BBU+RRU分布式基站组网模型探讨

黄耿, 郭鸿

(广西通信规划设计咨询有限公司,广西 南宁 530028)

0 引言

BBU+RRU的组网方式具有快速、经济、资源利用率较宏基站高的特点,目前已大规模应用于移动网络建设中。但建设的过程中也遇到诸如需新建长距离光缆、BBU基带资源还得不到充分利用等问题,需要结合实际情况,综合分析组网模式与建设造价之间的关系,探讨其组网模式的适用性、安全性、经济性,为建设低成本、高性能的移动网络提供参考。

1 BBU+RRU组网原理

BBU+RRU又称分布式基站,其原理就是把传统宏基站的基带部分和射频部分分开,分成 BBU和 RRU两个设备：BBU是基站基带单元,负责基带信号处理与传输,连接GPS(全球定位系统)时钟;RRU是射频拉远模块,负责射频收发。两者之间通过 2芯光纤连接,传送基带数据和OAM信令数据。具体结构如图 1所示[1]。

图 1 BBU+RRU结构

和传统宏基站相比较,BBU+RRU有如下优势：

①BBU体积小(高 1U)、功耗低(＜2 A)、安装方便、资源配置灵活。RRU体积小、安装方便(可挂墙、挂杆安装),不需机房与空调,大大降低了选址难度,节约了运维成本,符合节能减排的方针;

②BBU和RRU之间采用光纤连接,传送数字基带信号,减少了馈线长度,方便施工;

③智能资源共享。BBU+RRU方式实现基带资源共享,可以实现集中维护、以及话务量调度,从而节省基带资源;

④在扩容、升级过程中,通过在 BBU上扩容、增加处理板即可实现站点的平滑扩容和升级,无需逐个站点上站操作。

需要注意的是,BBU与RRU间虽采用光接口,但接口使用的是私有协议,即厂家之间的BBU与RRU之间无法互联互通,目前也无法使用传统的传输设备,如 SDH、MSTP、交换机、路由器或PON进行连接。这也给网络组建、网络安全带来一定的不便。

2 BBU+RRU组网模型及适用场景

2.1 按网络拓扑建立组网模型

根据网络拓扑的不同,BBU和 RRU之间可以建立星形、链形和环形 3种组网方式,如图 2所示。

图 2 BBU+RRU组网模型(拓扑不同)

星形组网是将 N个RRU分别通过光纤连接在一个 BBU不同光口上,实现 1：N的接入。该组网方式可扩展性好,RRU的连接极限取决于 BBU提供的光口数量,但需要占用大量的裸纤资源,适用于光纤资源丰富的区域。

链形组网是指 N个RRU采用光纤和自身的光口一一级联的方式,最后串联到 BBU的一个光口上[2]。该组网方式可节约光纤资源,RRU连接极限取决于RRU连接所用光纤所能提供的带宽,此组网方式安全性较差,一旦链条前端的光纤连接出故障,会引起后端一连串RRU服务中断。

环形组网是指 RRU和BBU之间的两对光纤采用不同物理路径,两路光纤同时出现问题的概率极低,既提高了组网的可靠性,又比完全星形连接所需的光纤数量少。环型组网目前只停留在理论层面,实际场景中未见到相应的产品及应用。

2.2 按设备设置建立组网模型

根据 BBU与 RRU设备设置地点的不同,BBU+RRU的组网有 BBU与RRU分设式、宏基站与RRU分设式、BBU与RRU合设式 3种方式,如图 3所示。

图 3 BBU+RRU组网模型(设备设置不同)

(1)BBU与 RRU分设式

即 BBU与RRU分开放置,BBU集中放置在某个中心局所或汇聚节点,RRU放置在站点侧,实现 1：N的收敛。根据目前设备的能力和网络安全性考虑,典型的配置下收敛比不超过 1∶6,即 1个 BBU最多带 6个站点。分设式组网方式下,只有BBU侧需要配置传输设备,RRU侧不需配置。

分设式的组网方式组网灵活、方便、便于扩展,而且基带池的资源可以供多个站点共享,多用于话务量不高的室分站点、乡镇以下站点,实现网络“薄”覆盖[3]。但由于此方式缺乏BBU与RRU间光纤线路的保护手段,对于优先级别较高的站点建议不要采用。

(2)宏基站与 RRU分设式

借用宏基站的基带资源,增加射频拉远板件,把宏基站视为 BBU,RRU放置在新设站点侧,实现 1：N的收敛。收敛比建议不超过 1∶6。

此组网方式适用于新建站点附近有宏基站,其话务量较低,光缆建设成本和难度均不高的情况,如城区的室分站点,乡镇或高速路附近的补盲等,实现将现有网络资源“摊薄”。传输部分可直接使用宏基站的传输资源[4]。

(3)BBU与RRU合设式

即BBU与RRU合设在基站侧,BBU可设在机房或楼面室外机柜内,RRU设在天馈侧。这种方式需要另外配置传输设备。

合设式适用于话务量较高的站点,如市区、县城的室外站或热点地区的室分站点。合设式更类似于传统的市区室内宏基站,但由于不需租用机房,不需配置空调,合设式的BBU+RRU在建设周期、建维成本、节能减排方面都具备明显优势。

3 BBU+RRU组网模型应用及潜在问题

在现网中,为减少光纤资源的占用,在拓扑上多采用星形+链形型的组网模型、在设备设置上多采用 BBU与 RRU分设模型。如图 4所示。

图 4 现网应用的BBU+RRU组网方式

目前实际应用中潜在的主要问题分析如下：

①如果 BBU下带RRU数量少,收敛比设置不合理,不能充分利用其基带池资源,会造成 BBU基带资源利用率低。建议的收敛比是 1∶2～ 1∶6,尽量避免出现 1∶1或大于 1∶6的情况;

②光纤资源占用率高：现网分布式基站 BBU一般是集中设置在机房配套条件较好的汇聚节点内(如分局、模块局及大接入网机房),BBU与 RRU间的连接方式采用 2芯光缆,对光缆纤芯需求量较大,加大了光缆建设量,抬升了无线网络整体造价;

在实际应用中,已出现为将光缆打通回 BBU局所,新建长距离光缆(＞5km)的情况,造成建设成本增大。在这种情况下,可考虑将BBU下沉到接入网点,使 RRU能就近接入。然而下沉后又将增加 BBU、接入网点配套电源的建设成本。这需要根据实际情况选取最经济、最优的建设方式。后文将对此进行针对性讨论;

③BBU与 RRU间以星型和链型组网为主,缺乏有效的光缆故障保护机制;

④RRU多位于偏远山区,配置的蓄电池容量较低,断电后续航能力弱。当组网受限于光缆而需要BBU下沉时,接入网点的电源通常无法满足要求,需要额外配置电池组和电源模块,这又会增加成本;

⑤定位业务开展困难：由于GPS只安装在BBU侧,RRU侧无定位功能,不利于今后定位业务开展。

4 BBU+RRU组网工程造价分析

上述提到的现网存在问题中,对实际组网和建设投资影响最大的就是第(二)点。是将BBU集中于汇聚点,还是下沉至接入点在工程总体建设成本上最节省,需要进一步探讨。以下就针对组网模型与光缆建设、工程造价间的关系进行分析。

(1)将 BBU集中设置在汇聚点

组网结构如图 5所示。

图 5 BBU集中式设置的工程组网模型

该场景图的说明如下：

①假设将 m个 BBU集中设置在汇聚点,配置传输设备经传输网与 BSC相连;该场景下站点共N个(N=n1+n2+

② BBU1下带的站点 n1个,标识为 RRU11～RRU1n1(为便于描述,图 5中每个RRU表示 1个站点,省去站点中级联的其他 RRU,下同),每个站点对应需新建的光缆长度设为L11～L1n1;BBU2下带的站点 n2个,标识为 RRU21～RRU2n2,这些站点的光缆需先通过光缆接入点 2再接入 BBU2,每个站点对应需新建的光缆长度设为 L21～L2n2;依此类推,BBUm下带的站点标识为 RRUm1～RRUmnm,对应需新建的光缆长度设为Lm1～Lmnm;

③光缆接入点 2～m需新建至汇聚点的光缆长度设为L2～Lm,则BBU集中场景的工程总造价PC应为汇聚传输、所有 BBU、RRU及新建光缆的综合费用之和,即：

其中,PT为汇聚点传输节点综合造价(含传输设备及配套ODF、DDF、机架等),PB为单个 BBU的综合造价,PR为单个RRU的综合造价,为所有新建光缆的综合造价。

对于BBU的造价：

一般情况下,每个 BBU的综合造价(含主设备、配套电源、GPS等)基本相同,这里假设均为PB,则上式变为：

为简化计算,设每个 RRU的综合造价(含主设备、配套电源、传输及基础配套等)均相同,为PR,则上式变为：对于新建光缆,造价包含从站点到光缆接入点、光缆接入点到汇聚点的费用：

其中 Pf为新建光缆综合造价(含光缆、杆路等),这里假设各光缆段落的综合造价相同。

将式(2)、式(3)、式(4)式代入式(1),得

根据前面讨论的结果,建议 BBU下带站点数不超过 6个,即收敛比小于 1：6,此时 N≤6,这种情况下可以只设置 1个 BBU,此时 ∑PB=PBR,式(5)变为：

(2)将BBU分散设置在光缆接入点(下沉至接入网点)

组网结构如图 6所示。该场景图的说明如下：

①假设将第 2～m个 BBU下沉至接入点,配置传输设备汇聚至至接入点后,经传输网与 BSC相连;该场景下站点数与前一场景相同,共

图 6 BBU下沉式设置的工程组网模型

②BBU1设置在汇聚节点,下带的站点 n1个,RRU11～RRU1n1,每个站点对应需新建的光缆长度设为 L11～L1n1;BBU2设置在接入点 2,配置传输设备与汇聚节点相连,下带的站点 n2个,标识为 RRU21～RRU2n2,这些站点的光缆直接接入 BBU2,每个站点对应需新建的光缆长度设为L21～L2n2;依此类推,BBUm设置在接入点 m,下带的站点标识为RRUm1～RRUmnm,对应需新建的光缆长度设为Lm1～Lmnm

③光缆接入点 2～m若需新建至汇聚点的光缆,则对应长度分别为 L2～Lm

④由于大多数接入网点的电源、电池采用集成式一体化设备,蓄电池的容量也较小(≤100AH),因此在此场景中,接入网点需要做电源、电池及配套安装设备的改造。

则 BBU下沉场景的工程总造价 PS应为所有传输、所有BBU、RRU、新建光缆以及接入网点改造的费用之和,即：

其中,PT为单个传输节点综合造价,PB为单个 BBU的综合造价,PR为单个RRU的综合造价,∑PL为所有新建光缆的综合造价,∑PP为所有接入网点改造的综合造价。

对于传输节点的造价：

这里设每个传输节点的综合造价(含传输设备、ODF、DDF、机架等)相同,均为 PT,则上式变为

对于 BBU、RRU、新建光缆的造价分析与上一场景相同,即：

在此场景中,若BBU下沉后不需再新建从接入网点到汇聚节点的光缆,则式(11)变为：对于接入网点的改造的造价：

这里设每个接入网点的改造造价(含电源、电池、机架等)相同,均为 PP,则上式变为：

将式 (8)、式 (9)、式 (10)、式 (12)、式 (13)代入 式(7),得：

(3)两种场景的建设造价差

设上述两种场景的造价差为ΔP,

当 ΔP＞0时,即 PS＞PC,说明下沉式的造价高于集中式,此时建议采用集中式设置 BBU;反之当 ΔP＜0时,即 PS＜PC,说明集中式的造价高于下沉式,此时建议采用下沉式设置 BBU。

将式(5)、式(13)式代入式(15)式中,得：

在 N≤6时,集中式方案可只设置 1个 BBU,此时将式(6)、式(13)式代入式(15)中,得：

式(16)、式(17)式中 ,PT、PB、PP、Pf都是常量,m是≥2的整数变量,是变量,设则 ΔP=f(m,LK),即造价差是接入点数和新建光缆长度的线性函数。从上两式可得出以下结论：

①当接入点数m一定时,ΔP与新建光缆长度 LK成反光缆距离超长时,光缆造价已高于设备造价,建议将BBU下沉;反之,如果新建光缆距离较短,则可考虑集中设置BBU。

②当新建光缆长度 LK一定时,ΔP与接入点数 m成正比,接入点越多,ΔP越大,越应该使用集中式,即当站点分散接入的点数太多时,设备造价已超过光缆造价,建议将BBU集中;反之,如果站点分散接入的点数不多,则可考虑将BBU下沉。

以下举一个例子来进行说明：

设传输节点综合造价 PT=1.8万元,接入网改造综合造价PP=1.2万元,新建光缆综合造价 Pf=1.2万元,则式(16)为：

ΔP=3(m-1)-1.2Lk,m为≥2的整数,取 m=2、3、4绘制曲线如图 7所示。

图 7 造价差 ΔP与接入点数 m、新建光缆长度 LK的函数曲线

从图 7可见,当 m=2时,若 LK=2.5 km,ΔP=0;若 LK＜2.5 km,则 ΔP取值为正,此时 PS＞PC,下沉式的造价高于集中式,建议采用集中式设置 BBU;若 LK＞2.5 km,ΔP取值为负,即 PS＜PC,集中式的造价高于下沉式,建议采用下沉式设置 BBU。即 LK临界点为 2.5 km。当 m=3时,LK临界点为 5 km;m=4时,LK临界点为 7.5 km。

当 LK=5 km时,若 m=3,ΔP=0;若接入点数 m＜3个,则 ΔP取值为负,此时 PS＜PC,集中式的造价高于下沉式,建议采用下沉式设置 BBU。即 m临界点为 3个;若 m＞3,ΔP取值为正,此时 PS＞PC,下沉式的造价高于集中式,建议采用集中式设置BBU。当LK=7.5km时,m临界点为 4个。当 LK＜2.5km时,不论 m如何变化,ΔP均 ＞0,说明新建光缆总距离 ＜2.5km时,不论有多少个接入网点可以就近设置BBU,集中式设置BBU的造价都比下沉式低,即此时均应采用集中式。

5 结语

BBU+RRU的组网方式所特有的快速、灵活、低成本、高利用率的特点,使其在移动网建设中越来越得到广泛的应用,室外站[5]、室内分布系统[6]中均已进行规模建设,预计未来的移动通信网络建设仍将大量采用这一方式[7],因此其组网模型也需要在实践中不断变化、完善。在实际工程中,不仅要考虑设备的组网与成本,还要全面考虑工程的造价,包括机房、光缆等配套成本,才能建成一张适用、安全、经济的网络。视对此进行了探讨,得出的结论可供工程建设参考。

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[2]张敏,葛海平,朱碧.基于 BBU+RRU解决方案的 TD-SCDMA网络室外一体化部署理念探讨[J].电信科学,2007(12)：26-29.

[3]师阳,谢显中.移动通信下行链路中的非线性预处理技术[J].通信技术,2007,40(09)：8-10.

[4]刘军,刘畅,张昕.基于无连接传输模式的选路算法[J].通信技术,2010,43(02)：11-13.

[5]胡国安,翁兴旺.GSM900/DCS1800双频网组网方案的探讨[J].通信技术,2010,43(03)：15-17.

[6]宋燕辉.TD-SCDMA室内分布系统改造方案探讨[J].通信技术,2010,43(02)：17-18.

[7]王军选.未来移动通信系统及其关键技术[J].通信技术,2009,42(10)：09-12.