BBU集中部署时CPRI链路承载方案

霍晓莉，荆瑞泉

（中国电信股份有限公司北京研究院 北京 100035）

1 引言

移动通信的LTE时代已全面开启。由于LTE阶段单个基站的带宽大幅度增加、基站部署密度加大，传统的基站建网方式已显现出基站选址困难、机房成本高、基站资源利用率低、维护工作量大等问题。因此，随着BBU（building baseband unit，室内基带处理单元）与 RRU（remote radio unit，远端射频模块）的分离、RRU拉远技术的逐渐成熟，BBU集中部署已成为LTE基站部署的主流方案，目前很多运营商都已采用此方案，特别是日韩运营商已进行了全面部署，国内运营商也在积极开展相关的测试和现网建设工作。

BBU设备被集中放置到局站后，运营商将会在节省建设投资、降低运维成本、实现快速建网等方面获得最明显的成效。同时，BBU集中式部署有利于通过BBU间的高速交换，以实现多个BBU处理资源的负载均衡及资源共享，从而有效提升BBU硬件的利用率；另外也有利于实现需要BBU间大量交互信息的多小区联合信号处理技术，如CoMP（coordinated multiple point，多点协同传输）。

BBU集中部署后，RRU与BBU之间的网络被称为前传网络，解决好前传网络的承载问题是实现BBU集中部署优势的关键，本文的讨论将围绕多种前传网络的承载方案展开。

2 CPRI介绍及需求分析

在讨论移动前传网络的承载方案之前，首先要了解一下BBU与RRU分离之后，它们之间的标准接口。目前业界主要存在3种接口标准，具体介绍如下。

（1）CPRI

·CPRI（common public radio interface，通用公共射频接口）联盟于2003年4月由爱立信、华为、NEC、北电网络及西门子公司发起和成立。

·CPRI协议包括 L1（物理层）和L2（数据连接层），目前 可 支 持 GSM、WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、WiMAX和LTE等多种无线通信标准，主流设备厂商均已支持该接口。

（2）Ir接口

·Ir（infrared，红外线）接口标准由中国通信标准化协会提出，在TD-SCDMA中得到应用，并进一步扩展到TD-LTE。

·LTE Ir接口协议的层一、层二遵从CPRI Specification V4.2协议，LTE Ir接口协议对CPRI协议的部分内容加以约束以保证互操作性。

（3）OBASI接口

·由诺基亚、中兴通讯、三星等公司发起的一个标准化组织。

·OBASI（open base station architecture initiative，开放式基站架构）协议分为4层，从上至下分别是应用层、传输层、链路层和物理层。OBASI规定了3种光纤速率，分别是768 Mbit/s、1 536 Mbit/s和3 072 Mbit/s，通常以1x、2x和4x表示。

由于CPRI获得了更多主流设备厂商的支持，因此，CPRI成为国内基站设备使用的主流接口，已被广泛采用。后续将主要讨论CPRI链路的承载方案。

CPRI可用于各种无线网络制式 （如GSM、cdma2000、LTE等），目前已发布到6.1版本（2014年7月发布）。CPRI链路应用于 REC（radio equipment control，即 LTE制式中的 BBU）和 RE（radio equipment，即 LTE 制式中的 RRU）之间，CPRI 6.1中已定义了10个速率，见表1。

由于CPRI采用射频模拟信号采样数字化，带宽需求比业务带宽增加数十倍，在20 MHz载波配置下，一个3载波的RRU型基站的承载带宽需求如下。

·FDD LTE：3×2.5 Gbit/s(2T2R)，3×4.9 Gbit/s(2T4R)；

表1 CPRI速率

·TD-LTE：3×4.9 Gbit/s(4T4R)，3×9.8 Gbit/s(8T8R)。

为了保证RRU与BBU之间的数据可以正常传递，其性能需满足基站应用要求，CPRI 6.1附录B对同步、时延精度、链路质量等物理层指标进行了规定，CPRI主要物理层指标见表2。

表2 CPRI主要物理层指标

带宽需求、物理指标要求是后续评价承载技术方案是否可行的重要依据。

3 CPRI链路承载技术方案

目前已提出的CPRI链路的承载方案主要包括光纤直连方案、WDM （wavelength division multiplexing，波分复用）方案和 WDM-PON（wavelength division multiplexing PON，波分复用无源光网络）方案。

3.1 光纤直连方案

光纤直连方案，顾名思义是指RRU与BBU之间的CPRI采用光纤直接连接。这一技术方案的关键点是CPRI采用的光模块。一般来讲高速率CPRI光模块能够兼容几个低速率接口，例如10 Gbit/s光模块可以兼容6 Gbit/s、4.9 Gbit/s等低速率。根据距离区分，CPRI光模块又可分为短距（2 km 以内）、中距（10 km 以内）、长距（20 km 以内）等几种规格。

为了节省光纤资源，业界提出了单纤双向的解决方案。单纤双向是指双方向的数据信号采用不同的波长在一根光纤中传送，原理如图1所示。该解决方案可以节省一半的光纤资源。由于双方向模块各需增加一个波长选择滤波器，以透过发送波长、折射接收波长，因此，成本较单纤单向光模块有所增加，增加20%～30%。

图1 单纤双向通信原理

目前主流光模块厂商均已提供单纤双向的CPRI光模块，其规格主要集中在10 km和15 km两种规格，相对而言，10 Gbit/s光模块更加成熟。主流的无线设备厂商均已提供支持CPRI单纤双向光模块的LTE基站设备。

3.2 WDM方案

WDM方案利用波分复用特性，将多个CPRI链路采用不同的波长承载，然后再复用到一根光纤中，以达到节省光纤资源的目的。WDM方案有两种实现方案，具体介绍如下。

（1）CPRI彩光方案

基站的CPRI采用彩光模块，通过无源的合分滤波器实现波分复用，而无需配置传输承载设备。CPRI彩光方案的网络架构如图2所示。

图2 CPRI彩光方案网络架构

CPRI彩光方案目前尚处于研发期，一些模块厂商开始提供彩光模块，基站厂商已尝试研发此方案的设备，无源的合分波设备亦逐渐商用。但是，此方案的网管能力、保护能力仍处于未知状态。

（2）WDM 承载设备方案

WDM承载设备方案采用小型化的WDM承载设备实现CPRI链路的承载，其网络架构如图3所示。由于BBU和RRU通过CPRI与WDM承载设备直接连接，基站设备只需选用短距光模块即可。WDM承载设备具备组网能力，因此可以为CPRI链路提供保护机制。

图3 WDM设备承载方案网络架构

WDM设备承载方案有以下两种实现方式。

·成帧方案，即将CPRI信号映射到OTN（optical transport network，光传送网）帧结构后再转换成彩光信号实现波分复用，基于OTN的网络管理能力和保护功能比较完善。

·非成帧方案，即直接将CPRI信号转为彩光信号后实现波分复用，不再进行映射封装，该方案可以提供保护机制，但由于未成帧，其网管能力与彩光方案类似，相对较弱。

CPRI彩光方案与WDM承载设备方案可以结合在一起应用，例如，末端和/或hub节点采用无源的CPRI彩光方案，而汇聚点或次级汇聚点采用有源的WDM设备实现承载。

3.3 WDM-PON方案

WDM-PON方案的本质也是利用波分复用技术来达到节省光纤的目的。WDM-PON是波长独立的方案，不同波长通道可采用不同协议、速率、码型，承载不同业务。该方案与WDM方案最大的不同也是关键技术点就是采用了无色光模块，光模块可以自行调整适合的波长。近期随着CPRI承载和用户带宽需求的迅速增长，各个运营商都开始考虑把WDM-PON作为承载CPRI信号的技术方案之一，WDM-PON承载方案网络架构如图4所示。

在性能上，CPRI的需求远比普通用户接入严格得多，因此，WDM-PON需要简化协议和封装的流程，以满足CPRI对于时延和抖动的需求。对于CPRI的信号，可以采用直接透传，或者将CPRI信号做简单处理后封装进以太网帧进行传输。目前WDM-PON承载CPRI的技术方案还处于起步阶段，尚没有商用产品。因此，后续的方案比较分析部分将不涉及此方案。

4 CPRI承载方案的应用建议

光纤直连方案是目前最简单的前传承载方案，但最大的问题就是光线资源占用很多，1个RRU需要1对光纤，一个基站至少需要部署3个RRU，也就是需要占用3对光纤。即使现在可采用单纤双向方案，光线资源的占用量仍然不容忽视。另外，通过对主流厂商基站的测试发现，目前基站对于CPRI光接口的管理功能还比较弱，保护机制不完善，主要表现在以下几个方面。

·无法监测CPRI光接口的误码，因此不能对CPRI链路性能劣化进行预警，即不能在CPRI链路性能劣化时执行CPRI链路的保护倒换。而误码率较大时会直接导致用户体验变差，业务吞吐量随误码率变化的测试结果如图5所示。

·基站主要支持基于RRU级联的RRU环保护，但对于不同厂商，基站的保护倒换时间存在较大差异，有些使业务基本无损，有些则导致业务受损时间达到10 s左右。

因此，在面临光纤资源紧张问题或较高基站可靠性要求时，光纤直连方案会显得力不从心。

CPRI彩光方案可以解决光纤资源紧张的问题，同时引入无源的合分波器件并不会加大设备安装的复杂度。但是，这一方案同样面临光纤直连方案所存在的管理能力弱、保护机制不完善的问题。另外，固定波长的彩光模块会在维护中增加一些难度，需要做好波长标签以防更换光模块时出现错误。

WDM设备承载方案可以同时解决光纤资源紧张、管理能力弱、保护机制不完善等问题。实验测试已证明该方案对CPRI链路的性能无明显影响，并可以满足前面所提到的频率同步、时延精度、绝对时延等CPRI主要物理层指标。但该方案的设备为有源设备，需要配置室外安装箱，因此，该方案会增加安装的复杂度。上述3种方案的技术对比见表3。

表3 前传承载方案技术比较

从成本角度看，光纤直连方案无疑是最低的，但对于一些光纤紧张、而新铺设光纤管道又比较困难（非技术原因造成的困难）的地区，CPRI彩光方案和WDM设备承载方案都可以实现光纤的节省，降低了很多间接成本，比如管道施工、补偿费用等，而这些间接成本又往往是很难评估的。另外，随着LTE的规模建设和广泛应用，基站数量、基站的载扇数量都会增加，简单的光纤承载会导致光纤数量的大幅度增加，即使光纤资源可以保证，也很不利于光纤的管理（不断地新建光纤在一些地区已经造成了很多永久“暗光纤”的出现，即由于光纤资源信息太多又缺乏精细管理，使得一些光纤是否正在被使用的信息不清，从而导致维护人员不敢应用）。目前一些地方运营商已经意识到了这一问题，不再一味倾向于光纤直连方案，而在考虑采用WDM设备的承载方案。

通过以上的比较分析，提出以下建议。

·在目前阶段，最简单、成本最低的光纤直连方案仍是首选的CPRI链路承载方案。

·在光纤资源出现紧张的区域或希望降低光纤管理难度的地区，引入WDM设备承载方案是必须的。在RRU与BBU之间距离不太长的情况下，如果不考虑RRU连接的高可靠性问题，CPRI彩光方案是比较适宜的方案。

·当基站提出较高可靠性要求时，采用小型WDM设备承载才可以保证这一需求的实现。WDM设备承载方案可以与CPRI彩光方案结合应用。

5 结束语

综上所述，目前已成熟的CPRI链路承载方案虽然可以基本解决BBU集中部署后的前传承载问题，但都还存在一定的不足。随着市政施工难度的加大，光纤直连方案将会面临越来越多的光纤资源问题，同时，随着LTE的现网发展，光纤资源的不足和管理问题会逐步显现，引入WDM技术以提高光纤资源的利用率是迟早要研究的方案。因此，WDM承载方案还需要进一步完善，如何解决彩光方案的维护管理和保护问题、如何降低小型WDM设备的成本和安装复杂度是未来整个业界需要关注的研发重点。

1 CPRI Specification V6.1,2014

2 张忠平.高带宽、扁平化移动网络演进趋势分析.信息通信技术,2012(3):6～12 Zhang Z P.Analysis of high bandwidth,flat mobile network evolution trend.Information and Communications Technologies,2012(3):6～12