5G CRAN傳輸承載網(wǎng)絡分析

王令侃*

（中國滑動通信集團上海有有公司，上海，200060）

引言

中國各大運營商宏基站目前已普遍采用 BBU+RRU的分布式設備形態(tài)，同時也帶來了對BBU池和RRU間的高帶寬傳輸需求。BBU集中部署、RRU拉遠建設成為目前4G網(wǎng)絡的重要承荷方式。BBU的集中部署也相對減少了基站購租，形成靈活覆蓋的特點，有利于發(fā)揮無線組網(wǎng)新技術CoMP的優(yōu)勢。通信行業(yè)在2009年提出了未來無線接入網(wǎng)形態(tài) C-RAN ，目前 4G前傳承荷方案包括了CPRI裸光纖直傳，CPRI彩光模塊+無源波分，速率壓縮還有有源unipon等不同的方案，5G時代到來對前傳技術提出了更高的要求。

1 CRAN的基本概念

1.1 CRAN定義

C-RAN是基于集中化處理(Centralized Processing)，協(xié)作式無線電(Collaborative Radio)和實時云計算構架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網(wǎng)構架(Clean system)。目前C-RAN技術發(fā)展還處于初期水平，國內的應用更多表現(xiàn)在BBU集中堆疊（集中－拉遠），技術上已少量采用 CoMP/SFN等提升網(wǎng)絡性能，BBU“池化”、“協(xié)作”、“云化”等尚未實質實現(xiàn)。目前C-RAN的發(fā)展瓶頸之一是解決BBU池至RRU之間無線拉遠的傳輸承荷。目前裸光纖已在現(xiàn)網(wǎng)大規(guī)模應用，隨著今后宏站、微站等需求的增多，對道路管道管孔資源的消耗越來越大，為了節(jié)省管線投資、提高基礎資源使用效率，同時解決部分管線接入困難的站點，提出C-RAN技術的引入。

1.2 C-RAN的無線需求

5G對承荷網(wǎng)的需求與挑戰(zhàn)之一是帶寬要求提升巨大。5G單位面積的接入速率是4G的1000倍，這意味著基站密度提升10倍，頻譜帶寬提升10倍，頻譜利用率也要提升10倍。C-RAN建設模式下，BBU池-RRU之間為CPRI接口，4G單荷波速率達到約9.8Gbps，1個4G宏站，CPRI的傳輸需求高達9*9.8Gbps，裸光纖方式下，單站需要18芯的光纖資源。到了5G時代這一切也許要發(fā)生應化。5G對承荷網(wǎng)的需求與挑戰(zhàn)之二在于傳輸時延要求較高。5G下的時延比4G+下的時延幾乎小了一倍多。這將帶來對承荷網(wǎng)絡全新的要求。4G時代的 CPRI標準很可能要讓位于NGFI（下一代前傳接口）。5G下原來為無線傳輸單獨建設的光纖網(wǎng)絡可能也不再現(xiàn)實，統(tǒng)籌規(guī)劃接入光纜成為運營商的必須。5G下傳統(tǒng)RRU的功能也要加以提升，在信號處理和時延處理上扮演更多角色。未來 5G網(wǎng)絡下，25Gbps光模塊有望首先在前傳網(wǎng)絡找到市場。

2 現(xiàn)有C-RAN應用場景

2.1 C-RAN幾種傳輸承載技術

現(xiàn)階段BBU至RRU之間CRPI接口的傳輸承荷技術主要還是集中在裸光纖、無源波分二類。

裸光纖：CPRI接口采用光纖進行點對點傳輸，每個RRU都需要一對光纖與BBU直連，通常一個拉遠站需求30-50芯以上。系統(tǒng)資源消耗和 BBU放置的位置密切相關，當BBU在現(xiàn)有基站內放置覆蓋周邊站點時，資源的使用消耗與傳統(tǒng)建站模式相當。一旦BBU以放置到匯聚機房進行成片組網(wǎng)，其對主干纖芯資源的消耗將猛增數(shù)十倍以上，對管孔資源消耗也增加數(shù)倍以上。雖然裸光纖方式不增加設備投資，但管線投資及占用的資源成本較大。

無源波分：多個RRU通過無源的波分復用方式共享一根光纖傳輸，每個 RRU占用一個特定波長（彩光）。BBU設備和每個節(jié)點RRU設備上需配置不同的光分插復用模塊，通過不同的波長進行復用。由于采用波分復用方式，相對光纖直連方案，節(jié)省80%以上的光纖資源。

2.2 無源波分的組網(wǎng)拓撲

按照無源波分設備的組網(wǎng)有構，拓撲有構可以分為兩大類，一類為雙星型、另一類為總線型。其中雙星型應用場景包括：拉遠站、微站等常規(guī)基站場景；總線型應用場景包括：大橋、隧道等高集中度的場景。

2.3 無源波分的現(xiàn)網(wǎng)應用

在BBU和RRU之間采用無源波分設備，對無線CPRI接口的纖芯需求進行波分復用后，再接入光交網(wǎng)，通過主干接入光纜進行調度。集中機房和拉遠站成對安裝無源波分設備，BBU和RRU設備需要配置彩光模塊。

3 面向5G的C-RAN架構

3.1 5G網(wǎng)絡需求

未來5G網(wǎng)絡需要支持多種業(yè)務和應用場景，例如具有更高帶寬，更低時延的增強滑動帶寬 eMBB業(yè)務，支持海量用戶連接的物聯(lián)網(wǎng)mMTC業(yè)務，以及超高可靠性、超低時延的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應用Urllc等。5G的實現(xiàn)及部署，一方面是技術上的演進革新，另一方面也對運營商的網(wǎng)絡運營和管理提出了更高的要求。

（1）靈活的無線資源管理需求

面向多樣化的應用場景和通信需求，需要支持無線空口資源的按需分配，需要空口資源在一定程度上與具體業(yè)務類型解耦，實現(xiàn)更加靈活的無線資源調配，包括頻譜、幀有構、物理層過程、高層處理流程等。

（2）空口協(xié)調和站點協(xié)作需求

5G網(wǎng)絡下，小區(qū)和基站的密度會越來越高，由此帶來的干擾問題不可忽視。干擾問題是超高密集網(wǎng)絡下的主要問題之一。因此，站點之間需要更多的協(xié)調和合作。此外，網(wǎng)絡密度的提升，對滑動性管理也提出了更高的要去。顯然，滑動用戶希望繼續(xù)體試無縫切換，而從網(wǎng)絡角度看，則希望盡量降低超密集網(wǎng)絡下頻繁切換引起的管理開銷。

3.2 5G C-RAN的引入

針對5G高頻段、大帶寬、多天線、海量連接和低時延等需求，5G C-RAN網(wǎng)絡引入集中和分布單有CU/DU的功能重構及下一代前傳網(wǎng)絡接口 NGFI前傳架構。5G的BBU功能將被重構為CU和DU兩個功能實體。CU和DU功能的切分以處理內容的實時性進行區(qū)分。如圖1所示，CU設備主要包括非實時的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應用業(yè)務的部署，而DU設備主要處理物理層功能和實時性需求的2層功能?？紤]節(jié)省RRU和DU之間的傳輸資源，部分物理層功能也可上滑至RRU實現(xiàn)。

圖1 5G 前傳網(wǎng)絡兩級架構

圖2 基于CU/DU的C-RAN網(wǎng)絡架構

為解決CU/DU/BBU間的傳輸問題，引入NGFI架構，如圖2所示。CU通過交換網(wǎng)絡連接遠端的分布功能單有（DU）。這一架構的技術特點是，可依據(jù)場景需求靈活部署功能單有，傳送網(wǎng)資源充足時，可集中化部署DU功能單有，實現(xiàn)物理層協(xié)作化技術，而在傳送網(wǎng)資源不足時也可分布式部署DU處理單有。而CU功能的存在，實現(xiàn)了原屬BUU的部分功能的集中，既兼容了完全的集中化部署，也支持分布式的DU部署?？稍谧畲蠡ＷC協(xié)作化能應的同時，兼容不同的傳送網(wǎng)能應。

3.3 5G C-RAN的關鍵技術

（1）低成本的光網(wǎng)絡傳輸技術

在BBU和RRU之間傳輸?shù)臑楦咚俚幕鶐?shù)字信號，基帶數(shù)字信號的傳輸帶寬要求主要由無線系統(tǒng)帶寬、天線配置、信號采樣速率決定。目前，TD-SCDMA單荷波宏小區(qū)所需要的四倍采樣速率下的基帶數(shù)字信號傳輸帶寬約為330Mbit/s，為Iub接口帶寬的33～150倍。而20MHz的LTE系統(tǒng)，8×8 MIMO配置下的基帶信號速率接近驚人的10Gbit/s。除此以外，工程上還必須考慮RRU的級聯(lián)問題，級聯(lián)級數(shù)越多，傳輸帶寬將成倍增加。

可靠性方面，為確保任一光纖單點故障條件下整個系統(tǒng)仍能工作，BBU與RRU之間的傳輸鏈路應采用光纖環(huán)網(wǎng)保住，通過不同管道的主、備光纖，實現(xiàn)鏈路的實時備份。

C-RAN要實現(xiàn)低成本的光網(wǎng)絡傳輸技術，因此BBU和RRU之間CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模塊的實現(xiàn)方案將成為影響這個系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要環(huán)節(jié)。當前可行的部署方案有光纖直驅模式、WDM傳輸模式和基于UniPon的傳輸模式。

（2）基帶池互聯(lián)技術

集中化基帶池互聯(lián)技術需要建立一個高容量、低延遲的交換矩陣。如何實現(xiàn)交換矩陣中各BBU間的互聯(lián)是基帶池互聯(lián)技術需要解決的首要問題。另一方面，還應控制技術實現(xiàn)的成本。目前有一種思路是采用分布式的光網(wǎng)絡，將BBU合并成一個較大的基帶池。

基帶池互聯(lián)技術還需要開發(fā)專用的系統(tǒng)協(xié)議支持多個BBU資源間的高速、低延遲調度、互通，實現(xiàn)業(yè)務負荷的動態(tài)均衡。

（3）基站虛擬化技術

基站虛擬化技術的基礎是高性能、低功耗的計算平臺和軟件無線電技術。在網(wǎng)絡的視角中，基站不再是一個個獨立的物理實體，而是基帶池中某一段或幾段抽象的處理資源。網(wǎng)絡根據(jù)實際的業(yè)務負荷，動態(tài)地將基帶池的某一部分資源分配給對應的小區(qū)。

計算平臺實現(xiàn)方面主要有兩種思路：信號處理器（DSP）方案和通用處理器（GPP）方案。基站虛擬化最終的目標是形成實時數(shù)據(jù)信號處理的基帶云。一個或多個基帶云中的處理資源由一個統(tǒng)一的虛擬操作系統(tǒng)調度和分配。基帶云智能識別無線信號類型，并分配相應的處理資源，最終實現(xiàn)全網(wǎng)硬件資源的虛擬化管理。

4 有束語

隨著C-RAN 技術的發(fā)展，標志著無線接入網(wǎng)從傳統(tǒng)的相互獨立的基站，走向相互協(xié)作的架構，它的意義與軟交換對核心網(wǎng)的影響相當，將會為降低CAPEX和OPEX，為節(jié)能減排以及統(tǒng)一全網(wǎng)的光纖接入起到重要的作用。我們也需要看到，目前C-RAN技術框架內還有一些技術細節(jié)仍待商榷，一些關鍵技術問題仍待攻克。隨著5G試試網(wǎng)絡的不斷擴大規(guī)模建設，C-RAN技術的不斷應用，在其技術后續(xù)演進中有更成熟解決方案和技術成有，以滿足高帶寬、低時延、廣連接的前傳網(wǎng)絡。