面向5G的C-RAN技術(shù)與C-RAN規(guī)劃案例分析

劉方森，王建，王仔強(qiáng)，王祖陽

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，濟(jì)南 250101）

1 引言

C-RAN是通過集中化部署基帶處理單元，組成基帶單元池，并通過高速的光傳輸網(wǎng)絡(luò)和分布式的遠(yuǎn)端無線模塊，實(shí)現(xiàn)多小區(qū)分層協(xié)作，構(gòu)建低成本、低消耗的綠色無線接入網(wǎng)。通過引入無源波分設(shè)備WDM和CPRI壓縮技術(shù)，一定程度上解決了前傳網(wǎng)絡(luò)的光纖資源消耗過多的問題。在4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，部分省市的規(guī)模部署和長期運(yùn)維驗(yàn)證證明了C-RAN組網(wǎng)方式在綜合成本、無線協(xié)作化抗干擾、降低能耗等方面優(yōu)勢(shì)明顯，也證明了C-RAN采用無源WDM（彩光）傳輸方案的10站以下的小規(guī)模集中，降低了對(duì)機(jī)房的配電、空間、可靠性等要求，運(yùn)維難度、故障率等都未明顯上升。

面向5G方面，C-RAN在引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV框架后，帶來了無線資源靈活調(diào)度的優(yōu)勢(shì)；基于集中/分布單元CU/DU的兩級(jí)架構(gòu)已經(jīng)被業(yè)界所認(rèn)可，這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與無線云化的結(jié)合，構(gòu)成了5G C-RAN的兩個(gè)基本要素。

5G的C-RAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備集中化、協(xié)作化、云化和綠色四大特征。其中集中化、協(xié)作化和綠色通過目前集中化部署基帶處理單元可實(shí)現(xiàn)。目前規(guī)劃適當(dāng)考慮C-RAN云化趨勢(shì)、適當(dāng)考慮未來CU/DU設(shè)備分場景部署策略。

2 面向5G的C-RAN技術(shù)

2.1 5G無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

5G RAN架構(gòu)考慮采用中央單元(CU)和分布單元(DU)獨(dú)立部署的方式，以更好地滿足各場景和應(yīng)用的需求?！斑~向5G C-RAN：需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)”白皮書，其中對(duì)CU和DU分離架構(gòu)論述如下：5G的BBU功能將被重構(gòu)為CU和DU兩個(gè)功能實(shí)體。CU與DU功能的切分以處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分。CU設(shè)備主要包括非實(shí)時(shí)的無線高層協(xié)議棧功能，同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署，而DU設(shè)備主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求的層2功能。

TR38.801 v200中第11章是有關(guān)5G的RAN邏輯架構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，需要說明的是，目前此討論是基于LTE的協(xié)議棧進(jìn)行分析和研究的，聚焦于RRC、PDCP、RLC、MAC以及物理層等協(xié)議層。圖1為RAN架構(gòu)中CU-DU的分割方式。

DU與RRU/AAU切分需要考慮降低RRU/AAU復(fù)雜度同時(shí)控制接口速率，以O(shè)ption7方案為例，前傳峰值速率約30 Gbit/s。DU與CU切分主要考慮集中化性能提升，目前標(biāo)準(zhǔn)化已基本采用Option2方案，接口峰值速率約6 Gbit/s。

Option2：類似于雙連接中3C的切分方式。RRC和PDCP位于中央單元CU中，RLC、MAC以及物理層和RF都位于分布單元DU中。

Option7-1：上行方向上，F(xiàn)FT、CP去除以及PRACH過濾功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。下行方向上，iFFT和CP添加功能在DU中，其他物理層功能在CU中。

Option7-2：上行方向上，F(xiàn)FT、CP去除以及資源解影射以及預(yù)濾波功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。下行方向上，iFFT、CP添加和預(yù)編碼功能都在DU中，其他物理層功能在CU中。

Option7-3： 僅用于下行方向上。編解碼位于CU中，其他物理層功能位于DU中。

2.2 基于NGFI+C/U分離的RAN架構(gòu)

為解決CU/DU/RRU(AAU)間的傳輸問題，引入NGFI（下一代前端傳輸接口），并在《IMT-2020(5G)推進(jìn)組-5G總體白皮書2.0》中對(duì)NGFI進(jìn)行了詳細(xì)描述。NGFI網(wǎng)絡(luò)用于連接無線云中心RCC和遠(yuǎn)端無線處理系統(tǒng)RRS：在RCC引入資源調(diào)配控制單元進(jìn)行分層協(xié)作化，有效地解決高容量和高密度網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題；RCC是折中服務(wù)用戶數(shù)和業(yè)務(wù)時(shí)延需求的業(yè)務(wù)下沉部署點(diǎn)。RRS匯聚小范圍內(nèi)RRU信號(hào)經(jīng)部分基帶處理后進(jìn)行前端數(shù)據(jù)傳輸，支持小范圍內(nèi)物理層級(jí)別的協(xié)作化算法，適用于宏微覆蓋HetNet場景和密集UDN高容量場景。

RCC可實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)RRS間的大范圍控制協(xié)調(diào)和協(xié)作化算法，以及多小區(qū)控制面/用戶面邏輯上的分離，并且為網(wǎng)絡(luò)開放接口API 和虛擬化提供部署點(diǎn)。

5G C-RAN基于CU/DU的兩級(jí)協(xié)議架構(gòu)、NGFI的傳輸架構(gòu)及NFV的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，形成了面向5G的靈活部署的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)云構(gòu)架。 圖2為基于CU/DU的C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 RAN架構(gòu)中CU-DU的分割方式

圖2 基于CU/DU的C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

未來5G的C-RAN與現(xiàn)有C-RAN相比，繼承集中化、協(xié)作化、云化和綠色優(yōu)秀特征，同時(shí)引入新空口、新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)一步拓展C-RAN技術(shù)優(yōu)勢(shì)。CU/DU和NGFI的引入，5G C-RAN逐漸演變?yōu)檫壿嬌蟽杉?jí)集中：第一級(jí)集中沿用BBU放置，實(shí)現(xiàn)物理層處理的集中；第二級(jí)集中是引入CU/DU后無線高層協(xié)議棧功能的集中，將原有的eNode B功能進(jìn)行切分，部分無線高層協(xié)議棧功能被集中部署。

2.3 C-RAN關(guān)鍵技術(shù)考慮

2.3.1 無線可編排技術(shù)

未來無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式及實(shí)現(xiàn)形式變得更加靈活，但也增加了管理維護(hù)的復(fù)雜性。為了具備靈活部署和無線網(wǎng)制式按需配置的能力，需要增強(qiáng)的實(shí)體編排組合功能。在無線設(shè)備云化的基礎(chǔ)上，利用NFV的框架提供無線網(wǎng)絡(luò)編排能力，防止C-RAN需求的碎片化。

2.3.2 無線協(xié)議棧功能

C-RAN兩級(jí)架構(gòu)主要由CU和DU兩類設(shè)備形態(tài)構(gòu)成。二者的功能定義以3GPP切分方案為基礎(chǔ)，適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)多樣化的部署需求，保證業(yè)務(wù)性能、數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)維的均衡。期望在3GPP網(wǎng)元定義的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化切分準(zhǔn)則，將無線功能切割為更小的功能單元，進(jìn)一步完善3GPP中的CU與DU的功能定義。

2.3.3 硬件平臺(tái)

在現(xiàn)有NFV架構(gòu)下引入時(shí)間同步和通信加速器等硬件資源，時(shí)間同步資源保證無線協(xié)議棧處理的實(shí)時(shí)性，通信加速器資源低成本、低功耗實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。

在容災(zāi)備份方面，集中式的CU設(shè)備由于覆蓋范圍較大，需要進(jìn)行高可靠性的容災(zāi)備份。在具體硬件形態(tài)方面，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)在小型、邊緣化數(shù)據(jù)中心部署的特點(diǎn)，服務(wù)器設(shè)備應(yīng)該支持模塊化部署和在一個(gè)機(jī)框內(nèi)不同類型節(jié)點(diǎn)的靈活配置和擴(kuò)展，降低功耗、便于運(yùn)維管理。

3 C-RAN規(guī)劃分析

未來C-RAN架構(gòu)由CU和DU兩類設(shè)備形態(tài)構(gòu)成。CU/DU部署方式的選擇需要綜合考慮多種因素，包括：業(yè)務(wù)的傳輸需求（如帶寬，時(shí)延等）、接入網(wǎng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)要求和運(yùn)維難度等。CU可以集中協(xié)議棧低實(shí)時(shí)性的功能，并采用集中部署的方式，DU可以集中協(xié)議棧高實(shí)時(shí)性的功能，可采用分布式部署的方式。另外，CU/DU的切分需考慮網(wǎng)絡(luò)切片概念在無線側(cè)的實(shí)現(xiàn)方案，因此DU的部署會(huì)基于應(yīng)用場景有所不同。

現(xiàn)階段做C-RAN規(guī)劃，主要考慮基于已有的傳輸綜合業(yè)務(wù)區(qū)（重點(diǎn)考慮機(jī)房資源、傳輸資源）、自留基站機(jī)房進(jìn)行初步規(guī)劃，基本采用“整體規(guī)劃，分步實(shí)施”策略。在后續(xù)的分步實(shí)施階段，建議適當(dāng)考慮未來5G應(yīng)用場景，提前做好網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整：CU設(shè)備集中在傳輸機(jī)房、大型4G C-RAN機(jī)房內(nèi)；DU設(shè)備盡量接近部署應(yīng)用場景，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，可選擇堆疊在CU機(jī)房內(nèi)，也可分散部署在自留機(jī)房、基站機(jī)房或者室外一體化綜合機(jī)柜內(nèi)。

3.1 某地區(qū)4G C-RAN規(guī)劃

選擇在市縣城區(qū)站址比較密集，適合集中部署B(yǎng)BU區(qū)域作為C-RAN規(guī)劃區(qū)域。C-RAN區(qū)的規(guī)劃依托綜合業(yè)務(wù)區(qū)實(shí)施規(guī)劃，規(guī)劃初期一個(gè)C-RAN區(qū)域的大小，與9～11個(gè)的物理宏基站所在區(qū)域大小相近。

3.2 C-RAN區(qū)域邊界的劃分

要求C-RAN區(qū)域在地理上要連續(xù)，以綜合業(yè)務(wù)區(qū)邊界為基礎(chǔ)，適當(dāng)結(jié)合本地區(qū)城市規(guī)劃。例如以城市內(nèi)公園、河流、山川、鐵路為界，以城市功能區(qū)的劃分邊界為界等。另外， 城區(qū)內(nèi)C-RAN區(qū)域盡量“方正”，盡量避免“長條”狀，城市主干道兩側(cè)站點(diǎn)C-RAN區(qū)便于調(diào)整。圖3為某地區(qū)C-RAN區(qū)域的初步劃分。

圖3 某地區(qū)C-RAN區(qū)域的初步劃分

3.3 C-RAN機(jī)房的選取

在準(zhǔn)確預(yù)估C-RAN區(qū)域內(nèi)未來站址的發(fā)展和分布情況為基礎(chǔ)，優(yōu)先對(duì)已有的、配套情況良好的傳輸機(jī)房進(jìn)行利舊。

機(jī)房大概位置選取，可適當(dāng)結(jié)合C-RAN區(qū)域的范圍：C-RAN邊界與城市主干道較吻合的，考慮在主干道旁邊的傳輸機(jī)房，便于后續(xù)主干道兩側(cè)的站點(diǎn)C-RAN區(qū)調(diào)整；長方形狀C-RAN區(qū)，建議優(yōu)先考慮中心區(qū)域選址機(jī)房，避免機(jī)房距離基站過遠(yuǎn)；部分C-RAN區(qū)需考慮后續(xù)分裂可能，機(jī)房位置應(yīng)優(yōu)先選取在目前站點(diǎn)較多的區(qū)域。

機(jī)房具體位置選定時(shí)，充分考慮后續(xù)可實(shí)施的便捷性：在傳輸管道資源豐富的區(qū)域選址傳輸機(jī)房（盡量于綜合業(yè)務(wù)區(qū)一級(jí)光交環(huán)路的光交箱附近進(jìn)行選擇）、具備后續(xù)進(jìn)出維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)、避免短期內(nèi)被拆遷拆除風(fēng)險(xiǎn)等。另外，額外考慮無線主設(shè)備室外型接入GPS的室外安裝位置。

機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，建議參照傳輸匯聚機(jī)房：新建接入節(jié)點(diǎn)機(jī)房應(yīng)采用“自購、自建為主、租用為輔”的方式，根據(jù)新建機(jī)房面積估算情況，一般城區(qū)、縣城要求可使用面積大于68 m2，密集城區(qū)要求可使用面積大于75 m2。考慮到后續(xù)DU設(shè)備的放置，可選擇部分配套情況良好的基站自留機(jī)房作為DU的機(jī)房。

4 典型案例分析

東南角C-RAN區(qū)-1為港口功能區(qū)，區(qū)域內(nèi)有自留機(jī)房， 未來5G可能采取非理想前傳組網(wǎng)模式，C-RAN區(qū)-1使用自留機(jī)房作為本區(qū)域的5G的DU機(jī)房（目前4G BBU集中布放機(jī)房）。 北側(cè)C-RAN區(qū)-2區(qū)域?yàn)槌鞘芯用褡≌瑓^(qū)域+工廠區(qū)，目前站址密度已經(jīng)較高，已實(shí)現(xiàn)D頻段室內(nèi)外良好覆蓋，未來可能采取混合傳組網(wǎng)模式：利舊傳輸匯聚機(jī)房作為未來5G的CU設(shè)備及居民區(qū)場景的DU設(shè)備的集中布放機(jī)房，區(qū)域內(nèi)的基站自留作為廠區(qū)場景DU集中布放機(jī)房。C-RAN區(qū)-3未來可能采用理想前傳組網(wǎng)模式，利舊傳輸匯聚機(jī)房作為未來5G的CU、DU設(shè)備的集中布放機(jī)房。圖4為典型案例分析。

5 總結(jié)

圖4 典型案例分析

分析了未來5G可能采用的CU/DU/RRU的組網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)、目前4G C-RAN與未來5G組網(wǎng)存在的共同點(diǎn)，在本階段做C-RAN區(qū)域規(guī)劃、機(jī)房選取工作的同時(shí)，充分考慮未來5G的組網(wǎng)需求，分區(qū)域、分場景進(jìn)行區(qū)域劃分與機(jī)房預(yù)留。

因未來5G應(yīng)用還會(huì)面臨更多的應(yīng)用場景與其他個(gè)性化需求，并且面臨巨多不確定性，本案僅作現(xiàn)階段C-RAN規(guī)劃的一個(gè)參考。

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇, 等. 5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國科學(xué):信息科學(xué). 2014,44(5):551-563.

[2] 楊峰義, 張建敏, 謝偉良, 等. 5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析[J]. 電信科學(xué), 2015,31(5).