BBU+RRU分布式基站組網模型探討

黃耿, 郭鴻

(廣西通信規劃設計咨詢有限公司,廣西 南寧 530028)

0 引言

BBU+RRU的組網方式具有快速、經濟、資源利用率較宏基站高的特點,目前已大規模應用于移動網絡建設中。但建設的過程中也遇到諸如需新建長距離光纜、BBU基帶資源還得不到充分利用等問題,需要結合實際情況,綜合分析組網模式與建設造價之間的關系,探討其組網模式的適用性、安全性、經濟性,為建設低成本、高性能的移動網絡提供參考。

1 BBU+RRU組網原理

BBU+RRU又稱分布式基站,其原理就是把傳統宏基站的基帶部分和射頻部分分開,分成 BBU和 RRU兩個設備：BBU是基站基帶單元,負責基帶信號處理與傳輸,連接GPS(全球定位系統)時鐘;RRU是射頻拉遠模塊,負責射頻收發。兩者之間通過 2芯光纖連接,傳送基帶數據和OAM信令數據。具體結構如圖 1所示[1]。

圖 1 BBU+RRU結構

和傳統宏基站相比較,BBU+RRU有如下優勢：

①BBU體積小(高 1U)、功耗低(＜2 A)、安裝方便、資源配置靈活。RRU體積小、安裝方便(可掛墻、掛桿安裝),不需機房與空調,大大降低了選址難度,節約了運維成本,符合節能減排的方針;

②BBU和RRU之間采用光纖連接,傳送數字基帶信號,減少了饋線長度,方便施工;

③智能資源共享。BBU+RRU方式實現基帶資源共享,可以實現集中維護、以及話務量調度,從而節省基帶資源;

④在擴容、升級過程中,通過在 BBU上擴容、增加處理板即可實現站點的平滑擴容和升級,無需逐個站點上站操作。

需要注意的是,BBU與RRU間雖采用光接口,但接口使用的是私有協議,即廠家之間的BBU與RRU之間無法互聯互通,目前也無法使用傳統的傳輸設備,如 SDH、MSTP、交換機、路由器或PON進行連接。這也給網絡組建、網絡安全帶來一定的不便。

2 BBU+RRU組網模型及適用場景

2.1 按網絡拓撲建立組網模型

根據網絡拓撲的不同,BBU和 RRU之間可以建立星形、鏈形和環形 3種組網方式,如圖 2所示。

圖 2 BBU+RRU組網模型(拓撲不同)

星形組網是將 N個RRU分別通過光纖連接在一個 BBU不同光口上,實現 1：N的接入。該組網方式可擴展性好,RRU的連接極限取決于 BBU提供的光口數量,但需要占用大量的裸纖資源,適用于光纖資源豐富的區域。

鏈形組網是指 N個RRU采用光纖和自身的光口一一級聯的方式,最后串聯到 BBU的一個光口上[2]。該組網方式可節約光纖資源,RRU連接極限取決于RRU連接所用光纖所能提供的帶寬,此組網方式安全性較差,一旦鏈條前端的光纖連接出故障,會引起后端一連串RRU服務中斷。

環形組網是指 RRU和BBU之間的兩對光纖采用不同物理路徑,兩路光纖同時出現問題的概率極低,既提高了組網的可靠性,又比完全星形連接所需的光纖數量少。環型組網目前只停留在理論層面,實際場景中未見到相應的產品及應用。

2.2 按設備設置建立組網模型

根據 BBU與 RRU設備設置地點的不同,BBU+RRU的組網有 BBU與RRU分設式、宏基站與RRU分設式、BBU與RRU合設式 3種方式,如圖 3所示。

圖 3 BBU+RRU組網模型(設備設置不同)

(1)BBU與 RRU分設式

即 BBU與RRU分開放置,BBU集中放置在某個中心局所或匯聚節點,RRU放置在站點側,實現 1：N的收斂。根據目前設備的能力和網絡安全性考慮,典型的配置下收斂比不超過 1∶6,即 1個 BBU最多帶 6個站點。分設式組網方式下,只有BBU側需要配置傳輸設備,RRU側不需配置。

分設式的組網方式組網靈活、方便、便于擴展,而且基帶池的資源可以供多個站點共享,多用于話務量不高的室分站點、鄉鎮以下站點,實現網絡“薄”覆蓋[3]。但由于此方式缺乏BBU與RRU間光纖線路的保護手段,對于優先級別較高的站點建議不要采用。

(2)宏基站與 RRU分設式

借用宏基站的基帶資源,增加射頻拉遠板件,把宏基站視為 BBU,RRU放置在新設站點側,實現 1：N的收斂。收斂比建議不超過 1∶6。

此組網方式適用于新建站點附近有宏基站,其話務量較低,光纜建設成本和難度均不高的情況,如城區的室分站點,鄉鎮或高速路附近的補盲等,實現將現有網絡資源“攤薄”。傳輸部分可直接使用宏基站的傳輸資源[4]。

(3)BBU與RRU合設式

即BBU與RRU合設在基站側,BBU可設在機房或樓面室外機柜內,RRU設在天饋側。這種方式需要另外配置傳輸設備。

合設式適用于話務量較高的站點,如市區、縣城的室外站或熱點地區的室分站點。合設式更類似于傳統的市區室內宏基站,但由于不需租用機房,不需配置空調,合設式的BBU+RRU在建設周期、建維成本、節能減排方面都具備明顯優勢。

3 BBU+RRU組網模型應用及潛在問題

在現網中,為減少光纖資源的占用,在拓撲上多采用星形+鏈形型的組網模型、在設備設置上多采用 BBU與 RRU分設模型。如圖 4所示。

圖 4 現網應用的BBU+RRU組網方式

目前實際應用中潛在的主要問題分析如下：

①如果 BBU下帶RRU數量少,收斂比設置不合理,不能充分利用其基帶池資源,會造成 BBU基帶資源利用率低。建議的收斂比是 1∶2～ 1∶6,盡量避免出現 1∶1或大于 1∶6的情況;

②光纖資源占用率高：現網分布式基站 BBU一般是集中設置在機房配套條件較好的匯聚節點內(如分局、模塊局及大接入網機房),BBU與 RRU間的連接方式采用 2芯光纜,對光纜纖芯需求量較大,加大了光纜建設量,抬升了無線網絡整體造價;

在實際應用中,已出現為將光纜打通回 BBU局所,新建長距離光纜(＞5km)的情況,造成建設成本增大。在這種情況下,可考慮將BBU下沉到接入網點,使 RRU能就近接入。然而下沉后又將增加 BBU、接入網點配套電源的建設成本。這需要根據實際情況選取最經濟、最優的建設方式。后文將對此進行針對性討論;

③BBU與 RRU間以星型和鏈型組網為主,缺乏有效的光纜故障保護機制;

④RRU多位于偏遠山區,配置的蓄電池容量較低,斷電后續航能力弱。當組網受限于光纜而需要BBU下沉時,接入網點的電源通常無法滿足要求,需要額外配置電池組和電源模塊,這又會增加成本;

⑤定位業務開展困難：由于GPS只安裝在BBU側,RRU側無定位功能,不利于今后定位業務開展。

4 BBU+RRU組網工程造價分析

上述提到的現網存在問題中,對實際組網和建設投資影響最大的就是第(二)點。是將BBU集中于匯聚點,還是下沉至接入點在工程總體建設成本上最節省,需要進一步探討。以下就針對組網模型與光纜建設、工程造價間的關系進行分析。

(1)將 BBU集中設置在匯聚點

組網結構如圖 5所示。

圖 5 BBU集中式設置的工程組網模型

該場景圖的說明如下：

①假設將 m個 BBU集中設置在匯聚點,配置傳輸設備經傳輸網與 BSC相連;該場景下站點共N個(N=n1+n2+

② BBU1下帶的站點 n1個,標識為 RRU11～RRU1n1(為便于描述,圖 5中每個RRU表示 1個站點,省去站點中級聯的其他 RRU,下同),每個站點對應需新建的光纜長度設為L11～L1n1;BBU2下帶的站點 n2個,標識為 RRU21～RRU2n2,這些站點的光纜需先通過光纜接入點 2再接入 BBU2,每個站點對應需新建的光纜長度設為 L21～L2n2;依此類推,BBUm下帶的站點標識為 RRUm1～RRUmnm,對應需新建的光纜長度設為Lm1～Lmnm;

③光纜接入點 2～m需新建至匯聚點的光纜長度設為L2～Lm,則BBU集中場景的工程總造價PC應為匯聚傳輸、所有 BBU、RRU及新建光纜的綜合費用之和,即：

其中,PT為匯聚點傳輸節點綜合造價(含傳輸設備及配套ODF、DDF、機架等),PB為單個 BBU的綜合造價,PR為單個RRU的綜合造價,為所有新建光纜的綜合造價。

對于BBU的造價：

一般情況下,每個 BBU的綜合造價(含主設備、配套電源、GPS等)基本相同,這里假設均為PB,則上式變為：

為簡化計算,設每個 RRU的綜合造價(含主設備、配套電源、傳輸及基礎配套等)均相同,為PR,則上式變為：對于新建光纜,造價包含從站點到光纜接入點、光纜接入點到匯聚點的費用：

其中 Pf為新建光纜綜合造價(含光纜、桿路等),這里假設各光纜段落的綜合造價相同。

將式(2)、式(3)、式(4)式代入式(1),得

根據前面討論的結果,建議 BBU下帶站點數不超過 6個,即收斂比小于 1：6,此時 N≤6,這種情況下可以只設置 1個 BBU,此時 ∑PB=PBR,式(5)變為：

(2)將BBU分散設置在光纜接入點(下沉至接入網點)

組網結構如圖 6所示。該場景圖的說明如下：

①假設將第 2～m個 BBU下沉至接入點,配置傳輸設備匯聚至至接入點后,經傳輸網與 BSC相連;該場景下站點數與前一場景相同,共

圖 6 BBU下沉式設置的工程組網模型

②BBU1設置在匯聚節點,下帶的站點 n1個,RRU11～RRU1n1,每個站點對應需新建的光纜長度設為 L11～L1n1;BBU2設置在接入點 2,配置傳輸設備與匯聚節點相連,下帶的站點 n2個,標識為 RRU21～RRU2n2,這些站點的光纜直接接入 BBU2,每個站點對應需新建的光纜長度設為L21～L2n2;依此類推,BBUm設置在接入點 m,下帶的站點標識為RRUm1～RRUmnm,對應需新建的光纜長度設為Lm1～Lmnm

③光纜接入點 2～m若需新建至匯聚點的光纜,則對應長度分別為 L2～Lm

④由于大多數接入網點的電源、電池采用集成式一體化設備,蓄電池的容量也較小(≤100AH),因此在此場景中,接入網點需要做電源、電池及配套安裝設備的改造。

則 BBU下沉場景的工程總造價 PS應為所有傳輸、所有BBU、RRU、新建光纜以及接入網點改造的費用之和,即：

其中,PT為單個傳輸節點綜合造價,PB為單個 BBU的綜合造價,PR為單個RRU的綜合造價,∑PL為所有新建光纜的綜合造價,∑PP為所有接入網點改造的綜合造價。

對于傳輸節點的造價：

這里設每個傳輸節點的綜合造價(含傳輸設備、ODF、DDF、機架等)相同,均為 PT,則上式變為

對于 BBU、RRU、新建光纜的造價分析與上一場景相同,即：

在此場景中,若BBU下沉后不需再新建從接入網點到匯聚節點的光纜,則式(11)變為：對于接入網點的改造的造價：

這里設每個接入網點的改造造價(含電源、電池、機架等)相同,均為 PP,則上式變為：

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

(3)兩種場景的建設造價差

設上述兩種場景的造價差為ΔP,

當 ΔP＞0時,即 PS＞PC,說明下沉式的造價高于集中式,此時建議采用集中式設置 BBU;反之當 ΔP＜0時,即 PS＜PC,說明集中式的造價高于下沉式,此時建議采用下沉式設置 BBU。

將式(5)、式(13)式代入式(15)式中,得：

在 N≤6時,集中式方案可只設置 1個 BBU,此時將式(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的整數變量,是變量,設則 ΔP=f(m,LK),即造價差是接入點數和新建光纜長度的線性函數。從上兩式可得出以下結論：

①當接入點數m一定時,ΔP與新建光纜長度 LK成反光纜距離超長時,光纜造價已高于設備造價,建議將BBU下沉;反之,如果新建光纜距離較短,則可考慮集中設置BBU。

②當新建光纜長度 LK一定時,ΔP與接入點數 m成正比,接入點越多,ΔP越大,越應該使用集中式,即當站點分散接入的點數太多時,設備造價已超過光纜造價,建議將BBU集中;反之,如果站點分散接入的點數不多,則可考慮將BBU下沉。

以下舉一個例子來進行說明：

設傳輸節點綜合造價 PT=1.8萬元,接入網改造綜合造價PP=1.2萬元,新建光纜綜合造價 Pf=1.2萬元,則式(16)為：

ΔP=3(m-1)-1.2Lk,m為≥2的整數,取 m=2、3、4繪制曲線如圖 7所示。

圖 7 造價差 ΔP與接入點數 m、新建光纜長度 LK的函數曲線

從圖 7可見,當 m=2時,若 LK=2.5 km,ΔP=0;若 LK＜2.5 km,則 ΔP取值為正,此時 PS＞PC,下沉式的造價高于集中式,建議采用集中式設置 BBU;若 LK＞2.5 km,ΔP取值為負,即 PS＜PC,集中式的造價高于下沉式,建議采用下沉式設置 BBU。即 LK臨界點為 2.5 km。當 m=3時,LK臨界點為 5 km;m=4時,LK臨界點為 7.5 km。

當 LK=5 km時,若 m=3,ΔP=0;若接入點數 m＜3個,則 ΔP取值為負,此時 PS＜PC,集中式的造價高于下沉式,建議采用下沉式設置 BBU。即 m臨界點為 3個;若 m＞3,ΔP取值為正,此時 PS＞PC,下沉式的造價高于集中式,建議采用集中式設置BBU。當LK=7.5km時,m臨界點為 4個。當 LK＜2.5km時,不論 m如何變化,ΔP均 ＞0,說明新建光纜總距離 ＜2.5km時,不論有多少個接入網點可以就近設置BBU,集中式設置BBU的造價都比下沉式低,即此時均應采用集中式。

5 結語

BBU+RRU的組網方式所特有的快速、靈活、低成本、高利用率的特點,使其在移動網建設中越來越得到廣泛的應用,室外站[5]、室內分布系統[6]中均已進行規模建設,預計未來的移動通信網絡建設仍將大量采用這一方式[7],因此其組網模型也需要在實踐中不斷變化、完善。在實際工程中,不僅要考慮設備的組網與成本,還要全面考慮工程的造價,包括機房、光纜等配套成本,才能建成一張適用、安全、經濟的網絡。視對此進行了探討,得出的結論可供工程建設參考。

[1]徐潤沁,劉軍杰.基于 BBU+RRU的TD-SCDMA全覆蓋解決方案[J].移動通信,2008(09)：55-57.

[2]張敏,葛海平,朱碧.基于 BBU+RRU解決方案的 TD-SCDMA網絡室外一體化部署理念探討[J].電信科學,2007(12)：26-29.

[3]師陽,謝顯中.移動通信下行鏈路中的非線性預處理技術[J].通信技術,2007,40(09)：8-10.

[4]劉軍,劉暢,張昕.基于無連接傳輸模式的選路算法[J].通信技術,2010,43(02)：11-13.

[5]胡國安,翁興旺.GSM900/DCS1800雙頻網組網方案的探討[J].通信技術,2010,43(03)：15-17.

[6]宋燕輝.TD-SCDMA室內分布系統改造方案探討[J].通信技術,2010,43(02)：17-18.

[7]王軍選.未來移動通信系統及其關鍵技術[J].通信技術,2009,42(10)：09-12.