面向5G通信网络承载方案的探讨

摘要：随着4G网络的部署，前传网络的光纤资源消耗过多的问题愈加凸显。传统通过无源波分设备WDM和CPRI压缩技术虽然在一定程度上解决了传输资源问题，但是面向5g通信，为了满足高带宽、低时延、协作绿色节能化和无线云化等要求，这就需要传输网络架构也随之调整。通过对传统基于CPRI承载方案研究和各承载方案的性能指标对比分析，并结合现有设备的能力要求，提出了一种新的能满足前传需求的承载方案，进一步提升传输网络中的光纤利用率。

关键词：5G通信 IP RAN网络 C-RAN 绿色智能通信 CoP

1 引言

随着移动互联网及物联网技术的发展，信息通信将成为维持整个社会生态系统正常运转的信息大动脉[1]。移动通信凭借其应用之广和接入之便，其应用将不再局限于人与人的沟通，而可能发展到人与物的沟通，甚至是物与物的通信。4G正在大规模建设，5G通信技术的研发也已迈入了重要阶段。5G通信以以下几方面作为技术发展的基础要求，旨在发展成为一项史上最节能、应用最广泛的通信[1，4-5，7-8]：1）引入新的无线传输技术将资源利用率在4G的基础上提高10倍以上；2）引入新的更灵活、更智能的网络架构和组网技术将整个系统的吞吐率提高25倍左右；3）挖掘新的频率资源（如高频段、毫米波与可见光等），使未来无线移动通信的频率资源扩展4倍左右等。

2 无线接入网的现状

对于通信运营商来说，无线接入网（RAN）是企业收入来源最为关键的一部分，网络的服务质量直接关系到用户数量。通过无线接入网可以向用户提供7×24小时不间断、高质量的数据服务[8]。传统的无线接入网具有以下特点：1）每个基站连接若干固定数量的扇区天线并覆盖小片区域，同时所在区域的基站只能处理本小区的收发信号；2）系统的容量使干扰受限，各个基站独立工作已经很难增加频谱效率；3）不同设备厂家基站通常都是基于专有平台开发的，调度不灵活，需要巨额的运营成本；4）基站所在区域环境要求极高，需要配湟欢ǖ闹评湎低场4统架构的无线接入网在移动互联网时代面临着降低成本、提高性能和节能减排的挑战，因此，无线接入网必须重新考虑新的网络构架，得出适合移动互联网的高性能、低费用的绿色环保的无线接入网方案。在2010年4月召开的无线接入网绿色演进国际研讨会上，我国首次提出了无线接入网络架构C-RAN（Cloud Radio Access Network）[1，7，9]。C-RAN指的是基于集中化处理（Centralized Processing）、协作式无线电（Collaboration Radio）和实时云计算架构（Real-time Cloud Infrastructure）的绿色环保无线接入网络架构（Clean System），也称4C通信架构。其本质就是通过减少现有无线接入基站机房数量、降低设备工作能耗，采用协作通信方式及SDN虚拟化技术来实现网络资源共享和动态调度，提高无线基站的频谱利用效率，以实现低成本、高带宽、低时延、高保障和高灵活度的网络运营。

3 NGFI技术下的C-RAN系统

架构及目前的承载方案

C-RAN架构是采用分布式天线系统，将集中式基带池（BBU）布置在中心机房，通过光纤骨干网，将远端射频单元（RRU）布置在所需的地理位置，这些位置事先已经经过设计规划好。这样远端射频单元不需再建立机房，只需解调、处理设备和天线，从而可大大降低成本。NGFI（Next Generation FrontHaul Interface）是指下一代无线网络主设备中基带处理功能与远端射频处理功能之间的前传接口，是前传网和后传网的关键枢纽。不同于传统的CPRI[3-4]，NGFI是一个开放性接口，它基于以太网协议，并通过BBU/RRU间功能的重新定义，遵循支持统计复用、载荷相关的自适应带宽变化、多连接的映射关系，尽量支持性能增益高的协作化算法等基本原则。为满足下一代通信技术的要求，催生通信界产生了新的组网架构来实现面向5G及云世界的万物互联通信，因此有必要对无线侧的接入部分实现改造，满足大容量、低能耗、高速率、低时延的通信，如图1所示为基于NGFI的无线C-RAN网络架构。

C-RAN架构强调的是绿色无线接入网，其具体实施方法不一，上述提出的网络架构是基于远端无线单元（RRU）和基带信号单元（BBU）组成，BBU由机房中的机架和基带处理单元等设备组成。前传网是基于以太交换机、PTN、ATN等分组交换设备，无需进行额外的改造，末端设备以模块或板卡的形式，集成在远端或局端无线设备中，以节约机房空间，节省能源。

目前主要存在的C-RAN承载方案有三种，具体如图2所示。

方案1：光纤直连方案

（1）光纤直连方案主要是指基站RRU通过单独的光纤直接接入到集中BBU处理，具体如图2中的（a）图，该方案主要的优点是免承载设备，但同时也存在着严重的不足：光纤消耗严重（如果128个BBU集中，CO节点则需要768裸光纤去承载，如果采用主备保护则光纤数量需要翻倍）。

（2）该方案一般只能用于5～10个节点BBU小集中，无法满足超密集小区结构组网中无线接入云虚拟化集中管理。

方案2：RRU彩光无源WDM方案

（1）方案2的接入方式如图2（b）所示，采用的是彩光作为信号载波，基于无缘波分（WDM）技术来实现RRU和BBU的连接，该方式相对于光纤直连方案的优点是：由于采用彩光作为信号的承载，通过彩光合成器将不同的RRU信号分配不同的彩光，然后接入BBU，这样能大大节省光纤消耗，相对方案1可减少8倍的光纤资源使用。

（2）缺点：承载网无监控管理、无保护，不适合长距离组网；对彩光传输的光模块及光转换要求较高，增加了设备的成本；通常情况下只能用于5～10个节点的BBU小集中场景，无法形成大规模的BBU云池。

方案3：传统波分方案

（1）方案3是传统的波分方案，这种技术是可以在一根光纤上传送多路信号，每路信号都由某种特定波长的光来传送，相对于方案1光纤资源消耗将能减少40倍，可以支持环网保护和时延对称补偿，是传输专业比较认可的一种方案。

（2）缺点：在网络的传输末端都必须是有源设备，因此部署时需要建立专门的机房，对环境要求较高、耗能；价格比较昂贵，很难满足客户对价格的预期要求，大规模部署和推广有一定的难度。

通过上述分析及IMT 2020技术场景和愿景看5G对传送网的需求可知[4-6]，C-RAN构架迫切需要形成有BBU-RRU之间高速无线信号的高带宽、低延迟、高可靠性、低成本的传输解决方案，现有的技术和技术进步的趋势使可行的解决方案的提出成为可能。其实通信网络的发展归根到底是对网络的传输技术和承载方案选择的问题，因此需要更多地进行技术及方案论证研究。

4 Fronthaul承载方案CoP

4.1 CoP关键技术及帧结构

随着通信技术的发展，为了规范BBU和RRU之间的接口标准，CPRI（Common Public Radio Interface）协议应运而生。CPRI协议由爱立信、华为、NEC、北电和西门子五个厂家联合发起制定，其定义了两个协议层，分别是物理层和数据链路层[3-5]。物理层主要是对上层接入点的数据进行复/分接，并采用特定的编码技术通过光模块串行收发数据；数据链路层定义了同步帧结构，由基本帧和超帧构成，数据在链路层中通过固定的帧结构形式进行相应的封帧和解帧操作。

CPRI协议作为通用开放接口标准，由于其实现上的经济简便性受到了多方厂家的支持，设备供应商相继推出了基于CRPI协议标准的拉远产品，因此也加速了厂商基于CRPI协议的交换机和路由器等设备的成熟和推广[3]。随着通信技术的发展，新一代基站出现了一种崭新的形态――分布式基站，可以把宏基站的部分载波通^标准的CPRI接口拉远实现分布式组网，也就是将传统基站的基带处理部分（BBU）和射频收发信机部分（RRU）设计成单独的模块。分布式基站不仅带来了快速、便捷的网络部署，而且有利于大幅降低运营商建网的成本，逐步成为运营商关注的焦点。由于无线频谱资源的高价格、高频通信技术的使用，使原有的基站覆盖密度越来越大，且无线带宽要求越来越高，这使得无线接入侧的网络必须做相应的调整才能满足无线业务以及未来万物互联的通信要求。因此CoP（CPRI over Packet）承载技术是研究的重点，新定义的CoP帧结构如图3所示。

CoP承载技术是继承前传承载和后传承载的中心枢纽模块，采用的是高效装载技术，其由于CPRI结构化和非结构化使得数据成帧灵活，便于整个网络调节，采用光承载，继承了原有波分承载的优点，也能进一步节省传输光缆。CPRI封装传输的数据具有高精度时钟同步技术，能实现频率Jitter满足±0.002 ppm和空口频率误差满足±0.05 ppm的要求，对于通信的单向时延抖动能满足±8.138 ns精度要求，是C-RAN承载技术中实现的关键。

CRPI承载方案所采用技术的不同导致各方案所达到的性能指标要求也就不一样，本文所讲述的是CPRI over Packet的NGFI承载方案，其与现有的CPRI over WDM、CPRI over OTN、CPRI over WDM-PON承载技术指标对比如表1所示。

4.2 CoP承载网络架构

为满足未来业务发展的需要及海量基站的承载要求，现有基站都是基于有源技术的。同时根据上文描述的现有承载技术的缺陷，需要选择一种新的承载技术架构来满足云通信的需求，在RRU增加的情况下使其满足免机房需要，新的CoP FO设备能跟RRU供址部署，建设成一个新的前传网络（Fronthaul），通过CoP FO设备（该设备UNI侧支持CPRI2～7接口，覆盖2G/3G/LTE基站；支持12路CPRI接口/ETH，最大省光纤能力12：1）将RRU进行汇聚传给接入侧的A设备。该方式针对现有IP RAN设备基本无需改动，只需要在原有的设备中插入带有CRPI协议的新增板卡就可以工作。前传网络的范围可达到17 km，从而可以大大节省传输光纤资源。具体的前传承载网络方案如图4所示。

由图4可知，该承载方案将原来的IP RAN承载网的接入侧又重新进行了定义，在无线侧实现RRU拉远后并不是直接接入到BBU池，而是通过无线侧的CoP FO无源设备（目前已有厂家设备支持）汇聚RRU环，再由Fronthaul网络接入到A设备，原有的IP RAN网络就形成Backhual网络，对无线业务进行统一承载，实现BBU资源池云化管理。

新建承载前传Fronthaul网络继承IP-RAN完备的OAM和保护机制，实现网络端到端的可靠性高。对于Fronthaul接入侧的保护机制有CPRI接口（CPS保护）和ETH接口（LAG保护）；网络侧保护机制可以采用线性“1+1”保护或者环网Wrapping、Steering保护。同时可以通过Y.1731或IEEE802.ag实现客户侧业务通道管理及性能检测，当发生故障时合理启动相应层级的保护机制，提供节点和链路级50 ms倒换要求。

对于无线侧RRU的接入点模块FO是全室外模式，易部署、省机房，满足大网络容量要求，在客户侧可以支持12路1.25～10 Gbps速率SFP+接口，包括CPRI业务和FE/GE/10GEY以太网业务；网络侧支持2路40 Gbps速率QSFP+接口，以及可以升级满足未来100G接口的需求。

灵活组网：该承载方案中Fronthaul网络支持星型拓扑、链型拓扑、环型拓扑等组网要求，可以实现RRU任意部署，可以实现接入设备A无源CWDM解决方案。

5 结论

C-RAN的目标是适应主流无线网络宏蜂窝基站、微蜂窝基站、微微蜂窝基站等网络部署需求，其它一些有益的基站类型也可作为C-RAN部署的补充。但是NFGI网络架构能够弥补现有C-RAN架构中资源利用不足的问题，实现前传网络和后传网络分开管理的策略，使网络更加扁平化，可分域化进行管理。未来网络将是一张可定义、软硬融合的网络，无论SDN还是NFV都会是其重要的组成部分，势必将在高速宽带、5G、物联网等多个领域大放异彩。传统的基础设施正在快速变革，SDN/NFV将迎来黄金时代，但是作为移动通信大国，随着无线技术的提升，城市智能环境的建设，移动带宽需求越来越明显，5G通信技术使用的频段意味着需要更多的基站来满足单位面积的通信。如何改善移动互联网、物联网、车载网接入而又能满足节能减排，实现系统间无缝通信，构建一个更为安全可靠、性能超前的未来网络，是下一代承载网需要重点考虑的问题，更是迫使承载网络架构改变的关键因素，需要长期跟踪研究。

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