中國移動C-RAN演進

中國移動在2009年第一次提出C-RAN的概念。從那之后，中國移動每隔幾年發(fā)布一個C-RAN的白皮書，C-RAN的概念也一直在演進。

本文先簡單介紹C-RAN技術提出的背景、愿景、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)等，接著再介紹C-RAN三個階段各自的特征，最后整理C-RAN傳輸技術。本文內(nèi)容基于參考文獻整理而成，具體請參閱第四章參考文獻目錄。

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一 C-RAN技術簡介

從3G開始，移動互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求隨之增長。用戶追求覆蓋更好、速度更快、時延更小的移動通信服務。為了滿足用戶的需求，運營商網(wǎng)絡建設的投資越來越高。

1.1 背景

1.      移動運營商競爭激烈，盈利能力降低；網(wǎng)絡建設、運營和升級無線接入網(wǎng)的支出增加

2.      基站數(shù)量巨大意味著高額的建設投資、站址配套、站址租賃以及維護費用

3.      基站實際利用率低，網(wǎng)絡平均負載一般大大低于忙時負載，不同基站之間不能共享處理能力

4.      專用平臺意味著需要維護不兼容的平臺，擴容和升級成本較高

1.2 無線接入網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

1.      大量基站導致高額能耗

2.      網(wǎng)絡的CAPEX/OPEX逐年增高

3.      低成本高容量的無線接入網(wǎng)需求

4.      潮汐效應導致基站利用率低下

5.      不斷增長的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對核心網(wǎng)壓力巨大

在這樣的大背景下，中國移動提出了C-RAN架構，旨在降低網(wǎng)絡部署和維護成本，提升盈利能力；同時，降低通信系統(tǒng)能耗，提高網(wǎng)絡資源利用率，提高網(wǎng)絡靈活性等。

C-RAN的C有四層含義：Clean、Centralized、Cooperative和Cloud。C-RAN通過分離射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）和基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU），并對BBU進行集中化和云化。也就是說C-RAN網(wǎng)絡包含三部分：

l  由遠端無線射頻單元和天線組成的分布式無線網(wǎng)絡

l  由高帶寬低時延的光纖或光傳輸網(wǎng)連接遠端無線射頻單元

l  由高性能通用處理器和實時虛擬技術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打破了遠端無線射頻單元和基帶處理單元之間的固定連接關系。每個遠端無線射頻單元不屬于任何一個基帶處理單元實體。每個遠端射頻單元上發(fā)送和接收信號的處理都是在一個虛擬的基帶基站完成的，而這個虛擬基站的處理能力是由實時虛擬技術分配基帶池中的部分處理器構成的。

下面簡單梳理C-RAN架構的優(yōu)勢和面臨的技術挑戰(zhàn)。

1.3 C-RAN架構的優(yōu)勢

1.      降低能耗

2.      節(jié)約CAPEX和OPEX

3.      提供網(wǎng)絡容量

4.      基于負載的自適應資源分配

5.      互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的智能減負

1.4 C-RAN面臨的技術挑戰(zhàn)

1.      低成本光網(wǎng)絡傳輸無線信號

2.      先進的協(xié)作發(fā)射/接收技術

3.      基站虛擬化技術

4.      服務面向邊緣化

二 C-RAN技術演進

2.1 第一階段：3G階段

初期，基站主要分為兩種類型：傳統(tǒng)一體化基站和分布式基站。傳統(tǒng)一體化基站中每個基站自成體系，基站及配套設施全部位于機房內(nèi)，基站通過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之間通過光纖連接，每個BBU可以帶多個（3-4個）RRU。

C-RAN是對分布式基站的進一步演進，將BBU處理資源集中化、開放化和云計算化為資源池，通過高帶寬低時延的光纖或光傳輸網(wǎng)連接遠端無線射頻單元，每個BBU能連接10-100個RRU。

       如下圖所示，C-RAN初期主要討論兩個方案：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)字信號處理單元，包括物理層基帶處理、高層協(xié)議處理、主控及時鐘等，通過高速光纖接口連接分布式的遠端射頻單元。RRH 僅負責數(shù)字-模擬變換后的射頻收發(fā)功能。其優(yōu)點是：升級與擴容方便，可更好地支持多標準，最大程度的資源共享，更方便支持多個基站間的協(xié)作化信號處理。其主要缺點是： 二者之間需要傳輸高速的I/Q 信號，帶寬要求高，TD-LTE 8 天線20MHz 單載波要求10Gbps 的帶寬。

方案二從主控時鐘與基帶處理部分分離。為了降低BBU-RRH設備之間的傳輸帶寬，將基站的物理層解調(diào)譯碼等基帶信號處理部分，從集中化BBU中分離出來，放到RRH中處理。

大部分3G和LTE基站設備都采用方案一。在初始化階段，也主要研究方案一。從天線接收的信號經(jīng)過數(shù)字中頻模塊后，用光纖將中頻信號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，通用公共無線電接口）接口。需要強調(diào)的是，CPRI接口是安裝在BBU和RRU上的，這兩個接口通過光纖連接。CPRI接入如下圖所示。CPRI數(shù)字接口包含兩種：標準的CPRI和OBSAI接口。

2.2 第二階段：LTE階段

之后，C-RAN在全球許多國家和地區(qū)得到越來越廣泛使用。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進行前傳組網(wǎng)，則會限制C-RAN的大規(guī)模部署；另外，面向4.5G和5G的無線技術也對現(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，即使在沒有業(yè)務負載的情況下仍有CPRI流，數(shù)據(jù)傳輸效率低。

2015年6月4日，中國移動發(fā)布了《下一代前傳網(wǎng)絡接口（NGFI）白皮書》，提出NGFI，并列出多種可選的接口功能劃分方案。中國移動提出NGFI旨在推動NGFI的成熟，促進無線網(wǎng)絡的發(fā)展。

白皮書中提到了5種（或者說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。方案編號越大，對前傳接口的帶寬和時延要求越高，RRU設計越簡單，網(wǎng)絡靈活性越高。但是未來4.5G和5G的數(shù)據(jù)速率非常高，要匯聚10-100個RRU的數(shù)據(jù)對前傳網(wǎng)絡的接口要求過大，所以可能會在網(wǎng)絡靈活性和前傳網(wǎng)絡帶寬時延要求之間折中。

因為部分BBU的功能下移至RRU，BBU和RRU功能被重新定義。功能重構后的BBU和RRU分別稱為RCC（Radio Cloud Center，無線云中心）和RRS（Radio Remote System）。

遠端射頻系統(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)絡設計，引入基帶集中單元，并非引入一個高層級的網(wǎng)元，而僅僅是考慮在未來更高等級的協(xié)作化需求引入的基礎上，進行BBU和RRU間的形態(tài)重構，并不影響LTE扁平化的設計。

NGFI至少應遵循統(tǒng)計復用，載荷相關的自適應帶寬變化、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)無關等。

2.3 第三階段：5G階段

2016年11月18日，中國移動聯(lián)合各個公司發(fā)布了《邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰(zhàn)》白皮書。該白皮書中主要提到兩點：

1.      在無線資源虛擬化中引入NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化）和SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡）

2.      5G網(wǎng)絡中BBU功能進一步切分為CU（Central Unit）和DU（Distributed Unit）

CU和DU功能的切分以處理內(nèi)容的實時性進行區(qū)分：CU設備主要包含非實時性的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下層和邊緣應用業(yè)務的部署；而DU設備主要處理物理層功能和實時性需要的層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實現(xiàn)。

從具體的實現(xiàn)方案上，CU設備采用通用平臺實現(xiàn)，這樣不僅可支持無線網(wǎng)功能，也具備了支持核心網(wǎng)功能和邊緣應用的能力，DU設備可采用專用設備平臺或通用+專用混合平臺實現(xiàn)，支持高密度數(shù)學運算能力。引入網(wǎng)絡功能虛擬化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SDN控制器和傳統(tǒng)的操作維護中心OMC（Operating and Maintenance Center）功能組件，可實現(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，滿足運營商快速按需的業(yè)務部署需求。

在4G網(wǎng)絡中，C-RAN相當于BBU、RRU 2層架構；在5G系統(tǒng)中，相當于CU、DU和RRU 3層架構。

5G部署實例如下圖所示。

三 C-RAN傳輸技術

3.1 光纖直驅(qū)

光纖直驅(qū)是指CPRI 光口之間采用光纖進行點對點傳輸，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)點在于可滿足C-RAN 傳輸?shù)念l率抖動和帶寬要求等各項技術指標要求，點對點的組網(wǎng)結(jié)構簡單，光模塊成熟且成本低；缺點在于占用光纖資源較多。由于傳輸鏈路中沒有傳輸設備，白光直驅(qū)的OAM、保護等需要借助CPRI 協(xié)議實現(xiàn)，實現(xiàn)方式和保護程度較簡單，短距離傳輸時基本能夠滿足要求。因此，白光直驅(qū)方案的適用場景為光纖資源豐富的短距離C-RAN 傳輸。

級聯(lián)的白光直驅(qū)方案，多個站址共用一對光纖，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，同時可基本滿足C-RAN 傳輸?shù)臅r延抖動、頻率抖動等各項技術指標要求（需采用專用測試儀表測試驗證），白光光模塊成本相對較低。如同白光直驅(qū)，級聯(lián)的白光直驅(qū)由于沒有傳輸設備，其依靠CPRI 協(xié)議實現(xiàn)C-RAN 傳輸?shù)?/span>OAM、保護等機制比較簡單，級聯(lián)站址較多時需要進一步增強故障定位、性能檢測和保護倒換能力等。對于GSM C-RAN，現(xiàn)網(wǎng)大量超過6 個站址的接入環(huán)采用18 級級聯(lián)的白光直驅(qū)方案時需要進行重疊組網(wǎng)，這種方式將新增光纖消耗，例如原有7~12 個站址（每站址3 個RRU）接入環(huán)將多占用一對光纖。

彩光直驅(qū)采用波分復用技術將多個RRU信號以不同波長承載復用到一對光纖傳輸，占用光纖資源較少，同時也可滿足短距離C-RAN傳輸?shù)念l率抖動和帶寬要求等各項技術指標要求。彩光直驅(qū)的劣勢是成本相對較高，產(chǎn)業(yè)鏈相對不成熟。另外，由于每個RRU占用不同波長，實際部署時RRU的選擇與布放應提前做好規(guī)劃，彩光直驅(qū)涉及波長數(shù)較多時，建設和維護難度較大。

3.2 OTN/WDM

通過WDM在一對光纖中實現(xiàn)對多個RRU的承載，并引入OTN的封裝、管理和保護機制。OTN/WDM方案需要BBU側(cè)和RRU側(cè)配置OTN/WDM設備，這些設備多需要配備相應的電源、散熱裝置（為室內(nèi)型），因此需要放置在機房中。目前有部分廠家開發(fā)不需要機房的室外OTN/WDM設備（放裝在遠端電源柜內(nèi)），但尚具備規(guī)模商用條件，需進一步驗證其可靠性、穩(wěn)定性等相關性能。

OTN/WDM方案采用波分復用技術在一對光纖中實現(xiàn)對多個RRU的信息傳輸，一對光纖可支持十幾個甚至幾十個基站，占用光纖資源少。OTN/WDM方案CPRI鏈路的OAM、保護和運維等機制由OTN/WDM設備實現(xiàn)，實現(xiàn)機制比較完善，能夠滿足50ms的保護倒換要求。此外，OTN/WDM傳輸設備產(chǎn)業(yè)鏈比較成熟，可同時承載C-RAN和其它類型業(yè)務。但將OTN/WDM用于C-RAN傳輸，同樣具備一定的劣勢。首先是設備成本高，10G OUT價格在3.5萬元以上，對部署成本敏感的接入層網(wǎng)絡來說構成極大挑戰(zhàn)；其次，目前一對OTN/WDM設備的電處理基本可滿足0.002ppm頻率抖動指標，但尚需進一步測試驗證，多個級聯(lián)的OTN/WDM 設備均采用電處理時難以滿足頻率抖動要求，需要改造現(xiàn)有OTN/WDM 設備芯片。

3.3 UniPON

UniPON 是指結(jié)合WDM 和PON 技術，實現(xiàn)點對多點傳輸。UniPON 用于C-RAN 傳輸，同樣需要OTN/WDM 設備下沉到接入層，BBU 側(cè)和RRU 側(cè)分別配置OTN/WDM 設備。UniPON 的優(yōu)勢在于可與PON 技術共用光分配網(wǎng)絡（ODN）光纜網(wǎng)絡，物理上通過OTN/WDM 設備實現(xiàn)BBU 基帶池到多個RRU 之間的傳輸，可支持十幾個基站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 應用場景。UniPON 的傳輸性能指標與OTN/WDM 類同，目前已具備演示環(huán)境，但設備商用尚需推動技術和產(chǎn)業(yè)鏈進一步成熟。

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現(xiàn)的優(yōu)缺點，需要進一步研究技術方案并推動產(chǎn)業(yè)鏈成熟。對于GSM C-RAN，級聯(lián)的白光直驅(qū)方案可用于小于6 個基站的環(huán)網(wǎng)或短鏈，但后續(xù)應進一步推進完善其OAM 和保護機制。對于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，并對建設、備品備件等運營維護提出一定挑戰(zhàn)，OTN 和UniPON技術受限于成本和產(chǎn)業(yè)鏈，需要推動適用于傳輸CPRI 信號的相關技術研究和產(chǎn)業(yè)成熟。

四 參考文獻

1.      中國移動發(fā)布的各個版本的C-RAN白皮書，包括：

       《C-RAN 無線接入網(wǎng)綠色演進》

       《邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰(zhàn)》

       《下一代前傳網(wǎng)絡接口》

2.      王世光，張德朝，李晗等, 《C-RAN傳輸技術解決方案與現(xiàn)狀分析》，中國移動通信研究院

3.      http://www.baike.com/wiki/CPRI

4.      http://labs.bigcloudsys.cn/pc/portal/index.html#/sidebar/materials