5G CRAN傳輸承載網(wǎng)絡(luò)分析

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海，200060)

引言

中國(guó)各大運(yùn)營(yíng)商宏基站目前已普遍采用BBU+RRU的分布式設(shè)備形態(tài)，同時(shí)也帶來(lái)了對(duì)BBU池和RRU間的高帶寬傳輸需求。BBU集中部署、RRU拉遠(yuǎn)建設(shè)成為目前4G網(wǎng)絡(luò)的重要承載方式。BBU的集中部署也相對(duì)減少了基站購(gòu)租，形成靈活覆蓋的特點(diǎn)，有利于發(fā)揮無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)新技術(shù)CoMP的優(yōu)勢(shì)。通信行業(yè)在2009年提出了未來(lái)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)形態(tài)C-RAN ，目前4G前傳承載方案包括了CPRI裸光纖直傳，CPRI彩光模塊+無(wú)源波分，速率壓縮還有有源unipon等不同的方案，5G時(shí)代到來(lái)對(duì)前傳技術(shù)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(wú)線(xiàn)電(Collaborative Radio)和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)構(gòu)架(Clean system)。目前C-RAN技術(shù)發(fā)展還處于初期水平，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用更多表現(xiàn)在BBU集中堆疊(集中-拉遠(yuǎn))，技術(shù)上已少量采用CoMP/SFN等提升網(wǎng)絡(luò)性能，BBU“池化”、“協(xié)作”、“云化”等尚未實(shí)質(zhì)實(shí)現(xiàn)。目前C-RAN的發(fā)展瓶頸之一是解決BBU池至RRU之間無(wú)線(xiàn)拉遠(yuǎn)的傳輸承載。目前裸光纖已在現(xiàn)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用，隨著今后宏站、微站等需求的增多，對(duì)道路管道管孔資源的消耗越來(lái)越大，為了節(jié)省管線(xiàn)投資、提高基礎(chǔ)資源使用效率，同時(shí)解決部分管線(xiàn)接入困難的站點(diǎn)，提出C-RAN技術(shù)的引入。

1.2 C-RAN的無(wú)線(xiàn)需求

5G對(duì)承載網(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(shè)模式下，BBU池-RRU之間為CPRI接口，4G單載波速率達(dá)到約9.8Gbps，1個(gè)4G宏站，CPRI的傳輸需求高達(dá)9*9.8Gbps，裸光纖方式下，單站需要18芯的光纖資源。到了5G時(shí)代這一切也許要發(fā)生變化。5G對(duì)承載網(wǎng)的需求與挑戰(zhàn)之二在于傳輸時(shí)延要求較高。5G下的時(shí)延比4G+下的時(shí)延幾乎小了一倍多。這將帶來(lái)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)全新的要求。4G時(shí)代的CPRI標(biāo)準(zhǔn)很可能要讓位于NGFI(下一代前傳接口)。5G下原來(lái)為無(wú)線(xiàn)傳輸單獨(dú)建設(shè)的光纖網(wǎng)絡(luò)可能也不再現(xiàn)實(shí)，統(tǒng)籌規(guī)劃接入光纜成為運(yùn)營(yíng)商的必須。5G下傳統(tǒng)RRU的功能也要加以提升，在信號(hào)處理和時(shí)延處理上扮演更多角色。未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)下，25Gbps光模塊有望首先在前傳網(wǎng)絡(luò)找到市場(chǎng)。

2 現(xiàn)有C-RAN應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 C-RAN幾種傳輸承載技術(shù)

現(xiàn)階段BBU至RRU之間CRPI接口的傳輸承載技術(shù)主要還是集中在裸光纖、無(wú)源波分二類(lèi)。

裸光纖：CPRI接口采用光纖進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，每個(gè)RRU都需要一對(duì)光纖與BBU直連，通常一個(gè)拉遠(yuǎn)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(guān)，當(dāng)BBU在現(xiàn)有基站內(nèi)放置覆蓋周邊站點(diǎn)時(shí)，資源的使用消耗與傳統(tǒng)建站模式相當(dāng)。一旦BBU以放置到匯聚機(jī)房進(jìn)行成片組網(wǎng)，其對(duì)主干纖芯資源的消耗將猛增數(shù)十倍以上，對(duì)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(shè)備投資，但管線(xiàn)投資及占用的資源成本較大。

無(wú)源波分：多個(gè)RRU通過(guò)無(wú)源的波分復(fù)用方式共享一根光纖傳輸，每個(gè)RRU占用一個(gè)特定波長(zhǎng)(彩光)。BBU設(shè)備和每個(gè)節(jié)點(diǎn)RRU設(shè)備上需配置不同的光分插復(fù)用模塊，通過(guò)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用。由于采用波分復(fù)用方式，相對(duì)光纖直連方案，節(jié)省80%以上的光纖資源。

2.2 無(wú)源波分的組網(wǎng)拓?fù)?/h3>

按照無(wú)源波分設(shè)備的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)為雙星型、另一類(lèi)為總線(xiàn)型。其中雙星型應(yīng)用場(chǎng)景包括：拉遠(yuǎn)站、微站等常規(guī)基站場(chǎng)景；總線(xiàn)型應(yīng)用場(chǎng)景包括：大橋、隧道等高集中度的場(chǎng)景。

2.3 無(wú)源波分的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用

在BBU和RRU之間采用無(wú)源波分設(shè)備，對(duì)無(wú)線(xiàn)CPRI接口的纖芯需求進(jìn)行波分復(fù)用后，再接入光交網(wǎng)，通過(guò)主干接入光纜進(jìn)行調(diào)度。集中機(jī)房和拉遠(yuǎn)站成對(duì)安裝無(wú)源波分設(shè)備，BBU和RRU設(shè)備需要配置彩光模塊。

3 面向5G的C-RAN架構(gòu)

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)需求

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要支持多種業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，例如具有更高帶寬，更低時(shí)延的增強(qiáng)移動(dòng)帶寬eMBB業(yè)務(wù)，支持海量用戶(hù)連接的物聯(lián)網(wǎng)mMTC業(yè)務(wù)，以及超高可靠性、超低時(shí)延的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用Urllc等。5G的實(shí)現(xiàn)及部署，一方面是技術(shù)上的演進(jìn)革新，另一方面也對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和管理提出了更高的要求。

(1)靈活的無(wú)線(xiàn)資源管理需求

面向多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景和通信需求，需要支持無(wú)線(xiàn)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(wù)類(lèi)型解耦，實(shí)現(xiàn)更加靈活的無(wú)線(xiàn)資源調(diào)配，包括頻譜、幀結(jié)構(gòu)、物理層過(guò)程、高層處理流程等。

(2)空口協(xié)調(diào)和站點(diǎn)協(xié)作需求

5G網(wǎng)絡(luò)下，小區(qū)和基站的密度會(huì)越來(lái)越高，由此帶來(lái)的干擾問(wèn)題不可忽視。干擾問(wèn)題是超高密集網(wǎng)絡(luò)下的主要問(wèn)題之一。因此，站點(diǎn)之間需要更多的協(xié)調(diào)和合作。此外，網(wǎng)絡(luò)密度的提升，對(duì)移動(dòng)性管理也提出了更高的要去。顯然，移動(dòng)用戶(hù)希望繼續(xù)體驗(yàn)無(wú)縫切換，而從網(wǎng)絡(luò)角度看，則希望盡量降低超密集網(wǎng)絡(luò)下頻繁切換引起的管理開(kāi)銷(xiāo)。

3.2 5G C-RAN的引入

針對(duì)5G高頻段、大帶寬、多天線(xiàn)、海量連接和低時(shí)延等需求，5G C-RAN網(wǎng)絡(luò)引入集中和分布單元CU/DU的功能重構(gòu)及下一代前傳網(wǎng)絡(luò)接口NGFI前傳架構(gòu)。5G的BBU功能將被重構(gòu)為CU和DU兩個(gè)功能實(shí)體。CU和DU功能的切分以處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分。如圖1所示，CU設(shè)備主要包括非實(shí)時(shí)的無(wú)線(xiàn)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移至RRU實(shí)現(xiàn)。

圖1 5G 前傳網(wǎng)絡(luò)兩級(jí)架構(gòu)

圖2 基于CU/DU的C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為解決CU/DU/BBU間的傳輸問(wèn)題，引入NGFI架構(gòu)，如圖2所示。CU通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)端的分布功能單元(DU)。這一架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)是，可依據(jù)場(chǎng)景需求靈活部署功能單元，傳送網(wǎng)資源充足時(shí)，可集中化部署DU功能單元，實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)作化技術(shù)，而在傳送網(wǎng)資源不足時(shí)也可分布式部署DU處理單元。而CU功能的存在，實(shí)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)作化能力的同時(shí)，兼容不同的傳送網(wǎng)能力。

3.3 5G C-RAN的關(guān)鍵技術(shù)

(1)低成本的光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

在BBU和RRU之間傳輸?shù)臑楦咚俚幕鶐?shù)字信號(hào)，基帶數(shù)字信號(hào)的傳輸帶寬要求主要由無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)帶寬、天線(xiàn)配置、信號(hào)采樣速率決定。目前，TD-SCDMA單載波宏小區(qū)所需要的四倍采樣速率下的基帶數(shù)字信號(hào)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(hào)速率接近驚人的10Gbit/s。除此以外，工程上還必須考慮RRU的級(jí)聯(lián)問(wèn)題，級(jí)聯(lián)級(jí)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(diǎn)故障條件下整個(gè)系統(tǒng)仍能工作，BBU與RRU之間的傳輸鏈路應(yīng)采用光纖環(huán)網(wǎng)保住，通過(guò)不同管道的主、備光纖，實(shí)現(xiàn)鏈路的實(shí)時(shí)備份。

C-RAN要實(shí)現(xiàn)低成本的光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，因此BBU和RRU之間CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模塊的實(shí)現(xiàn)方案將成為影響這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前可行的部署方案有光纖直驅(qū)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(shù)

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

基帶池互聯(lián)技術(shù)還需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的系統(tǒng)協(xié)議支持多個(gè)BBU資源間的高速、低延遲調(diào)度、互通，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)負(fù)載的動(dòng)態(tài)均衡。

(3)基站虛擬化技術(shù)

基站虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)是高性能、低功耗的計(jì)算平臺(tái)和軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)的視角中，基站不再是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的物理實(shí)體，而是基帶池中某一段或幾段抽象的處理資源。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)負(fù)載，動(dòng)態(tài)地將基帶池的某一部分資源分配給對(duì)應(yīng)的小區(qū)。

計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方面主要有兩種思路：信號(hào)處理器(DSP)方案和通用處理器(GPP)方案?；咎摂M化最終的目標(biāo)是形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)處理的基帶云。一個(gè)或多個(gè)基帶云中的處理資源由一個(gè)統(tǒng)一的虛擬操作系統(tǒng)調(diào)度和分配?；鶐г浦悄茏R(shí)別無(wú)線(xiàn)信號(hào)類(lèi)型，并分配相應(yīng)的處理資源，最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)硬件資源的虛擬化管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著C-RAN 技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)從傳統(tǒng)的相互獨(dú)立的基站，走向相互協(xié)作的架構(gòu)，它的意義與軟交換對(duì)核心網(wǎng)的影響相當(dāng)，將會(huì)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(shù)框架內(nèi)還有一些技術(shù)細(xì)節(jié)仍待商榷，一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題仍待攻克。隨著5G試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大規(guī)模建設(shè)，C-RAN技術(shù)的不斷應(yīng)用，在其技術(shù)后續(xù)演進(jìn)中有更成熟解決方案和技術(shù)成果，以滿(mǎn)足高帶寬、低時(shí)延、廣連接的前傳網(wǎng)絡(luò)。