5G CRAN传输承载网络分析

(中国移动通信集团上海有限公司，上海，200060)

引言

中国各大运营商宏基站目前已普遍采用BBU+RRU的分布式设备形态，同时也带来了对BBU池和RRU间的高带宽传输需求。BBU集中部署、RRU拉远建设成为目前4G网络的重要承载方式。BBU的集中部署也相对减少了基站购租，形成灵活覆盖的特点，有利于发挥无线组网新技术CoMP的优势。通信行业在2009年提出了未来无线接入网形态C-RAN ，目前4G前传承载方案包括了CPRI裸光纤直传，CPRI彩光模块+无源波分，速率压缩还有有源unipon等不同的方案，5G时代到来对前传技术提出了更高的要求。

1 CRAN的基本概念

1.1 CRAN定义

C-RAN是基于集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)。目前C-RAN技术发展还处于初期水平，国内的应用更多表现在BBU集中堆叠(集中-拉远)，技术上已少量采用CoMP/SFN等提升网络性能，BBU“池化”、“协作”、“云化”等尚未实质实现。目前C-RAN的发展瓶颈之一是解决BBU池至RRU之间无线拉远的传输承载。目前裸光纤已在现网大规模应用，随着今后宏站、微站等需求的增多，对道路管道管孔资源的消耗越来越大，为了节省管线投资、提高基础资源使用效率，同时解决部分管线接入困难的站点，提出C-RAN技术的引入。

1.2 C-RAN的无线需求

5G对承载网的需求与挑战之一是带宽要求提升巨大。5G单位面积的接入速率是4G的1000倍，这意味着基站密度提升10倍，频谱带宽提升10倍，频谱利用率也要提升10倍。C-RAN建设模式下，BBU池-RRU之间为CPRI接口，4G单载波速率达到约9.8Gbps，1个4G宏站，CPRI的传输需求高达9*9.8Gbps，裸光纤方式下，单站需要18芯的光纤资源。到了5G时代这一切也许要发生变化。5G对承载网的需求与挑战之二在于传输时延要求较高。5G下的时延比4G+下的时延几乎小了一倍多。这将带来对承载网络全新的要求。4G时代的CPRI标准很可能要让位于NGFI(下一代前传接口)。5G下原来为无线传输单独建设的光纤网络可能也不再现实，统筹规划接入光缆成为运营商的必须。5G下传统RRU的功能也要加以提升，在信号处理和时延处理上扮演更多角色。未来5G网络下，25Gbps光模块有望首先在前传网络找到市场。

2 现有C-RAN应用场景

2.1 C-RAN几种传输承载技术

现阶段BBU至RRU之间CRPI接口的传输承载技术主要还是集中在裸光纤、无源波分二类。

裸光纤：CPRI接口采用光纤进行点对点传输，每个RRU都需要一对光纤与BBU直连，通常一个拉远站需求30-50芯以上。系统资源消耗和BBU放置的位置密切相关，当BBU在现有基站内放置覆盖周边站点时，资源的使用消耗与传统建站模式相当。一旦BBU以放置到汇聚机房进行成片组网，其对主干纤芯资源的消耗将猛增数十倍以上，对管孔资源消耗也增加数倍以上。虽然裸光纤方式不增加设备投资，但管线投资及占用的资源成本较大。

无源波分：多个RRU通过无源的波分复用方式共享一根光纤传输，每个RRU占用一个特定波长(彩光)。BBU设备和每个节点RRU设备上需配置不同的光分插复用模块，通过不同的波长进行复用。由于采用波分复用方式，相对光纤直连方案，节省80%以上的光纤资源。

2.2 无源波分的组网拓扑

按照无源波分设备的组网结构，拓扑结构可以分为两大类，一类为双星型、另一类为总线型。其中双星型应用场景包括：拉远站、微站等常规基站场景；总线型应用场景包括：大桥、隧道等高集中度的场景。

2.3 无源波分的现网应用

在BBU和RRU之间采用无源波分设备，对无线CPRI接口的纤芯需求进行波分复用后，再接入光交网，通过主干接入光缆进行调度。集中机房和拉远站成对安装无源波分设备，BBU和RRU设备需要配置彩光模块。

3 面向5G的C-RAN架构

3.1 5G网络需求

未来5G网络需要支持多种业务和应用场景，例如具有更高带宽，更低时延的增强移动带宽eMBB业务，支持海量用户连接的物联网mMTC业务，以及超高可靠性、超低时延的工业物联网等垂直行业应用Urllc等。5G的实现及部署，一方面是技术上的演进革新，另一方面也对运营商的网络运营和管理提出了更高的要求。

(1)灵活的无线资源管理需求

面向多样化的应用场景和通信需求，需要支持无线空口资源的按需分配，需要空口资源在一定程度上与具体业务类型解耦，实现更加灵活的无线资源调配，包括频谱、帧结构、物理层过程、高层处理流程等。

(2)空口协调和站点协作需求

5G网络下，小区和基站的密度会越来越高，由此带来的干扰问题不可忽视。干扰问题是超高密集网络下的主要问题之一。因此，站点之间需要更多的协调和合作。此外，网络密度的提升，对移动性管理也提出了更高的要去。显然，移动用户希望继续体验无缝切换，而从网络角度看，则希望尽量降低超密集网络下频繁切换引起的管理开销。

3.2 5G C-RAN的引入

针对5G高频段、大带宽、多天线、海量连接和低时延等需求，5G C-RAN网络引入集中和分布单元CU/DU的功能重构及下一代前传网络接口NGFI前传架构。5G的BBU功能将被重构为CU和DU两个功能实体。CU和DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分。如图1所示，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2层功能。考虑节省RRU和DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。

图1 5G 前传网络两级架构

图2 基于CU/DU的C-RAN网络架构

为解决CU/DU/BBU间的传输问题，引入NGFI架构，如图2所示。CU通过交换网络连接远端的分布功能单元(DU)。这一架构的技术特点是，可依据场景需求灵活部署功能单元，传送网资源充足时，可集中化部署DU功能单元，实现物理层协作化技术，而在传送网资源不足时也可分布式部署DU处理单元。而CU功能的存在，实现了原属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。可在最大化保证协作化能力的同时，兼容不同的传送网能力。

3.3 5G C-RAN的关键技术

(1)低成本的光网络传输技术

在BBU和RRU之间传输的为高速的基带数字信号，基带数字信号的传输带宽要求主要由无线系统带宽、天线配置、信号采样速率决定。目前，TD-SCDMA单载波宏小区所需要的四倍采样速率下的基带数字信号传输带宽约为330Mbit/s，为Iub接口带宽的33～150倍。而20MHz的LTE系统，8×8 MIMO配置下的基带信号速率接近惊人的10Gbit/s。除此以外，工程上还必须考虑RRU的级联问题，级联级数越多，传输带宽将成倍增加。

可靠性方面，为确保任一光纤单点故障条件下整个系统仍能工作，BBU与RRU之间的传输链路应采用光纤环网保住，通过不同管道的主、备光纤，实现链路的实时备份。

C-RAN要实现低成本的光网络传输技术，因此BBU和RRU之间CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模块的实现方案将成为影响这个系统经济性的重要环节。当前可行的部署方案有光纤直驱模式、WDM传输模式和基于UniPon的传输模式。

(2)基带池互联技术

集中化基带池互联技术需要建立一个高容量、低延迟的交换矩阵。如何实现交换矩阵中各BBU间的互联是基带池互联技术需要解决的首要问题。另一方面，还应控制技术实现的成本。目前有一种思路是采用分布式的光网络，将BBU合并成一个较大的基带池。

基带池互联技术还需要开发专用的系统协议支持多个BBU资源间的高速、低延迟调度、互通，实现业务负载的动态均衡。

(3)基站虚拟化技术

基站虚拟化技术的基础是高性能、低功耗的计算平台和软件无线电技术。在网络的视角中，基站不再是一个个独立的物理实体，而是基带池中某一段或几段抽象的处理资源。网络根据实际的业务负载，动态地将基带池的某一部分资源分配给对应的小区。

计算平台实现方面主要有两种思路：信号处理器(DSP)方案和通用处理器(GPP)方案。基站虚拟化最终的目标是形成实时数据信号处理的基带云。一个或多个基带云中的处理资源由一个统一的虚拟操作系统调度和分配。基带云智能识别无线信号类型，并分配相应的处理资源，最终实现全网硬件资源的虚拟化管理。

4 结束语

随着C-RAN 技术的发展，标志着无线接入网从传统的相互独立的基站，走向相互协作的架构，它的意义与软交换对核心网的影响相当，将会为降低CAPEX和OPEX，为节能减排以及统一全网的光纤接入起到重要的作用。我们也需要看到，目前C-RAN技术框架内还有一些技术细节仍待商榷，一些关键技术问题仍待攻克。随着5G试验网络的不断扩大规模建设，C-RAN技术的不断应用，在其技术后续演进中有更成熟解决方案和技术成果，以满足高带宽、低时延、广连接的前传网络。