面向4/5G C-RAN組網(wǎng)的機房集中半徑方案研究

摘要：本文研究5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中C-RAN架構(gòu)的優(yōu)化部署問題。首先分析了不同區(qū)域類型中集中站點數(shù)量與前傳光纜長度的最佳配置，并提出了基于集中半徑的C-RAN組網(wǎng)模型，然后，設(shè)計了一種基站交叉集中組網(wǎng)策略，通過4/5G分離集中方案，增強了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可靠性，降低了單點故障風(fēng)險。這些方案為C-RAN的規(guī)劃和優(yōu)化提供了有效指導(dǎo)，有助于保障網(wǎng)絡(luò)的高效益和高可靠性。

關(guān)鍵詞：5G；C-RAN；集中機房

一、 引言

隨著5G基站的迅速部署，2G、4G和5G網(wǎng)絡(luò)并存構(gòu)筑了一個復(fù)雜的通信環(huán)境，對網(wǎng)絡(luò)運營維護成本帶來極大挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的分布式無線接入網(wǎng)（Distributed Radio Access Network，D-RAN）架構(gòu)在投資與成本控制方面面臨難以逾越的難題。集中化無線接入網(wǎng)（Centralized Radio Access Network，C-RAN）作為一種革命性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過將基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）進行集中部署，實現(xiàn)了資源共享、協(xié)作處理和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，對于提高網(wǎng)絡(luò)效率和降低運營成本具有顯著意義。

C-RAN架構(gòu)的實施也對機房布局提出了新的要求。如何實現(xiàn)BBU合理集中部署，同時解決前傳光纜數(shù)量增加、能耗控制、網(wǎng)絡(luò)安全性等問題，是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，許多研究文獻在探討B(tài)BU集中部署時，僅按照機房的承載能力和網(wǎng)絡(luò)安全性來簡單決定BBU的部署數(shù)量[1-2]，對BBU集中與RRU（Remote Radio Unit，遠程射頻單元）之間的光纜距離規(guī)劃缺乏具體的指導(dǎo)性建議。雖然有文獻考慮到了光纜的距離因素，但其主要聚焦于4G基站場景下BBU集中數(shù)量的討論，缺少對5G場景DU（Distribute Unit，分布單元）與AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）前傳網(wǎng)絡(luò)的探討[3]。另一篇文獻雖然考慮了無源波分復(fù)用的場景，但對光纜連接距離的具體場景并未進行深入分析[4]。

針對上述現(xiàn)狀，本研究致力于未來4/5G C-RAN目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，重點關(guān)注對集中式機房BBU/DU部署的效益分析和交叉組網(wǎng)的安全性評估，從而為不同網(wǎng)絡(luò)場景提出合理的C-RAN解決方案。

二、 C-RAN和D-RAN組網(wǎng)對比

在C-RAN架構(gòu)下，通過將多個BBU或DU集中部署在一個中心機房（也稱集中機房），形成一個BBU/DU池。接入層SPN（Slicing Packet Network，切片分組網(wǎng)）也部署在同一集中機房，從而實現(xiàn)機房和硬件資源的共享，并顯著提升了資源利用率，降低了資本開支。然而，C-RAN架構(gòu)對前傳網(wǎng)絡(luò)有較高要求，這增加了傳輸成本和部署的復(fù)雜度。同時，BBU或DU的集中化布局也帶來了單點故障的風(fēng)險。一旦集中機房出現(xiàn)故障，影響范圍較廣，因此對機房硬件條件和前傳光纜的網(wǎng)絡(luò)布局有更高的要求。

在D-RAN架構(gòu)下，每個基站獨立部署，并配有各自的接入層SPN設(shè)備。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，部署過程相對簡單，但設(shè)備投資成本較高。由于BBU或DU是分散化的，單個基站的故障只會影響局部區(qū)域，但每個基站都需要獨立管理和維護，使得維護成本相應(yīng)增加。

綜合比較C-RAN與D-RAN的特點，C-RAN更適用于那些大規(guī)模、高密度的城市區(qū)域，其高效資源共享和較低資金投入的優(yōu)勢可以充分發(fā)揮。而D-RAN則更適用于網(wǎng)絡(luò)需求相對穩(wěn)定、站點分布較為稀疏的場景，其清晰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、對局部影響的控制的優(yōu)勢可以得到充分的發(fā)揮。

三、機房集中方案

（一）基站頻段與站間距

隨著2G網(wǎng)絡(luò)逐步退網(wǎng)，僅剩下4G和5G雙網(wǎng)。C-RAN規(guī)劃要做好對4/5G的整體兼顧。表1提供了4G和5G覆蓋型宏基站的站間距數(shù)據(jù)。其中，5G宏基站頻段2.6GHz與頻段700MHz的站間距涵蓋了頻段1800MHz/900MHz。基于這樣的數(shù)據(jù)，C-RAN建設(shè)應(yīng)當(dāng)以5G為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)從4G向5G C-RAN的平滑演進。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上地區(qū)，由于頻段2.6GHz的站點規(guī)模大于頻段700MHz的站點規(guī)模，因此，在規(guī)劃集中式機房站點數(shù)量時，應(yīng)優(yōu)先考慮頻段2.6GHz的覆蓋需求。而在農(nóng)村地區(qū)，由于頻段700MHz的覆蓋更為關(guān)鍵，因此，規(guī)劃時應(yīng)以700MHz的覆蓋需求為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

（二）基站分布模型

在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，一般將每個基站劃分為三個扇區(qū)（對應(yīng)小區(qū)半徑R），每個扇區(qū)覆蓋的區(qū)域近似于一個正六邊形區(qū)域。這樣，單個基站的覆蓋面積可以等效為三個正六邊形的總面積。基于這種模型，以某個基站作為C-RAN集中機房的中心點，可以確定周圍基站的分布情況。

根據(jù)圖1所示的基站分布模型，S=D時平均分布著6個基站，Slt;=1.62D時平均分布著12個基站，Slt;=2D時平均分布著18個基站。

（三） C-RAN和D-RAN效益對比

為評估C-RAN和D-RAN在部署和維護方面的成本差異，從硬件投資、管線投資、運營支出等方面，比較不同規(guī)模部署下的成本效益對比。

在硬件投資方面，根據(jù)表2提供的設(shè)備預(yù)估價，在C-RAN場景下，模型1與模型2的差異主要在于10GE端口數(shù)量，所以總體價格差異不大。考慮到4/5G的集中需求，選擇模型1進行成本效益比較。而在D-RAN場景下，模型3與模型4的主要差異在于是否采用50G組網(wǎng)。鑒于2.6G頻段的5G建設(shè)主要以10GE/25GE組網(wǎng)為主，因此選擇模型3作為比較基準(zhǔn)。在部分小容量場景下，則可采用模型4。

在管線投資方面，D-RAN和C-RAN的差異主要體現(xiàn)在前傳光纖光纜建設(shè)上。D-RAN采用的是分布式DU配置，DU與AAU共址，通常可以利用現(xiàn)有資源，纖芯大約占用1/2芯用于設(shè)備組網(wǎng)。C-RAN采用集中式配置，DU與AAU異址，需要更多的前傳光纖來連接。在普通雙纖模式下，三個扇區(qū)的站點需6芯。考慮到4/5G宏站的傳送需求，纖芯需要36芯[5]。C-RAN對光纜網(wǎng)主干配線資源的消耗較大，需新建或擴容光纜的概率高。按照評估，C-RAN場景下新建48芯光纜進行評估，假定建設(shè)前傳光纜長度為L米，造價為1.5萬元/公里，一個站的前傳光纜投資為0.0015L萬元。

在運營支出方面，設(shè)備耗電情況是重要的考慮因素。考慮5年回收期，電價0.7元/度，C-RAN組網(wǎng)只涉及1臺SPN設(shè)備，單臺設(shè)備功耗0.4kW，C-RAN 5年設(shè)備功耗費用為1.2264萬元。D-RAN組網(wǎng)將根據(jù)集中DU數(shù)量而變化，假定集中站點數(shù)為N個，則需建設(shè)N臺SPN設(shè)備，單臺設(shè)備功耗0.2kW，D-RAN 5年設(shè)備功耗費用為0.6132N萬元。

綜合上述三方面，C-RAN與D-RAN組網(wǎng)在不同規(guī)模部署下投入如表3，投入公式為：

C-RAN總投入=1臺設(shè)備投資+N條前傳光纜投資+1臺設(shè)備電費=5.3564+0.0015LN；D-RAN總投入=N臺設(shè)備投資+N臺設(shè)備電費=3.1532N；C-RAN節(jié)省投資=C-RAN總投入-D-RAN總投入=5.3564+0.0015LN-3.1532N。

當(dāng)C-RAN節(jié)省投資小于0時，C-RAN組網(wǎng)效益將優(yōu)于D-RAN組網(wǎng)。當(dāng)前傳光纜長度不變時，集中站點數(shù)Ngt;=3開始產(chǎn)生效益。隨著集中站點數(shù)N的增加，C-RAN相較D-RAN節(jié)省投資就越多。當(dāng)集中站點數(shù)不變時，隨著前傳光纜長度L的減少，節(jié)省的投資逐步減少。因此，C-RAN組網(wǎng)效益最佳的范圍是集中站點數(shù)N較多、前傳光纜長度L較短。

（四） C-RAN機房集中半徑

臨界距離指的是在C-RAN和D-RAN總投入相同的條件下，前傳光纜可以承受的最大長度，如圖3所示。考慮到實際情況，集中半徑不大于前傳光纜路由距離2/3倍，隨著集中站點數(shù)N增長，臨界距離變化越來越小。

結(jié)合圖1的基站平均分布模型，當(dāng)N=18時，臨界距離S=1266米，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上的4/5G站點均在范圍內(nèi)，當(dāng)N=18時，對于不同區(qū)域的建議集中半徑如下：

1.對于頻段2.6GHz密集市區(qū)，建議將集中半徑控制在900米以內(nèi)。

2.對于一般城區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，建議將集中半徑控制在1100米以內(nèi)。

而對于農(nóng)村頻段700MHz的站點，當(dāng)N=6時，站間距為“1000米-1500米”，與“集中半徑1002米-前傳光纜長度1503米”的范圍相當(dāng)。由于隨著集中半徑大于1503米，可集中站點數(shù)增長較少，效益出現(xiàn)負(fù)增長，因此對于農(nóng)村區(qū)域建議集中半徑如下：

1.建議集中臨近3至6個站點。

2.建議集中半徑控制在1500米以內(nèi)。當(dāng)集中半徑超過1503米時，宜結(jié)合無源波分技術(shù)來彌補新建前傳光纜的費用，以實現(xiàn)更好的效益。

四、C-RAN組網(wǎng)優(yōu)化

（一） 劃分C-RAN網(wǎng)格

在規(guī)劃C-RAN網(wǎng)格時，需要綜合考慮多個因素，包括綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)、傳輸微網(wǎng)格、集中機房資源分布、無線基站分布等。以下是劃分C-RAN網(wǎng)格的步驟：

1.以集中機房作為中心點，劃分為一個網(wǎng)絡(luò)。按照“城區(qū)－鄉(xiāng)鎮(zhèn)－農(nóng)村”的順序，對不同區(qū)域類型的集中半徑進行范圍圈定。考慮無線新址站點等需求，圈定集中站點數(shù)量應(yīng)不大于15個。

2.基于綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)和傳輸微網(wǎng)格邊界，在進行C-RAN 網(wǎng)格劃分時，原則上不能跨行政區(qū)、不能跨綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)、不能拆分傳輸微網(wǎng)格。應(yīng)確保各個網(wǎng)格之間能夠無縫融合，不存在交集。

（二） 交叉集中組網(wǎng)

在部署C-RAN后，確實存在業(yè)務(wù)大規(guī)模集中導(dǎo)致4/5G相互容災(zāi)備份機制失效的問題。為了提升網(wǎng)絡(luò)的安全性，需要從前傳方案、集中機房保障等多方面綜合考慮。本文設(shè)計了一種基站交叉集中組網(wǎng)策略，通過4/5G分離集中方案來提高C-RAN網(wǎng)格內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的安全性，降低單點失效的風(fēng)險。具體實施步驟如下：

1.對于每個C-RAN網(wǎng)格，選擇部分基站與鄰近的多個C-RAN網(wǎng)格進行交叉集中組網(wǎng)，實現(xiàn)基站雙路由組網(wǎng)。這樣可以在一個集中機房發(fā)生故障時，至少保證有一個頻段能夠全面覆蓋該C-RAN網(wǎng)格區(qū)域。

2.根據(jù)站間距分析，鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上700MHz頻段是2.6G頻段覆蓋半徑的1.44～1.81倍。假定每個基站同時部署了700MHz和2.6GHz頻段，交叉覆蓋區(qū)域?qū)⑹?.6GHz與700MHz互補，未有交叉覆蓋區(qū)域需進行優(yōu)化。

3.采用4/5G分離集中方案，優(yōu)先以覆蓋范圍較大的頻段進行交叉集中組網(wǎng)。本方案優(yōu)先以700MHz頻段進行交叉集中組網(wǎng)，其次是4G頻段。

4.由于現(xiàn)網(wǎng)物理路由/邊界分布并不是規(guī)則的形狀，因此，在C-RAN網(wǎng)格規(guī)劃之后，部分基站已經(jīng)存在不同頻率交叉覆蓋的場景。為了更好地減少交叉集中組網(wǎng)數(shù)量，結(jié)合4/5G所有頻段覆蓋范圍圖，相鄰的兩個C-RAN網(wǎng)格無交叉覆蓋的區(qū)域，4/5G頻段應(yīng)適當(dāng)進行交叉處理。

五、 結(jié)束語

本文通過分析C-RAN在不同場景下的部署方案和成本效益，確定C-RAN組網(wǎng)的集中半徑。在考慮網(wǎng)絡(luò)安全性的基礎(chǔ)上，建議采用交叉集中組網(wǎng)及4/5G分離集中方案，以降低單點失效風(fēng)險并提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可靠性。此方案為C-RAN規(guī)劃建設(shè)提供了均衡成本與效能、提升網(wǎng)絡(luò)韌性的有效途徑。

作者單位：趙汝威 中國移動通信集團廣東有限公司江門分公司

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