面向5G通信網絡承載方案的探討

尹遠陽　楊廣銘　盧泉　孫嘉琪

摘要：隨著4G網絡的部署，前傳網絡的光纖資源消耗過多的問題愈加凸顯。傳統通過無源波分設備WDM和CPRI壓縮技術雖然在一定程度上解決了傳輸資源問題，但是面向5G通信，為了滿足高帶寬、低時延、協作綠色節能化和無線云化等要求，這就需要傳輸網絡架構也隨之調整。通過對傳統基于CPRI承載方案研究和各承載方案的性能指標對比分析，并結合現有設備的能力要求，提出了一種新的能滿足前傳需求的承載方案，進一步提升傳輸網絡中的光纖利用率。

關鍵詞：5G通信 IP RAN網絡 C-RAN 綠色智能通信 CoP

1 引言

隨著移動互聯網及物聯網技術的發展，信息通信將成為維持整個社會生態系統正常運轉的信息大動脈[1]。移動通信憑借其應用之廣和接入之便，其應用將不再局限于人與人的溝通，而可能發展到人與物的溝通，甚至是物與物的通信。4G正在大規模建設，5G通信技術的研發也已邁入了重要階段。5G通信以以下幾方面作為技術發展的基礎要求，旨在發展成為一項史上最節能、應用最廣泛的通信[1，4-5，7-8]：1）引入新的無線傳輸技術將資源利用率在4G的基礎上提高10倍以上；2）引入新的更靈活、更智能的網絡架構和組網技術將整個系統的吞吐率提高25倍左右；3）挖掘新的頻率資源（如高頻段、毫米波與可見光等），使未來無線移動通信的頻率資源擴展4倍左右等。

2 無線接入網的現狀

對于通信運營商來說，無線接入網（RAN）是企業收入來源最為關鍵的一部分，網絡的服務質量直接關系到用戶數量。通過無線接入網可以向用戶提供7×24小時不間斷、高質量的數據服務[8]。傳統的無線接入網具有以下特點：1）每個基站連接若干固定數量的扇區天線并覆蓋小片區域，同時所在區域的基站只能處理本小區的收發信號；2）系統的容量使干擾受限，各個基站獨立工作已經很難增加頻譜效率；3）不同設備廠家基站通常都是基于專有平臺開發的，調度不靈活，需要巨額的運營成本；4）基站所在區域環境要求極高，需要配備一定的制冷系統。傳統架構的無線接入網在移動互聯網時代面臨著降低成本、提高性能和節能減排的挑戰，因此，無線接入網必須重新考慮新的網絡構架，得出適合移動互聯網的高性能、低費用的綠色環保的無線接入網方案。在2010年4月召開的無線接入網綠色演進國際研討會上，我國首次提出了無線接入網絡架構C-RAN（Cloud Radio Access Network）[1，7，9]。C-RAN指的是基于集中化處理（Centralized Processing）、協作式無線電（Collaboration Radio）和實時云計算架構（Real-time Cloud Infrastructure）的綠色環保無線接入網絡架構（Clean System），也稱4C通信架構。其本質就是通過減少現有無線接入基站機房數量、降低設備工作能耗，采用協作通信方式及SDN虛擬化技術來實現網絡資源共享和動態調度，提高無線基站的頻譜利用效率，以實現低成本、高帶寬、低時延、高保障和高靈活度的網絡運營。

3 NGFI技術下的C-RAN系統

架構及目前的承載方案

C-RAN架構是采用分布式天線系統，將集中式基帶池（BBU）布置在中心機房，通過光纖骨干網，將遠端射頻單元（RRU）布置在所需的地理位置，這些位置事先已經經過設計規劃好。這樣遠端射頻單元不需再建立機房，只需解調、處理設備和天線，從而可大大降低成本。NGFI（Next Generation FrontHaul Interface）是指下一代無線網絡主設備中基帶處理功能與遠端射頻處理功能之間的前傳接口，是前傳網和后傳網的關鍵樞紐。不同于傳統的CPRI[3-4]，NGFI是一個開放性接口，它基于以太網協議，并通過BBU/RRU間功能的重新定義，遵循支持統計復用、載荷相關的自適應帶寬變化、多連接的映射關系，盡量支持性能增益高的協作化算法等基本原則。為滿足下一代通信技術的要求，催生通信界產生了新的組網架構來實現面向5G及云世界的萬物互聯通信，因此有必要對無線側的接入部分實現改造，滿足大容量、低能耗、高速率、低時延的通信，如圖1所示為基于NGFI的無線C-RAN網絡架構。

C-RAN架構強調的是綠色無線接入網，其具體實施方法不一，上述提出的網絡架構是基于遠端無線單元（RRU）和基帶信號單元（BBU）組成，BBU由機房中的機架和基帶處理單元等設備組成。前傳網是基于以太交換機、PTN、ATN等分組交換設備，無需進行額外的改造，末端設備以模塊或板卡的形式，集成在遠端或局端無線設備中，以節約機房空間，節省能源。

目前主要存在的C-RAN承載方案有三種，具體如圖2所示。

方案1：光纖直連方案

（1）光纖直連方案主要是指基站RRU通過單獨的光纖直接接入到集中BBU處理，具體如圖2中的（a）圖，該方案主要的優點是免承載設備，但同時也存在著嚴重的不足：光纖消耗嚴重（如果128個BBU集中，CO節點則需要768裸光纖去承載，如果采用主備保護則光纖數量需要翻倍）。

（2）該方案一般只能用于5～10個節點BBU小集中，無法滿足超密集小區結構組網中無線接入云虛擬化集中管理。

方案2：RRU彩光無源WDM方案

（1）方案2的接入方式如圖2（b）所示，采用的是彩光作為信號載波，基于無緣波分（WDM）技術來實現RRU和BBU的連接，該方式相對于光纖直連方案的優點是：由于采用彩光作為信號的承載，通過彩光合成器將不同的RRU信號分配不同的彩光，然后接入BBU，這樣能大大節省光纖消耗，相對方案1可減少8倍的光纖資源使用。

（2）缺點：承載網無監控管理、無保護，不適合長距離組網；對彩光傳輸的光模塊及光轉換要求較高，增加了設備的成本；通常情況下只能用于5～10個節點的BBU小集中場景，無法形成大規模的BBU云池。

方案3：傳統波分方案

（1）方案3是傳統的波分方案，這種技術是可以在一根光纖上傳送多路信號，每路信號都由某種特定波長的光來傳送，相對于方案1光纖資源消耗將能減少40倍，可以支持環網保護和時延對稱補償，是傳輸專業比較認可的一種方案。

（2）缺點：在網絡的傳輸末端都必須是有源設備，因此部署時需要建立專門的機房，對環境要求較高、耗能；價格比較昂貴，很難滿足客戶對價格的預期要求，大規模部署和推廣有一定的難度。

通過上述分析及IMT 2020技術場景和愿景看5G對傳送網的需求可知[4-6]，C-RAN構架迫切需要形成有BBU-RRU之間高速無線信號的高帶寬、低延遲、高可靠性、低成本的傳輸解決方案，現有的技術和技術進步的趨勢使可行的解決方案的提出成為可能。其實通信網絡的發展歸根到底是對網絡的傳輸技術和承載方案選擇的問題，因此需要更多地進行技術及方案論證研究。

4 Fronthaul承載方案CoP

4.1 CoP關鍵技術及幀結構

隨著通信技術的發展，為了規范BBU和RRU之間的接口標準，CPRI（Common Public Radio Interface）協議應運而生。CPRI協議由愛立信、華為、NEC、北電和西門子五個廠家聯合發起制定，其定義了兩個協議層，分別是物理層和數據鏈路層[3-5]。物理層主要是對上層接入點的數據進行復/分接，并采用特定的編碼技術通過光模塊串行收發數據；數據鏈路層定義了同步幀結構，由基本幀和超幀構成，數據在鏈路層中通過固定的幀結構形式進行相應的封幀和解幀操作。

CPRI協議作為通用開放接口標準，由于其實現上的經濟簡便性受到了多方廠家的支持，設備供應商相繼推出了基于CRPI協議標準的拉遠產品，因此也加速了廠商基于CRPI協議的交換機和路由器等設備的成熟和推廣[3]。隨著通信技術的發展，新一代基站出現了一種嶄新的形態——分布式基站，可以把宏基站的部分載波通過標準的CPRI接口拉遠實現分布式組網，也就是將傳統基站的基帶處理部分（BBU）和射頻收發信機部分（RRU）設計成單獨的模塊。分布式基站不僅帶來了快速、便捷的網絡部署，而且有利于大幅降低運營商建網的成本，逐步成為運營商關注的焦點。由于無線頻譜資源的高價格、高頻通信技術的使用，使原有的基站覆蓋密度越來越大，且無線帶寬要求越來越高，這使得無線接入側的網絡必須做相應的調整才能滿足無線業務以及未來萬物互聯的通信要求。因此CoP（CPRI over Packet）承載技術是研究的重點，新定義的CoP幀結構如圖3所示。

CoP承載技術是繼承前傳承載和后傳承載的中心樞紐模塊，采用的是高效裝載技術，其由于CPRI結構化和非結構化使得數據成幀靈活，便于整個網絡調節，采用光承載，繼承了原有波分承載的優點，也能進一步節省傳輸光纜。CPRI封裝傳輸的數據具有高精度時鐘同步技術，能實現頻率Jitter滿足±0.002 ppm和空口頻率誤差滿足±0.05 ppm的要求，對于通信的單向時延抖動能滿足±8.138 ns精度要求，是C-RAN承載技術中實現的關鍵。

CRPI承載方案所采用技術的不同導致各方案所達到的性能指標要求也就不一樣，本文所講述的是CPRI over Packet的NGFI承載方案，其與現有的CPRI over WDM、CPRI over OTN、CPRI over WDM-PON承載技術指標對比如表1所示。

4.2 CoP承載網絡架構

為滿足未來業務發展的需要及海量基站的承載要求，現有基站都是基于有源技術的。同時根據上文描述的現有承載技術的缺陷，需要選擇一種新的承載技術架構來滿足云通信的需求，在RRU增加的情況下使其滿足免機房需要，新的CoP FO設備能跟RRU供址部署，建設成一個新的前傳網絡（Fronthaul），通過CoP FO設備（該設備UNI側支持CPRI2～7接口，覆蓋2G/3G/LTE基站；支持12路CPRI接口/ETH，最大省光纖能力12：1）將RRU進行匯聚傳給接入側的A設備。該方式針對現有IP RAN設備基本無需改動，只需要在原有的設備中插入帶有CRPI協議的新增板卡就可以工作。前傳網絡的范圍可達到17 km，從而可以大大節省傳輸光纖資源。具體的前傳承載網絡方案如圖4所示。

由圖4可知，該承載方案將原來的IP RAN承載網的接入側又重新進行了定義，在無線側實現RRU拉遠后并不是直接接入到BBU池，而是通過無線側的CoP FO無源設備（目前已有廠家設備支持）匯聚RRU環，再由Fronthaul網絡接入到A設備，原有的IP RAN網絡就形成Backhual網絡，對無線業務進行統一承載，實現BBU資源池云化管理。

新建承載前傳Fronthaul網絡繼承IP-RAN完備的OAM和保護機制，實現網絡端到端的可靠性高。對于Fronthaul接入側的保護機制有CPRI接口（CPS保護）和ETH接口（LAG保護）；網絡側保護機制可以采用線性“1+1”保護或者環網Wrapping、Steering保護。同時可以通過Y.1731或IEEE802.ag實現客戶側業務通道管理及性能檢測，當發生故障時合理啟動相應層級的保護機制，提供節點和鏈路級50 ms倒換要求。

對于無線側RRU的接入點模塊FO是全室外模式，易部署、省機房，滿足大網絡容量要求，在客戶側可以支持12路1.25～10 Gbps速率SFP+接口，包括CPRI業務和FE/GE/10GEY以太網業務；網絡側支持2路40 Gbps速率QSFP+接口，以及可以升級滿足未來100G接口的需求。

靈活組網：該承載方案中Fronthaul網絡支持星型拓撲、鏈型拓撲、環型拓撲等組網要求，可以實現RRU任意部署，可以實現接入設備A無源CWDM解決方案。

5 結論

C-RAN的目標是適應主流無線網絡宏蜂窩基站、微蜂窩基站、微微蜂窩基站等網絡部署需求，其它一些有益的基站類型也可作為C-RAN部署的補充。但是NFGI網絡架構能夠彌補現有C-RAN架構中資源利用不足的問題，實現前傳網絡和后傳網絡分開管理的策略，使網絡更加扁平化，可分域化進行管理。未來網絡將是一張可定義、軟硬融合的網絡，無論SDN還是NFV都會是其重要的組成部分，勢必將在高速寬帶、5G、物聯網等多個領域大放異彩。傳統的基礎設施正在快速變革，SDN/NFV將迎來黃金時代，但是作為移動通信大國，隨著無線技術的提升，城市智能環境的建設，移動帶寬需求越來越明顯，5G通信技術使用的頻段意味著需要更多的基站來滿足單位面積的通信。如何改善移動互聯網、物聯網、車載網接入而又能滿足節能減排，實現系統間無縫通信，構建一個更為安全可靠、性能超前的未來網絡，是下一代承載網需要重點考慮的問題，更是迫使承載網絡架構改變的關鍵因素，需要長期跟蹤研究。

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