基于C-RAN 的移動(dòng)城域網(wǎng)5G 承載方案探討

于 磊，陸 欣，劉紅衛(wèi)

（寧波華訊通信服務(wù)有限公司，浙江 寧波 315048）

1 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展分析

目前，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)用，其三大應(yīng)用場(chǎng)景包括uRLLC（超高可靠與低時(shí)延通信）、eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）和mMTC（海量機(jī)器通信）。同時(shí)，這些通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)場(chǎng)景領(lǐng)域?qū)?G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究和應(yīng)用僅處于剛剛起步的初期階段。以eMBB 場(chǎng)景為例，其采用5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要集中在面向高清視頻以及語音、互聯(lián)網(wǎng)、視頻電話、下載、UHD 3D 視頻、VR 等方面的高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率以及高帶寬業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)應(yīng)用，并且隨著其在該場(chǎng)景領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展，逐漸向uRLLC場(chǎng)景及其有關(guān)內(nèi)容建設(shè)層面過渡，以實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)支持下的面向遠(yuǎn)程醫(yī)療與自動(dòng)駕駛、人工智能、智慧工廠等具有低時(shí)延與更高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)組建需求特征的領(lǐng)域發(fā)展，然后在其各項(xiàng)技術(shù)逐步發(fā)展成熟情況下，最終實(shí)現(xiàn)向mMTC 場(chǎng)景領(lǐng)域延伸，從而實(shí)現(xiàn)面向監(jiān)控與傳感器、智慧城市等具有低功耗與高連接密度業(yè)務(wù)特征的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變[1]。

2 基于C-RAN 組網(wǎng)方式的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

C-RAN 組網(wǎng)技術(shù)是一種以集中化處理和協(xié)作式無線電、實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)等為基礎(chǔ)的綠色化無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)。結(jié)合當(dāng)前對(duì)基于C-RAN 的5G 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及研究情況，采用C-RAN 組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行5G 通信網(wǎng)絡(luò)組建中，對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)中的BBU 功能需要進(jìn)一步劃分成DU 與CU 等不同功能模塊，從而在其網(wǎng)絡(luò)通信傳輸過程中對(duì)處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性差別上實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能的有效區(qū)分。其中，DU 功能模塊主要針對(duì)物理層功能與實(shí)時(shí)性需要兩個(gè)功能層進(jìn)行有關(guān)內(nèi)容處理，而CU 功能模塊則是針對(duì)非實(shí)時(shí)性無線高層協(xié)議棧功能進(jìn)行有效處理和支持。針對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)中對(duì)BBU 功能的劃分與設(shè)置情況，在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中為實(shí)現(xiàn)DU 與AAU 之間傳輸資源的有效節(jié)省，在其功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還可以將部分的物理層功能上移至AAU 中進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以對(duì)其各功能結(jié)構(gòu)的設(shè)置需求進(jìn)行滿足[2]。

基于C-RAN 的5G 網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)中，主要包含前傳、中傳與回傳等不同網(wǎng)絡(luò)模塊，且各結(jié)構(gòu)模塊之間的相互作用和影響十分密切，對(duì)整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸性能及其網(wǎng)絡(luò)組建效果都有著重要的影響。基于C-RAN 的5G 網(wǎng)絡(luò)中，其前傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊主要是指DU 至AAU 結(jié)構(gòu)部分，而DU 至CU 結(jié)構(gòu)部分則屬于中傳網(wǎng)絡(luò)模塊，其整體結(jié)構(gòu)分為AAU、DU 和CU 三個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層。而與5G 網(wǎng)絡(luò)不同的是，4G 通信網(wǎng)絡(luò)中，C-RAN 組網(wǎng)方式下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包含BBU 與RRU兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)層。

3 基于C-RAN 的5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸承載需求分析

結(jié)合基于C-RAN 組網(wǎng)方式的5G 通信網(wǎng)絡(luò)及其架構(gòu)分析，對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸承載技術(shù)需求，和當(dāng)前的4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸承載也存在一定的區(qū)別。首先，在網(wǎng)絡(luò)傳輸所需要承載的帶寬需求方面。由于當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，是以連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景作為其網(wǎng)絡(luò)覆蓋與通信傳輸?shù)幕緢?chǎng)景和形式，并且在其網(wǎng)絡(luò)通信與傳輸中需要進(jìn)行高于100 Mb/s 的用戶帶寬體驗(yàn)速率提供；對(duì)一些具有更高熱點(diǎn)容量的局部通信區(qū)域，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸掦w驗(yàn)速率要求更高。根據(jù)這一情況，對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)傳輸承載帶寬需求則更高。

其次，在對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)的智能化需求方面。由于5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是以SDN 為基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行建設(shè)實(shí)現(xiàn)的，其在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要滿足其有效分離需求，并且對(duì)其控制能力的靈活性、開放性以及智能化水平要求較高。根據(jù)這一情況，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某休d能力設(shè)計(jì)和分析中，就需要從其業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的開放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某休d需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，從而對(duì)其網(wǎng)絡(luò)傳輸中的網(wǎng)絡(luò)分片以及多域協(xié)同等功能需求進(jìn)行支持，同時(shí)還需要從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)差異化需求等層面，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮，以促進(jìn)其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的整體部署效率提升，真正推動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[3]。

最后，對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠性等網(wǎng)絡(luò)傳輸承載需求設(shè)計(jì)中，則應(yīng)從現(xiàn)階段的工業(yè)控制以及車聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)領(lǐng)域出發(fā)，在進(jìn)行有關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延以及可靠性的更高要求進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和考慮。進(jìn)行5G 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及其網(wǎng)絡(luò)傳輸承載方案分析中，就需要所設(shè)計(jì)構(gòu)建的傳輸承載網(wǎng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)極低的傳輸時(shí)延與處理時(shí)延要求，而且對(duì)其更為嚴(yán)格的頻率同步以及時(shí)間同步、極強(qiáng)故障恢復(fù)能力需求進(jìn)行滿足。

結(jié)合基于C-RAN 組網(wǎng)方式的5G 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其傳輸承載需求分析，在具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)組建與設(shè)計(jì)中，一般需要從前傳和中傳、回傳等方面對(duì)其傳輸承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和組建。其中，在進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)的前傳承載設(shè)計(jì)中，多需要采用光纖直連以及有源/無源WDM 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)其傳輸承載網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)中前傳的較大帶寬及快速開通需求進(jìn)行滿足。此外，在進(jìn)行5G 通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸承載需求分析與設(shè)計(jì)中，則需要結(jié)合5G 時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)通信與傳輸承載特征，從5G 網(wǎng)絡(luò)的較高前傳傳輸需求以及光纖、管道等基礎(chǔ)資源要求出發(fā)，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)方案制定，以確保其設(shè)計(jì)方案的可行性與合理性。

4 基于C-RAN 的移動(dòng)城域網(wǎng)5G 承載方案具體設(shè)計(jì)分析

首先，在進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)的前傳承載方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)其前傳接口的網(wǎng)絡(luò)傳輸與承載要求進(jìn)行明確。需要注意的是，與4G 通信網(wǎng)絡(luò)不同，5G 網(wǎng)絡(luò)的前傳接口采用Etherent/eCPRI 接口形式，并且其接口帶寬一般設(shè)置為25 Gb/s；前傳接口在5G 網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸運(yùn)行中，對(duì)時(shí)延以及分組丟失、時(shí)間精度等要求均比較嚴(yán)格。因此，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中避免采用分組化的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，以控制其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中因帶寬和天線數(shù)的解耦導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)前傳接口的帶寬幅度明顯降低。此外，由于5G 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)中，與4G 網(wǎng)絡(luò)不同，它不是以回傳為主，而且通過將網(wǎng)絡(luò)前傳、中傳及回傳等不同網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行并重設(shè)計(jì)，同時(shí)確保5G 網(wǎng)絡(luò)前傳接口的eCPRI 帶寬為25 Gb/s，因此，導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)接入層所面臨的問題和挑戰(zhàn)均比較大，對(duì)面向5G 網(wǎng)絡(luò)的接入層設(shè)備的客戶接口設(shè)置要求為10GE/25GE，而網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬應(yīng)大于25 Gb/s。

結(jié)合對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)前傳接口傳輸指標(biāo)及其要求的分析，在進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)前傳組網(wǎng)傳輸方案設(shè)計(jì)中，本文共設(shè)計(jì)了光纖直連、彩光+無源WDM 及FO 承載三種不同的組網(wǎng)連接方案，并對(duì)各方案在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)進(jìn)行相互對(duì)比。結(jié)果顯示，采用光纖直連方式進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)前傳組網(wǎng)設(shè)計(jì)，其具體連接與操作雖然比較簡(jiǎn)單，但在光纖資源消耗方面的問題較為突出，因此在密集區(qū)域與光纖資源較為匱乏的區(qū)域，其設(shè)計(jì)應(yīng)用可行性較低。而彩光+無源WDM 的5G 網(wǎng)絡(luò)前傳組網(wǎng)連接方式在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較好的光纖資源節(jié)約效果，并且其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本較低，但受25 Gb/s 彩光模塊中所存在的產(chǎn)業(yè)鏈問題局限影響較為突出，同時(shí)由于其無源波分波道的數(shù)量有限，在實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用中推廣較為困難。最后，采用FO 承載方案進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)前傳設(shè)計(jì)，不僅進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)的方式較為靈活，而且對(duì)光纖資源的消耗和占用較少，但是其對(duì)投資建設(shè)成本的要求較高，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中對(duì)機(jī)房電源配套等要求也比較高。此外，結(jié)合當(dāng)前采用FO 承載方案進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)前傳組網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的實(shí)際情況，其在網(wǎng)絡(luò)承載能力方面，能夠通過線路側(cè)進(jìn)行100 Gb/s 的帶寬速率提供，同時(shí)在客戶側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)10多個(gè)自適應(yīng)業(yè)務(wù)端口提供，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用中需要結(jié)合其帶拉遠(yuǎn)站數(shù)量對(duì)FO 承載方案進(jìn)行合理選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)用。圖1 為三種方案的具體組網(wǎng)連接示意圖。

圖1 三種方案的具體組網(wǎng)連接示意圖

5 結(jié)論

對(duì)基于C-RAN 組網(wǎng)方式的移動(dòng)城域網(wǎng)5G 承載方案研究，有利于促進(jìn)其在實(shí)際中設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用，從而促進(jìn)面向關(guān)鍵技術(shù)的5G 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及其研究的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)用戶的通信傳輸更高需求滿足。