2中的（a）圖，該方案主要的優(yōu)點(diǎn)是免承載設(shè)備，但同時也存在著嚴(yán)重的不足：光纖消耗嚴(yán)重（如果128個BBU集中，CO節(jié)點(diǎn)則需要768裸光纖去承載，如果采用主備保護(hù)則光纖數(shù)量需要翻倍）。

（2）該方案一般只能用于5～10個節(jié)點(diǎn)BBU小集中，無法滿足超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)中無線接入云虛擬化集中管理。

方案2：RRU彩光無源WDM方案

（1）方案2的接入方式如圖2（b）所示，采用的是彩光作為信號載波，基于無緣波分（WDM）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)RRU和BBU的連接，該方式相對于光纖直連方案的優(yōu)點(diǎn)是：由于采用彩光作為信號的承載，通過彩光合成器將不同的RRU信號分配不同的彩光，然后接入BBU，這樣能大大節(jié)省光纖消耗，相對方案1可減少8倍的光纖資源使用。

（2）缺點(diǎn)：承載網(wǎng)無監(jiān)控管理、無保護(hù)，不適合長距離組網(wǎng)；對彩光傳輸?shù)墓饽K及光轉(zhuǎn)換要求較高，增加了設(shè)備的成本；通常情況下只能用于5～10個節(jié)點(diǎn)的BBU小集中場景，無法形成大規(guī)模的BBU云池。

方案3：傳統(tǒng)波分方案

（1）方案3是傳統(tǒng)的波分方案，這種技術(shù)是可以在一根光纖上傳送多路信號，每路信號都由某種特定波長的光來傳送，相對于方案1光纖資源消耗將能減少40倍，可以支持環(huán)網(wǎng)保護(hù)和時延對稱補(bǔ)償，是傳輸專業(yè)比較認(rèn)可的一種方案。

（2）缺點(diǎn)：在網(wǎng)絡(luò)的傳輸末端都必須是有源設(shè)備，因此部署時需要建立專門的機(jī)房，對環(huán)境要求較高、耗能；價格比較昂貴，很難滿足客戶對價格的預(yù)期要求，大規(guī)模部署和推廣有一定的難度。

通過上述分析及IMT 2020技術(shù)場景和愿景看5G對傳送網(wǎng)的需求可知[4-6]，C-RAN構(gòu)架迫切需要形成有BBU-RRU之間高速無線信號的高帶寬、低延遲、高可靠性、低成本的傳輸解決方案，現(xiàn)有的技術(shù)和技術(shù)進(jìn)步的趨勢使可行的解決方案的提出成為可能。其實(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歸根到底是對網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)和承載方案選擇的問題，因此需要更多地進(jìn)行技術(shù)及方案論證研究。

4 Fronthaul承載方案CoP

4.1 CoP關(guān)鍵技術(shù)及幀結(jié)構(gòu)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，為了規(guī)范BBU和RRU之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，CPRI（Common Public Radio Interface）協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。CPRI協(xié)議由愛立信、華為、NEC、北電和西門子五個廠家聯(lián)合發(fā)起制定，其定義了兩個協(xié)議層，分別是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層[3-5]。物理層主要是對上層接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)/分接，并采用特定的編碼技術(shù)通過光模塊串行收發(fā)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)鏈路層定義了同步幀結(jié)構(gòu)，由基本幀和超幀構(gòu)成，數(shù)據(jù)在鏈路層中通過固定的幀結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行相應(yīng)的封幀和解幀操作。

CPRI協(xié)議作為通用開放接口標(biāo)準(zhǔn)，由于其實(shí)現(xiàn)上的經(jīng)濟(jì)簡便性受到了多方廠家的支持，設(shè)備供應(yīng)商相繼推出了基于CRPI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的拉遠(yuǎn)產(chǎn)品，因此也加速了廠商基于CRPI協(xié)議的交換機(jī)和路由器等設(shè)備的成熟和推廣[3]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新一代基站出現(xiàn)了一種嶄新的形態(tài)——分布式基站，可以把宏基站的部分載波通過標(biāo)準(zhǔn)的CPRI接口拉遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)分布式組網(wǎng)，也就是將傳統(tǒng)基站的基帶處理部分（BBU）和射頻收發(fā)信機(jī)部分（RRU）設(shè)計成單獨(dú)的模塊。分布式基站不僅帶來了快速、便捷的網(wǎng)絡(luò)部署，而且有利于大幅降低運(yùn)營商建網(wǎng)的成本，逐步成為運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)。由于無線頻譜資源的高價格、高頻通信技術(shù)的使用，使原有的基站覆蓋密度越來越大，且無線帶寬要求越來越高，這使得無線接入側(cè)的網(wǎng)絡(luò)必須做相應(yīng)的調(diào)整才能滿足無線業(yè)務(wù)以及未來萬物互聯(lián)的通信要求。因此CoP（CPRI over Packet）承載技術(shù)是研究的重點(diǎn)，新定義的CoP幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CoP承載技術(shù)是繼承前傳承載和后傳承載的中心樞紐模塊，采用的是高效裝載技術(shù)，其由于CPRI結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化使得數(shù)據(jù)成幀靈活，便于整個網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，采用光承載，繼承了原有波分承載的優(yōu)點(diǎn)，也能進(jìn)一步節(jié)省傳輸光纜。CPRI封裝傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有高精度時鐘同步技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)頻率Jitter滿足±0.002 ppm和空口頻率誤差滿足±0.05 ppm的要求，對于通信的單向時延抖動能滿足±8.138 ns精度要求，是C-RAN承載技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

CRPI承載方案所采用技術(shù)的不同導(dǎo)致各方案所達(dá)到的性能指標(biāo)要求也就不一樣，本文所講述的是CPRI over Packet的NGFI承載方案，其與現(xiàn)有的CPRI over WDM、CPRI over OTN、CPRI over WDM-PON承載技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。

4.2 CoP承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需要及海量基站的承載要求，現(xiàn)有基站都是基于有源技術(shù)的。同時根據(jù)上文描述的現(xiàn)有承載技術(shù)的缺陷，需要選擇一種新的承載技術(shù)架構(gòu)來滿足云通信的需求，在RRU增加的情況下使其滿足免機(jī)房需要，新的CoP FO設(shè)備能跟RRU供址部署，建設(shè)成一個新的前傳網(wǎng)絡(luò)（Fronthaul），通過CoP FO設(shè)備（該設(shè)備UNI側(cè)支持CPRI2～7接口，覆蓋2G/3G/LTE基站；支持12路CPRI接口/ETH，最大省光纖能力12：1）將RRU進(jìn)行匯聚傳給接入側(cè)的A設(shè)備。該方式針對現(xiàn)有IP RAN設(shè)備基本無需改動，只需要在原有的設(shè)備中插入帶有CRPI協(xié)議的新增板卡就可以工作。前傳網(wǎng)絡(luò)的范圍可達(dá)到17 km，從而可以大大節(jié)省傳輸光纖資源。具體的前傳承載網(wǎng)絡(luò)方案如圖4所示。

由圖4可知，該承載方案將原來的IP RAN承載網(wǎng)的接入側(cè)又重新進(jìn)行了定義，在無線側(cè)實(shí)現(xiàn)RRU拉遠(yuǎn)后并不是直接接入到BBU池，而是通過無線側(cè)的CoP FO無源設(shè)備（目前已有廠家設(shè)備支持）匯聚RRU環(huán)，再由Fronthaul網(wǎng)絡(luò)接入到A設(shè)備，原有的IP RAN網(wǎng)絡(luò)就形成Backhual網(wǎng)絡(luò)，對無線業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一承載，實(shí)現(xiàn)BBU資源池云化管理。

新建承載前傳Fronthaul網(wǎng)絡(luò)繼承IP-RAN完備的OAM和保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端的可靠性高。對于Fronthaul接入側(cè)的保護(hù)機(jī)制有CPRI接口（CPS保護(hù)）和ETH接口（LAG保護(hù)）；網(wǎng)絡(luò)側(cè)保護(hù)機(jī)制可以采用線性“1+1”保護(hù)或者環(huán)網(wǎng)Wrapping、Steering保護(hù)。同時可以通過Y.1731或IEEE802.ag實(shí)現(xiàn)客戶側(cè)業(yè)務(wù)通道管理及性能檢測，當(dāng)發(fā)生故障時合理啟動相應(yīng)層級的保護(hù)機(jī)制，提供節(jié)點(diǎn)和鏈路級50 ms倒換要求。

對于無線側(cè)RRU的接入點(diǎn)模塊FO是全室外模式，易部署、省機(jī)房，滿足大網(wǎng)絡(luò)容量要求，在客戶側(cè)可以支持12路1.25～10 Gbps速率SFP+接口，包括CPRI業(yè)務(wù)和FE/GE/10GEY以太網(wǎng)業(yè)務(wù)；網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持2路40 Gbps速率QSFP+接口，以及可以升級滿足未來100G接口的需求。

靈活組網(wǎng)：該承載方案中Fronthaul網(wǎng)絡(luò)支持星型拓?fù)?、鏈型拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)涞冉M網(wǎng)要求，可以實(shí)現(xiàn)RRU任意部署，可以實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備A無源CWDM解決方案。

5 結(jié)論

C-RAN的目標(biāo)是適應(yīng)主流無線網(wǎng)絡(luò)宏蜂窩基站、微蜂窩基站、微微蜂窩基站等網(wǎng)絡(luò)部署需求，其它一些有益的基站類型也可作為C-RAN部署的補(bǔ)充。但是NFGI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有C-RAN架構(gòu)中資源利用不足的問題，實(shí)現(xiàn)前傳網(wǎng)絡(luò)和后傳網(wǎng)絡(luò)分開管理的策略，使網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，可分域化進(jìn)行管理。未來網(wǎng)絡(luò)將是一張可定義、軟硬融合的網(wǎng)絡(luò)，無論SDN還是NFV都會是其重要的組成部分，勢必將在高速寬帶、5G、物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域大放異彩。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施正在快速變革，SDN/NFV將迎來黃金時代，但是作為移動通信大國，隨著無線技術(shù)的提升，城市智能環(huán)境的建設(shè)，移動帶寬需求越來越明顯，5G通信技術(shù)使用的頻段意味著需要更多的基站來滿足單位面積的通信。如何改善移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車載網(wǎng)接入而又能滿足節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間無縫通信，構(gòu)建一個更為安全可靠、性能超前的未來網(wǎng)絡(luò)，是下一代承載網(wǎng)需要重點(diǎn)考慮的問題，更是迫使承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變的關(guān)鍵因素，需要長期跟蹤研究。

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