中國(guó)移動(dòng)C-RAN演進(jìn)
中國(guó)移動(dòng)在2009年第一次提出C-RAN的概念。從那之后,中國(guó)移動(dòng)每隔幾年發(fā)布一個(gè)C-RAN的白皮書(shū),C-RAN的概念也一直在演進(jìn)。
本文先簡(jiǎn)單介紹C-RAN技術(shù)提出的背景、愿景、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)等,接著再介紹C-RAN三個(gè)階段各自的特征,最后整理C-RAN傳輸技術(shù)。本文內(nèi)容基于參考文獻(xiàn)整理而成,具體請(qǐng)參閱第四章參考文獻(xiàn)目錄。
更多5G相關(guān)的博客請(qǐng)點(diǎn)擊:
3GPP 5G 架構(gòu)演進(jìn) http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79090480
5G NR協(xié)議棧及功能1 - 總體架構(gòu)與物理層 http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160245
5G NR協(xié)議棧及功能2 - MAC RLC PDCP SDAP http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160449
2G 3G 4G 5G基站架構(gòu)演進(jìn) http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79260357
一 C-RAN技術(shù)簡(jiǎn)介
從3G開(kāi)始,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展,用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求隨之增長(zhǎng)。用戶追求覆蓋更好、速度更快、時(shí)延更小的移動(dòng)通信服務(wù)。為了滿足用戶的需求,運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資越來(lái)越高。
1.1 背景
1. 移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商競(jìng)爭(zhēng)激烈,盈利能力降低;網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和升級(jí)無(wú)線接入網(wǎng)的支出增加
2. 基站數(shù)量巨大意味著高額的建設(shè)投資、站址配套、站址租賃以及維護(hù)費(fèi)用
3. 基站實(shí)際利用率低,網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載一般大大低于忙時(shí)負(fù)載,不同基站之間不能共享處理能力
4. 專(zhuān)用平臺(tái)意味著需要維護(hù)不兼容的平臺(tái),擴(kuò)容和升級(jí)成本較高
1.2 無(wú)線接入網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)
1. 大量基站導(dǎo)致高額能耗
2. 網(wǎng)絡(luò)的CAPEX/OPEX逐年增高
3. 低成本高容量的無(wú)線接入網(wǎng)需求
4. 潮汐效應(yīng)導(dǎo)致基站利用率低下
5. 不斷增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)核心網(wǎng)壓力巨大
在這樣的大背景下,中國(guó)移動(dòng)提出了C-RAN架構(gòu),旨在降低網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本,提升盈利能力;同時(shí),降低通信系統(tǒng)能耗,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,提高網(wǎng)絡(luò)靈活性等。
C-RAN的C有四層含義:Clean、Centralized、Cooperative和Cloud。C-RAN通過(guò)分離射頻拉遠(yuǎn)單元(Remote Radio Unit,RRU)和基帶處理單元(Building Baseband Unit,BBU),并對(duì)BBU進(jìn)行集中化和云化。也就是說(shuō)C-RAN網(wǎng)絡(luò)包含三部分:
l 由遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元和天線組成的分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
l 由高帶寬低時(shí)延的光纖或光傳輸網(wǎng)連接遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元
l 由高性能通用處理器和實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)組成的集中式基帶處理池
與傳統(tǒng)的分布式基站不同,C-RAN打破了遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元和基帶處理單元之間的固定連接關(guān)系。每個(gè)遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元不屬于任何一個(gè)基帶處理單元實(shí)體。每個(gè)遠(yuǎn)端射頻單元上發(fā)送和接收信號(hào)的處理都是在一個(gè)虛擬的基帶基站完成的,而這個(gè)虛擬基站的處理能力是由實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)分配基帶池中的部分處理器構(gòu)成的。
下面簡(jiǎn)單梳理C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。
1.3 C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
1. 降低能耗
2. 節(jié)約CAPEX和OPEX
3. 提供網(wǎng)絡(luò)容量
4. 基于負(fù)載的自適應(yīng)資源分配
5. 互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的智能減負(fù)
1.4 C-RAN面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
1. 低成本光網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)線信號(hào)
2. 先進(jìn)的協(xié)作發(fā)射/接收技術(shù)
3. 基站虛擬化技術(shù)
4. 服務(wù)面向邊緣化
二 C-RAN技術(shù)演進(jìn)
2.1 第一階段:3G階段
初期,基站主要分為兩種類(lèi)型:傳統(tǒng)一體化基站和分布式基站。傳統(tǒng)一體化基站中每個(gè)基站自成體系,基站及配套設(shè)施全部位于機(jī)房?jī)?nèi),基站通過(guò)饋線與鐵塔上的天線相連。分布式基站將基站分為兩部分,即RRU和BBU。RRU位于室外,BBU位于室內(nèi),RRU與BBU之間通過(guò)光纖連接,每個(gè)BBU可以帶多個(gè)(3-4個(gè))RRU。
C-RAN是對(duì)分布式基站的進(jìn)一步演進(jìn),將BBU處理資源集中化、開(kāi)放化和云計(jì)算化為資源池,通過(guò)高帶寬低時(shí)延的光纖或光傳輸網(wǎng)連接遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元,每個(gè)BBU能連接10-100個(gè)RRU。
如下圖所示,C-RAN初期主要討論兩個(gè)方案:方案一和方案二。
方案一從基帶處理與射頻部分分離。集中化所有基站的數(shù)字信號(hào)處理單元,包括物理層基帶處理、高層協(xié)議處理、主控及時(shí)鐘等,通過(guò)高速光纖接口連接分布式的遠(yuǎn)端射頻單元。RRH 僅負(fù)責(zé)數(shù)字-模擬變換后的射頻收發(fā)功能。其優(yōu)點(diǎn)是:升級(jí)與擴(kuò)容方便,可更好地支持多標(biāo)準(zhǔn),最大程度的資源共享,更方便支持多個(gè)基站間的協(xié)作化信號(hào)處理。其主要缺點(diǎn)是: 二者之間需要傳輸高速的I/Q 信號(hào),帶寬要求高,TD-LTE 8 天線20MHz 單載波要求10Gbps 的帶寬。
方案二從主控時(shí)鐘與基帶處理部分分離。為了降低BBU-RRH設(shè)備之間的傳輸帶寬,將基站的物理層解調(diào)譯碼等基帶信號(hào)處理部分,從集中化BBU中分離出來(lái),放到RRH中處理。
大部分3G和LTE基站設(shè)備都采用方案一。在初始化階段,也主要研究方案一。從天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字中頻模塊后,用光纖將中頻信號(hào)傳輸至基帶處理單元中。
C-RAN方案一的部署如下圖所示。
此階段,BBU和RRU之間通信采用CPRI(Common Public Radio Interface,通用公共無(wú)線電接口)接口。需要強(qiáng)調(diào)的是,CPRI接口是安裝在BBU和RRU上的,這兩個(gè)接口通過(guò)光纖連接。CPRI接入如下圖所示。CPRI數(shù)字接口包含兩種:標(biāo)準(zhǔn)的CPRI和OBSAI接口。
2.2 第二階段:LTE階段
之后,C-RAN在全球許多國(guó)家和地區(qū)得到越來(lái)越廣泛使用。但是受CPRI的限制和現(xiàn)有BBU/RRU接口帶寬要求高的影響,如果沿用CPRI進(jìn)行前傳組網(wǎng),則會(huì)限制C-RAN的大規(guī)模部署;另外,面向4.5G和5G的無(wú)線技術(shù)也對(duì)現(xiàn)有的CPRI提出了新的的挑戰(zhàn)。此外,CPRI是一種基于TDM的定速率前傳接口,即使在沒(méi)有業(yè)務(wù)負(fù)載的情況下仍有CPRI流,數(shù)據(jù)傳輸效率低。
2015年6月4日,中國(guó)移動(dòng)發(fā)布了《下一代前傳網(wǎng)絡(luò)接口(NGFI)白皮書(shū)》,提出NGFI,并列出多種可選的接口功能劃分方案。中國(guó)移動(dòng)提出NGFI旨在推動(dòng)NGFI的成熟,促進(jìn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
白皮書(shū)中提到了5種(或者說(shuō)6種)BBU和RRU分割方案:方案1’,方案1’’,方案2,方案3,方案4,和方案5。方案編號(hào)越大,對(duì)前傳接口的帶寬和時(shí)延要求越高,RRU設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單,網(wǎng)絡(luò)靈活性越高。但是未來(lái)4.5G和5G的數(shù)據(jù)速率非常高,要匯聚10-100個(gè)RRU的數(shù)據(jù)對(duì)前傳網(wǎng)絡(luò)的接口要求過(guò)大,所以可能會(huì)在網(wǎng)絡(luò)靈活性和前傳網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)延要求之間折中。
因?yàn)椴糠?/span>BBU的功能下移至RRU,BBU和RRU功能被重新定義。功能重構(gòu)后的BBU和RRU分別稱(chēng)為RCC(Radio Cloud Center,無(wú)線云中心)和RRS(Radio Remote System)。
遠(yuǎn)端射頻系統(tǒng)RSS包括:天線,RRU以及傳統(tǒng)BBU的部分基帶處理功能RAU(Radio Aggregation Unit,射頻聚合單元)等。
無(wú)線云中心RCC包含:傳統(tǒng)BBU出去RAU外剩余的功能、高層管理功能等。相比扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),引入基帶集中單元,并非引入一個(gè)高層級(jí)的網(wǎng)元,而僅僅是考慮在未來(lái)更高等級(jí)的協(xié)作化需求引入的基礎(chǔ)上,進(jìn)行BBU和RRU間的形態(tài)重構(gòu),并不影響LTE扁平化的設(shè)計(jì)。
NGFI至少應(yīng)遵循統(tǒng)計(jì)復(fù)用,載荷相關(guān)的自適應(yīng)帶寬變化、盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法、接口流量盡量與RRU天線數(shù)無(wú)關(guān)等。
2.3 第三階段:5G階段
2016年11月18日,中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合各個(gè)公司發(fā)布了《邁向5G C-RAN:需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)》白皮書(shū)。該白皮書(shū)中主要提到兩點(diǎn):
1. 在無(wú)線資源虛擬化中引入NFV(Network Function Virtualization,網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)和SDN(Software Defined Network,軟件定義網(wǎng)絡(luò))
2. 5G網(wǎng)絡(luò)中BBU功能進(jìn)一步切分為CU(Central Unit)和DU(Distributed Unit)
CU和DU功能的切分以處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分:CU設(shè)備主要包含非實(shí)時(shí)性的無(wú)線高層協(xié)議棧功能,同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能下層和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署;而DU設(shè)備主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需要的層2功能?紤]節(jié)省RRU和DU之間的傳輸資源,部分物理層功能也可上移至RRU實(shí)現(xiàn)。
從具體的實(shí)現(xiàn)方案上,CU設(shè)備采用通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn),這樣不僅可支持無(wú)線網(wǎng)功能,也具備了支持核心網(wǎng)功能和邊緣應(yīng)用的能力,DU設(shè)備可采用專(zhuān)用設(shè)備平臺(tái)或通用+專(zhuān)用混合平臺(tái)實(shí)現(xiàn),支持高密度數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV框架后,在管理編排器MANO(Management and Orchestration)的統(tǒng)一管理和編排下,配合網(wǎng)絡(luò)SDN控制器和傳統(tǒng)的操作維護(hù)中心OMC(Operating and Maintenance Center)功能組件,可實(shí)現(xiàn)包括CU/DU在內(nèi)的端到端靈活資源編排能力和配置能力,滿足運(yùn)營(yíng)商快速按需的業(yè)務(wù)部署需求。
在4G網(wǎng)絡(luò)中,C-RAN相當(dāng)于BBU、RRU 2層架構(gòu);在5G系統(tǒng)中,相當(dāng)于CU、DU和RRU 3層架構(gòu)。
5G部署實(shí)例如下圖所示。
三 C-RAN傳輸技術(shù)
3.1 光纖直驅(qū)
光纖直驅(qū)是指CPRI 光口之間采用光纖進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,是傳統(tǒng)分布式基站的典型承載
方式,包括白光直驅(qū)、級(jí)聯(lián)的白光直驅(qū)和彩光直驅(qū)三種方式。白光直驅(qū)方案的優(yōu)點(diǎn)在于可滿足C-RAN 傳輸?shù)念l率抖動(dòng)和帶寬要求等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,光模塊成熟且成本低;缺點(diǎn)在于占用光纖資源較多。由于傳輸鏈路中沒(méi)有傳輸設(shè)備,白光直驅(qū)的OAM、保護(hù)等需要借助CPRI 協(xié)議實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)方式和保護(hù)程度較簡(jiǎn)單,短距離傳輸時(shí)基本能夠滿足要求。因此,白光直驅(qū)方案的適用場(chǎng)景為光纖資源豐富的短距離C-RAN 傳輸。
級(jí)聯(lián)的白光直驅(qū)方案,多個(gè)站址共用一對(duì)光纖,相比白光直驅(qū)方案而言可大大節(jié)省傳輸?shù)墓饫w資源,同時(shí)可基本滿足C-RAN 傳輸?shù)臅r(shí)延抖動(dòng)、頻率抖動(dòng)等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求(需采用專(zhuān)用測(cè)試儀表測(cè)試驗(yàn)證),白光光模塊成本相對(duì)較低。如同白光直驅(qū),級(jí)聯(lián)的白光直驅(qū)由于沒(méi)有傳輸設(shè)備,其依靠CPRI 協(xié)議實(shí)現(xiàn)C-RAN 傳輸?shù)?/span>OAM、保護(hù)等機(jī)制比較簡(jiǎn)單,級(jí)聯(lián)站址較多時(shí)需要進(jìn)一步增強(qiáng)故障定位、性能檢測(cè)和保護(hù)倒換能力等。對(duì)于GSM C-RAN,現(xiàn)網(wǎng)大量超過(guò)6 個(gè)站址的接入環(huán)采用18 級(jí)級(jí)聯(lián)的白光直驅(qū)方案時(shí)需要進(jìn)行重疊組網(wǎng),這種方式將新增光纖消耗,例如原有7~12 個(gè)站址(每站址3 個(gè)RRU)接入環(huán)將多占用一對(duì)光纖。
彩光直驅(qū)采用波分復(fù)用技術(shù)將多個(gè)RRU信號(hào)以不同波長(zhǎng)承載復(fù)用到一對(duì)光纖傳輸,占用光纖資源較少,同時(shí)也可滿足短距離C-RAN傳輸?shù)念l率抖動(dòng)和帶寬要求等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。彩光直驅(qū)的劣勢(shì)是成本相對(duì)較高,產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)不成熟。另外,由于每個(gè)RRU占用不同波長(zhǎng),實(shí)際部署時(shí)RRU的選擇與布放應(yīng)提前做好規(guī)劃,彩光直驅(qū)涉及波長(zhǎng)數(shù)較多時(shí),建設(shè)和維護(hù)難度較大。
3.2 OTN/WDM
通過(guò)WDM在一對(duì)光纖中實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)RRU的承載,并引入OTN的封裝、管理和保護(hù)機(jī)制。OTN/WDM方案需要BBU側(cè)和RRU側(cè)配置OTN/WDM設(shè)備,這些設(shè)備多需要配備相應(yīng)的電源、散熱裝置(為室內(nèi)型),因此需要放置在機(jī)房中。目前有部分廠家開(kāi)發(fā)不需要機(jī)房的室外OTN/WDM設(shè)備(放裝在遠(yuǎn)端電源柜內(nèi)),但尚具備規(guī)模商用條件,需進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性、穩(wěn)定性等相關(guān)性能。
OTN/WDM方案采用波分復(fù)用技術(shù)在一對(duì)光纖中實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)RRU的信息傳輸,一對(duì)光纖可支持十幾個(gè)甚至幾十個(gè)基站,占用光纖資源少。OTN/WDM方案CPRI鏈路的OAM、保護(hù)和運(yùn)維等機(jī)制由OTN/WDM設(shè)備實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)機(jī)制比較完善,能夠滿足50ms的保護(hù)倒換要求。此外,OTN/WDM傳輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈比較成熟,可同時(shí)承載C-RAN和其它類(lèi)型業(yè)務(wù)。但將OTN/WDM用于C-RAN傳輸,同樣具備一定的劣勢(shì)。首先是設(shè)備成本高,10G OUT價(jià)格在3.5萬(wàn)元以上,對(duì)部署成本敏感的接入層網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)構(gòu)成極大挑戰(zhàn);其次,目前一對(duì)OTN/WDM設(shè)備的電處理基本可滿足0.002ppm頻率抖動(dòng)指標(biāo),但尚需進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證,多個(gè)級(jí)聯(lián)的OTN/WDM 設(shè)備均采用電處理時(shí)難以滿足頻率抖動(dòng)要求,需要改造現(xiàn)有OTN/WDM 設(shè)備芯片。
3.3 UniPON
UniPON 是指結(jié)合WDM 和PON 技術(shù),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。UniPON 用于C-RAN 傳輸,同樣需要OTN/WDM 設(shè)備下沉到接入層,BBU 側(cè)和RRU 側(cè)分別配置OTN/WDM 設(shè)備。UniPON 的優(yōu)勢(shì)在于可與PON 技術(shù)共用光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)光纜網(wǎng)絡(luò),物理上通過(guò)OTN/WDM 設(shè)備實(shí)現(xiàn)BBU 基帶池到多個(gè)RRU 之間的傳輸,可支持十幾個(gè)基站10km 以內(nèi)的傳輸距離,適用于傳輸距離較短、覆蓋范圍較小的C-RAN 應(yīng)用場(chǎng)景。UniPON 的傳輸性能指標(biāo)與OTN/WDM 類(lèi)同,目前已具備演示環(huán)境,但設(shè)備商用尚需推動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步成熟。
綜合上述分析,C-RAN 傳輸?shù)拿恳环N傳輸方案都有其各自實(shí)現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn),需要進(jìn)一步研究技術(shù)方案并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈成熟。對(duì)于GSM C-RAN,級(jí)聯(lián)的白光直驅(qū)方案可用于小于6 個(gè)基站的環(huán)網(wǎng)或短鏈,但后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)完善其OAM 和保護(hù)機(jī)制。對(duì)于TD-SCDMA 和TD-LTE C-RAN,白光直驅(qū)方案可滿足短距離傳輸需求但光纖資源消耗很大,彩光直驅(qū)受限于傳輸距離和基站數(shù)量,并對(duì)建設(shè)、備品備件等運(yùn)營(yíng)維護(hù)提出一定挑戰(zhàn),OTN 和UniPON技術(shù)受限于成本和產(chǎn)業(yè)鏈,需要推動(dòng)適用于傳輸CPRI 信號(hào)的相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)成熟。
四 參考文獻(xiàn)
1. 中國(guó)移動(dòng)發(fā)布的各個(gè)版本的C-RAN白皮書(shū),包括:
《C-RAN 無(wú)線接入網(wǎng)綠色演進(jìn)》
《邁向5G C-RAN:需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)》
《下一代前傳網(wǎng)絡(luò)接口》
2. 王世光,張德朝,李晗等, 《C-RAN傳輸技術(shù)解決方案與現(xiàn)狀分析》,中國(guó)移動(dòng)通信研究院
3. http://www.baike.com/wiki/CPRI
4. http://labs.bigcloudsys.cn/pc/portal/index.html#/sidebar/materials
[[i] 本帖最后由 weixingguang 于 2018-2-5 17:44 編輯 [/i]]