5G CRAN傳輸承載網絡分析

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，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，有利于發揮無線組網新技術CoMP的優勢。通信行業在2009年提出了未來無線接入網形態 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)的綠色無線接入網構架(Clean system)。目前C-RAN技術發展還處于初期水平，國內的應用更多表現在BBU集中堆疊（集中－拉遠），技術上已少量采用 CoMP/SFN等提升網絡性能，BBU“池化”、“協作”、“云化”等尚未實質實現。目前C-RAN的發展瓶頸之一是解決BBU池至RRU之間無線拉遠的傳輸承荷。目前裸光纖已在現網大規模應用，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對承荷網的需求與挑戰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生應化。5G對承荷網的需求與挑戰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絡可能也不再現實，統籌規劃接入光纜成為運營商的必須。5G下傳統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網絡下，25Gbps光模塊有望首先在前傳網絡找到市場。

2 現有C-RAN應用場景

2.1 C-RAN幾種傳輸承載技術

現階段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。系統資源消耗和 BBU放置的位置密切相關，當BBU在現有基站內放置覆蓋周邊站點時，資源的使用消耗與傳統建站模式相當。一旦BBU以放置到匯聚機房進行成片組網，其對主干纖芯資源的消耗將猛增數十倍以上，對管孔資源消耗也增加數倍以上。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，節省80%以上的光纖資源。

2.2 無源波分的組網拓撲

按照無源波分設備的組網有構，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 無源波分的現網應用

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，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網絡需求

未來5G網絡需要支持多種業務和應用場景，例如具有更高帶寬，更低時延的增強滑動帶寬 eMBB業務，支持海量用戶連接的物聯網mMTC業務，以及超高可靠性、超低時延的工業物聯網等垂直行業應用Urllc等。5G的實現及部署，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務類型解耦，實現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）空口協調和站點協作需求

5G網絡下，小區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絡下的主要問題之一。因此，站點之間需要更多的協調和合作。此外，網絡密度的提升，對滑動性管理也提出了更高的要去。顯然，滑動用戶希望繼續體試無縫切換，而從網絡角度看，則希望盡量降低超密集網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網絡引入集中和分布單有CU/DU的功能重構及下一代前傳網絡接口 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分。如圖1所示，CU設備主要包括非實時的無線高層協議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署，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。

圖1 5G 前傳網絡兩級架構

圖2 基于CU/DU的C-RAN網絡架構

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，可依據場景需求靈活部署功能單有，傳送網資源充足時，可集中化部署DU功能單有，實現物理層協作化技術，而在傳送網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協作化能應的同時，兼容不同的傳送網能應。

3.3 5G C-RAN的關鍵技術

（1）低成本的光網絡傳輸技術

在BBU和RRU之間傳輸的為高速的基帶數字信號，基帶數字信號的傳輸帶寬要求主要由無線系統帶寬、天線配置、信號采樣速率決定。目前，TD-SCDMA單荷波宏小區所需要的四倍采樣速率下的基帶數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，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的級聯問題，級聯級數越多，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仍能工作，BBU與RRU之間的傳輸鏈路應采用光纖環網保住，通過不同管道的主、備光纖，實現鏈路的實時備份。

C-RAN要實現低成本的光網絡傳輸技術，因此BBU和RRU之間CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模塊的實現方案將成為影響這個系統經濟性的重要環節。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）基帶池互聯技術

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

基帶池互聯技術還需要開發專用的系統協議支持多個BBU資源間的高速、低延遲調度、互通，實現業務負荷的動態均衡。

（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。網絡根據實際的業務負荷，動態地將基帶池的某一部分資源分配給對應的小區。

計算平臺實現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?；咎摂M化最終的目標是形成實時數據信號處理的基帶云。一個或多個基帶云中的處理資源由一個統一的虛擬操作系統調度和分配?；鶐г浦悄茏R別無線信號類型，并分配相應的處理資源，最終實現全網硬件資源的虛擬化管理。

4 有束語

隨著C-RAN 技術的發展，標志著無線接入網從傳統的相互獨立的基站，走向相互協作的架構，它的意義與軟交換對核心網的影響相當，將會為降低CAPEX和OPEX，為節能減排以及統一全網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仍待商榷，一些關鍵技術問題仍待攻克。隨著5G試試網絡的不斷擴大規模建設，C-RAN技術的不斷應用，在其技術后續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、廣連接的前傳網絡。