面向5G的C-RAN技术与C-RAN规划案例分析

刘方森，王建，王仔强，王祖阳

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250101）

1 引言

C-RAN是通过集中化部署基带处理单元，组成基带单元池，并通过高速的光传输网络和分布式的远端无线模块，实现多小区分层协作，构建低成本、低消耗的绿色无线接入网。通过引入无源波分设备WDM和CPRI压缩技术，一定程度上解决了前传网络的光纤资源消耗过多的问题。在4G网络建设中，部分省市的规模部署和长期运维验证证明了C-RAN组网方式在综合成本、无线协作化抗干扰、降低能耗等方面优势明显，也证明了C-RAN采用无源WDM（彩光）传输方案的10站以下的小规模集中，降低了对机房的配电、空间、可靠性等要求，运维难度、故障率等都未明显上升。

面向5G方面，C-RAN在引入网络功能虚拟化NFV框架后，带来了无线资源灵活调度的优势；基于集中/分布单元CU/DU的两级架构已经被业界所认可，这一网络架构与无线云化的结合，构成了5G C-RAN的两个基本要素。

5G的C-RAN网络应具备集中化、协作化、云化和绿色四大特征。其中集中化、协作化和绿色通过目前集中化部署基带处理单元可实现。目前规划适当考虑C-RAN云化趋势、适当考虑未来CU/DU设备分场景部署策略。

2 面向5G的C-RAN技术

2.1 5G无线网络设备

5G RAN架构考虑采用中央单元(CU)和分布单元(DU)独立部署的方式，以更好地满足各场景和应用的需求。“迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书，其中对CU和DU分离架构论述如下：5G的BBU功能将被重构为CU和DU两个功能实体。CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分。CU设备主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，而DU设备主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能。

TR38.801 v200中第11章是有关5G的RAN逻辑架构的相关内容，需要说明的是，目前此讨论是基于LTE的协议栈进行分析和研究的，聚焦于RRC、PDCP、RLC、MAC以及物理层等协议层。图1为RAN架构中CU-DU的分割方式。

DU与RRU/AAU切分需要考虑降低RRU/AAU复杂度同时控制接口速率，以Option7方案为例，前传峰值速率约30 Gbit/s。DU与CU切分主要考虑集中化性能提升，目前标准化已基本采用Option2方案，接口峰值速率约6 Gbit/s。

Option2：类似于双连接中3C的切分方式。RRC和PDCP位于中央单元CU中，RLC、MAC以及物理层和RF都位于分布单元DU中。

Option7-1：上行方向上，FFT、CP去除以及PRACH过滤功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。下行方向上，iFFT和CP添加功能在DU中，其他物理层功能在CU中。

Option7-2：上行方向上，FFT、CP去除以及资源解影射以及预滤波功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。下行方向上，iFFT、CP添加和预编码功能都在DU中，其他物理层功能在CU中。

Option7-3： 仅用于下行方向上。编解码位于CU中，其他物理层功能位于DU中。

2.2 基于NGFI+C/U分离的RAN架构

为解决CU/DU/RRU(AAU)间的传输问题，引入NGFI（下一代前端传输接口），并在《IMT-2020(5G)推进组-5G总体白皮书2.0》中对NGFI进行了详细描述。NGFI网络用于连接无线云中心RCC和远端无线处理系统RRS：在RCC引入资源调配控制单元进行分层协作化，有效地解决高容量和高密度网络中的干扰问题；RCC是折中服务用户数和业务时延需求的业务下沉部署点。RRS汇聚小范围内RRU信号经部分基带处理后进行前端数据传输，支持小范围内物理层级别的协作化算法，适用于宏微覆盖HetNet场景和密集UDN高容量场景。

RCC可实现跨多个RRS间的大范围控制协调和协作化算法，以及多小区控制面/用户面逻辑上的分离，并且为网络开放接口API 和虚拟化提供部署点。

5G C-RAN基于CU/DU的两级协议架构、NGFI的传输架构及NFV的实现架构，形成了面向5G的灵活部署的两级网络云构架。 图2为基于CU/DU的C-RAN网络架构。

图1 RAN架构中CU-DU的分割方式

图2 基于CU/DU的C-RAN网络架构

未来5G的C-RAN与现有C-RAN相比，继承集中化、协作化、云化和绿色优秀特征，同时引入新空口、新的网络架构，进一步拓展C-RAN技术优势。CU/DU和NGFI的引入，5G C-RAN逐渐演变为逻辑上两级集中：第一级集中沿用BBU放置，实现物理层处理的集中；第二级集中是引入CU/DU后无线高层协议栈功能的集中，将原有的eNode B功能进行切分，部分无线高层协议栈功能被集中部署。

2.3 C-RAN关键技术考虑

2.3.1 无线可编排技术

未来无线网络组网方式及实现形式变得更加灵活，但也增加了管理维护的复杂性。为了具备灵活部署和无线网制式按需配置的能力，需要增强的实体编排组合功能。在无线设备云化的基础上，利用NFV的框架提供无线网络编排能力，防止C-RAN需求的碎片化。

2.3.2 无线协议栈功能

C-RAN两级架构主要由CU和DU两类设备形态构成。二者的功能定义以3GPP切分方案为基础，适应5G网络多样化的部署需求，保证业务性能、数据传输和运维的均衡。期望在3GPP网元定义的基础上，进一步细化切分准则，将无线功能切割为更小的功能单元，进一步完善3GPP中的CU与DU的功能定义。

2.3.3 硬件平台

在现有NFV架构下引入时间同步和通信加速器等硬件资源，时间同步资源保证无线协议栈处理的实时性，通信加速器资源低成本、低功耗实现大规模数据处理和运算。

在容灾备份方面，集中式的CU设备由于覆盖范围较大，需要进行高可靠性的容灾备份。在具体硬件形态方面，根据无线网络在小型、边缘化数据中心部署的特点，服务器设备应该支持模块化部署和在一个机框内不同类型节点的灵活配置和扩展，降低功耗、便于运维管理。

3 C-RAN规划分析

未来C-RAN架构由CU和DU两类设备形态构成。CU/DU部署方式的选择需要综合考虑多种因素，包括：业务的传输需求（如带宽，时延等）、接入网设备的实现要求和运维难度等。CU可以集中协议栈低实时性的功能，并采用集中部署的方式，DU可以集中协议栈高实时性的功能，可采用分布式部署的方式。另外，CU/DU的切分需考虑网络切片概念在无线侧的实现方案，因此DU的部署会基于应用场景有所不同。

现阶段做C-RAN规划，主要考虑基于已有的传输综合业务区（重点考虑机房资源、传输资源）、自留基站机房进行初步规划，基本采用“整体规划，分步实施”策略。在后续的分步实施阶段，建议适当考虑未来5G应用场景，提前做好网络结构调整：CU设备集中在传输机房、大型4G C-RAN机房内；DU设备尽量接近部署应用场景，根据应用场景的不同，可选择堆叠在CU机房内，也可分散部署在自留机房、基站机房或者室外一体化综合机柜内。

3.1 某地区4G C-RAN规划

选择在市县城区站址比较密集，适合集中部署BBU区域作为C-RAN规划区域。C-RAN区的规划依托综合业务区实施规划，规划初期一个C-RAN区域的大小，与9～11个的物理宏基站所在区域大小相近。

3.2 C-RAN区域边界的划分

要求C-RAN区域在地理上要连续，以综合业务区边界为基础，适当结合本地区城市规划。例如以城市内公园、河流、山川、铁路为界，以城市功能区的划分边界为界等。另外， 城区内C-RAN区域尽量“方正”，尽量避免“长条”状，城市主干道两侧站点C-RAN区便于调整。图3为某地区C-RAN区域的初步划分。

图3 某地区C-RAN区域的初步划分

3.3 C-RAN机房的选取

在准确预估C-RAN区域内未来站址的发展和分布情况为基础，优先对已有的、配套情况良好的传输机房进行利旧。

机房大概位置选取，可适当结合C-RAN区域的范围：C-RAN边界与城市主干道较吻合的，考虑在主干道旁边的传输机房，便于后续主干道两侧的站点C-RAN区调整；长方形状C-RAN区，建议优先考虑中心区域选址机房，避免机房距离基站过远；部分C-RAN区需考虑后续分裂可能，机房位置应优先选取在目前站点较多的区域。

机房具体位置选定时，充分考虑后续可实施的便捷性：在传输管道资源丰富的区域选址传输机房（尽量于综合业务区一级光交环路的光交箱附近进行选择）、具备后续进出维护方便的优势、避免短期内被拆迁拆除风险等。另外，额外考虑无线主设备室外型接入GPS的室外安装位置。

机房建设标准，建议参照传输汇聚机房：新建接入节点机房应采用“自购、自建为主、租用为辅”的方式，根据新建机房面积估算情况，一般城区、县城要求可使用面积大于68 m2，密集城区要求可使用面积大于75 m2。考虑到后续DU设备的放置，可选择部分配套情况良好的基站自留机房作为DU的机房。

4 典型案例分析

东南角C-RAN区-1为港口功能区，区域内有自留机房， 未来5G可能采取非理想前传组网模式，C-RAN区-1使用自留机房作为本区域的5G的DU机房（目前4G BBU集中布放机房）。 北侧C-RAN区-2区域为城市居民住宅区域+工厂区，目前站址密度已经较高，已实现D频段室内外良好覆盖，未来可能采取混合传组网模式：利旧传输汇聚机房作为未来5G的CU设备及居民区场景的DU设备的集中布放机房，区域内的基站自留作为厂区场景DU集中布放机房。C-RAN区-3未来可能采用理想前传组网模式，利旧传输汇聚机房作为未来5G的CU、DU设备的集中布放机房。图4为典型案例分析。

5 总结

图4 典型案例分析

分析了未来5G可能采用的CU/DU/RRU的组网架构及关键技术、目前4G C-RAN与未来5G组网存在的共同点，在本阶段做C-RAN区域规划、机房选取工作的同时，充分考虑未来5G的组网需求，分区域、分场景进行区域划分与机房预留。

因未来5G应用还会面临更多的应用场景与其他个性化需求，并且面临巨多不确定性，本案仅作现阶段C-RAN规划的一个参考。

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇, 等. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学:信息科学. 2014,44(5):551-563.

[2] 杨峰义, 张建敏, 谢伟良, 等. 5G蜂窝网络架构分析[J]. 电信科学, 2015,31(5).