中国移动 C-RAN 演进

中国移动 C-RAN 演进

　　中国移动在2009年第一次提出C-RAN的概念。从那之后，中国移动每隔几年发布一个C-RAN的白皮书，C-RAN的概念也一直在演进。

　　本文先简单介绍C-RAN技术提出的背景、愿景、优势和挑战等，接着再介绍C-RAN三个阶段各自的特征，最后整理C-RAN传输技术。本文内容基于参考文献整理而成，具体请参阅第四章参考文献目录。

　　更多博客请点击：

　　1. 3GPP 5G 架构演进    http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79090480

　　2. 5G NR协议栈及功能1 - 总体架构与物理层    http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160245

　　3. 5G NR协议栈及功能2 - MAC RLC PDCP SDAP   http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160449

一 C-RAN技术简介

　　从3G开始，移动互联网迅速发展，用户对数据业务的需求随之增长。用户追求覆盖更好、速度更快、时延更小的移动通信服务。为了满足用户的需求，运营商网络建设的投资越来越高。

1.1 背景

1.     移动运营商竞争激烈，盈利能力降低；网络建设、运营和升级无线接入网的支出增加

2.     基站数量巨大意味着高额的建设投资、站址配套、站址租赁以及维护费用

3.     基站实际利用率低，网络平均负载一般大大低于忙时负载，不同基站之间不能共享处理能力

4.     专用平台意味着需要维护不兼容的平台，扩容和升级成本较高

1.2 无线接入网面临的挑战

1.     大量基站导致高额能耗

2.     网络的CAPEX/OPEX逐年增高

3.     低成本高容量的无线接入网需求

4.     潮汐效应导致基站利用率低下

5.     不断增长的互联网业务对核心网压力巨大

　　在这样的大背景下，中国移动提出了C-RAN架构，旨在降低网络部署和维护成本，提升盈利能力；同时，降低通信系统能耗，提高网络资源利用率，提高网络灵活性等。

　　C-RAN的C有四层含义：Clean、Centralized、Cooperative和Cloud。C-RAN通过分离射频拉远单元（RemoteRadio Unit，RRU）和基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU），并对BBU进行集中化和云化。也就是说C-RAN网络包含三部分：

　　l  由远端无线射频单元和天线组成的分布式无线网络

　　l  由高带宽低时延的光纤或光传输网连接远端无线射频单元

　　l  由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池

　　与传统的分布式基站不同，C-RAN打破了远端无线射频单元和基带处理单元之间的固定连接关系。每个远端无线射频单元不属于任何一个基带处理单元实体。每个远端射频单元上发送和接收信号的处理都是在一个虚拟的基带基站完成的，而这个虚拟基站的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理器构成的。

　　下面简单梳理C-RAN架构的优势和面临的技术挑战。

1.3 C-RAN架构的优势

1.     降低能耗

2.     节约CAPEX和OPEX

3.     提供网络容量

4.     基于负载的自适应资源分配

5.     互联网业务的智能减负

1.4 C-RAN面临的技术挑战

1.     低成本光网络传输无线信号

2.     先进的协作发射/接收技术

3.     基站虚拟化技术

4.     服务面向边缘化

二 C-RAN技术演进

2.1 第一阶段：3G阶段

　　初期，基站主要分为两种类型：传统一体化基站和分布式基站。传统一体化基站中每个基站自成体系，基站及配套设施全部位于机房内，基站通过馈线与铁塔上的天线相连。分布式基站将基站分为两部分，即RRU和BBU。RRU位于室外，BBU位于室内，RRU与BBU之间通过光纤连接，每个BBU可以带多个（3-4个）RRU。

　　C-RAN是对分布式基站的进一步演进，将BBU处理资源集中化、开放化和云计算化为资源池，通过高带宽低时延的光纤或光传输网连接远端无线射频单元，每个BBU能连接10-100个RRU。

 

       如下图所示，C-RAN初期主要讨论两个方案：方案一和方案二。

　　方案一从基带处理与射频部分分离。集中化所有基站的数字信号处理单元，包括物理层基带处理、高层协议处理、主控及时钟等，通过高速光纤接口连接分布式的远端射频单元。RRH 仅负责数字-模拟变换后的射频收发功能。其优点是：升级与扩容方便，可更好地支持多标准，最大程度的资源共享，更方便支持多个基站间的协作化信号处理。其主要缺点是：二者之间需要传输高速的I/Q 信号，带宽要求高，TD-LTE 8 天线20MHz 单载波要求10Gbps 的带宽。

　　方案二从主控时钟与基带处理部分分离。为了降低BBU-RRH设备之间的传输带宽，将基站的物理层解调译码等基带信号处理部分，从集中化BBU中分离出来，放到RRH中处理。

　　大部分3G和LTE基站设备都采用方案一。在初始化阶段，也主要研究方案一。从天线接收的信号经过数字中频模块后，用光纤将中频信号传输至基带处理单元中。

      

　　C-RAN方案一的部署如下图所示。

 

　　此阶段，BBU和RRU之间通信采用CPRI（Common PublicRadio Interface，通用公共无线电接口）接口。需要强调的是，CPRI接口是安装在BBU和RRU上的，这两个接口通过光纤连接。CPRI接入如下图所示。CPRI数字接口包含两种：标准的CPRI和OBSAI接口。

2.2 第二阶段：LTE阶段

　　之后，C-RAN在全球许多国家和地区得到越来越广泛使用。但是受CPRI的限制和现有BBU/RRU接口带宽要求高的影响，如果沿用CPRI进行前传组网，则会限制C-RAN的大规模部署；另外，面向4.5G和5G的无线技术也对现有的CPRI提出了新的的挑战。此外，CPRI是一种基于TDM的定速率前传接口，即使在没有业务负载的情况下仍有CPRI流，数据传输效率低。

　　2015年6月4日，中国移动发布了《下一代前传网络接口（NGFI）白皮书》，提出NGFI，并列出多种可选的接口功能划分方案。中国移动提出NGFI旨在推动NGFI的成熟，促进无线网络的发展。

　　白皮书中提到了5种（或者说6种）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。方案编号越大，对前传接口的带宽和时延要求越高，RRU设计越简单，网络灵活性越高。但是未来4.5G和5G的数据速率非常高，要汇聚10-100个RRU的数据对前传网络的接口要求过大，所以可能会在网络灵活性和前传网络带宽时延要求之间折中。

　　因为部分BBU的功能下移至RRU，BBU和RRU功能被重新定义。功能重构后的BBU和RRU分别称为RCC（Radio CloudCenter，无线云中心）和RRS（Radio Remote System）。

　　远端射频系统RSS包括：天线，RRU以及传统BBU的部分基带处理功能RAU（Radio Aggregation Unit，射频聚合单元）等。

　　无线云中心RCC包含：传统BBU出去RAU外剩余的功能、高层管理功能等。相比扁平化的LTE网络设计，引入基带集中单元，并非引入一个高层级的网元，而仅仅是考虑在未来更高等级的协作化需求引入的基础上，进行BBU和RRU间的形态重构，并不影响LTE扁平化的设计。

　　NGFI至少应遵循统计复用，载荷相关的自适应带宽变化、尽量支持性能增益高的协作化算法、接口流量尽量与RRU天线数无关等。

2.3 第三阶段：5G阶段

　　2016年11月18日，中国移动联合各个公司发布了《迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战》白皮书。该白皮书中主要提到两点：

1.     在无线资源虚拟化中引入NFV（NetworkFunction Virtualization，网络功能虚拟化）和SDN（SoftwareDefined Network，软件定义网络）

2.     5G网络中BBU功能进一步切分为CU（Central Unit）和DU（Distributed Unit）

　　CU和DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分：CU设备主要包含非实时性的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下层和边缘应用业务的部署；而DU设备主要处理物理层功能和实时性需要的层2功能。考虑节省RRU和DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。

　　从具体的实现方案上，CU设备采用通用平台实现，这样不仅可支持无线网功能，也具备了支持核心网功能和边缘应用的能力，DU设备可采用专用设备平台或通用+专用混合平台实现，支持高密度数学运算能力。引入网络功能虚拟化NFV框架后，在管理编排器MANO（Management and Orchestration）的统一管理和编排下，配合网络SDN控制器和传统的操作维护中心OMC（Operating and Maintenance Center）功能组件，可实现包括CU/DU在内的端到端灵活资源编排能力和配置能力，满足运营商快速按需的业务部署需求。

　　在4G网络中，C-RAN相当于BBU、RRU 2层架构；在5G系统中，相当于CU、DU和RRU 3层架构。

5G部署实例如下图所示。

三 C-RAN传输技术

3.1 光纤直驱

　　光纤直驱是指CPRI 光口之间采用光纤进行点对点传输，是传统分布式基站的典型承载方式，包括白光直驱、级联的白光直驱和彩光直驱三种方式。白光直驱方案的优点在于可满足C-RAN 传输的频率抖动和带宽要求等各项技术指标要求，点对点的组网结构简单，光模块成熟且成本低；缺点在于占用光纤资源较多。由于传输链路中没有传输设备，白光直驱的OAM、保护等需要借助CPRI 协议实现，实现方式和保护程度较简单，短距离传输时基本能够满足要求。因此，白光直驱方案的适用场景为光纤资源丰富的短距离C-RAN 传输。

　　级联的白光直驱方案，多个站址共用一对光纤，相比白光直驱方案而言可大大节省传输的光纤资源，同时可基本满足C-RAN 传输的时延抖动、频率抖动等各项技术指标要求（需采用专用测试仪表测试验证），白光光模块成本相对较低。如同白光直驱，级联的白光直驱由于没有传输设备，其依靠CPRI 协议实现C-RAN 传输的OAM、保护等机制比较简单，级联站址较多时需要进一步增强故障定位、性能检测和保护倒换能力等。对于GSM C-RAN，现网大量超过6 个站址的接入环采用18 级级联的白光直驱方案时需要进行重叠组网，这种方式将新增光纤消耗，例如原有7~12个站址（每站址3 个RRU）接入环将多占用一对光纤。

　　彩光直驱采用波分复用技术将多个RRU信号以不同波长承载复用到一对光纤传输，占用光纤资源较少，同时也可满足短距离C-RAN传输的频率抖动和带宽要求等各项技术指标要求。彩光直驱的劣势是成本相对较高，产业链相对不成熟。另外，由于每个RRU占用不同波长，实际部署时RRU的选择与布放应提前做好规划，彩光直驱涉及波长数较多时，建设和维护难度较大。

3.2 OTN/WDM

　　通过WDM在一对光纤中实现对多个RRU的承载，并引入OTN的封装、管理和保护机制。OTN/WDM方案需要BBU侧和RRU侧配置OTN/WDM设备，这些设备多需要配备相应的电源、散热装置（为室内型），因此需要放置在机房中。目前有部分厂家开发不需要机房的室外OTN/WDM设备（放装在远端电源柜内），但尚具备规模商用条件，需进一步验证其可靠性、稳定性等相关性能。

　　OTN/WDM方案采用波分复用技术在一对光纤中实现对多个RRU的信息传输，一对光纤可支持十几个甚至几十个基站，占用光纤资源少。OTN/WDM方案CPRI链路的OAM、保护和运维等机制由OTN/WDM设备实现，实现机制比较完善，能够满足50ms的保护倒换要求。此外，OTN/WDM传输设备产业链比较成熟，可同时承载C-RAN和其它类型业务。但将OTN/WDM用于C-RAN传输，同样具备一定的劣势。首先是设备成本高，10G OUT价格在3.5万元以上，对部署成本敏感的接入层网络来说构成极大挑战；其次，目前一对OTN/WDM设备的电处理基本可满足0.002ppm频率抖动指标，但尚需进一步测试验证，多个级联的OTN/WDM 设备均采用电处理时难以满足频率抖动要求，需要改造现有OTN/WDM 设备芯片。

3.3 UniPON

　　UniPON 是指结合WDM 和PON 技术，实现点对多点传输。UniPON 用于C-RAN 传输，同样需要OTN/WDM设备下沉到接入层，BBU 侧和RRU 侧分别配置OTN/WDM 设备。UniPON 的优势在于可与PON 技术共用光分配网络（ODN）光缆网络，物理上通过OTN/WDM 设备实现BBU 基带池到多个RRU 之间的传输，可支持十几个基站10km 以内的传输距离，适用于传输距离较短、覆盖范围较小的C-RAN 应用场景。UniPON 的传输性能指标与OTN/WDM 类同，目前已具备演示环境，但设备商用尚需推动技术和产业链进一步成熟。

　　综合上述分析，C-RAN 传输的每一种传输方案都有其各自实现的优缺点，需要进一步研究技术方案并推动产业链成熟。对于GSM C-RAN，级联的白光直驱方案可用于小于6 个基站的环网或短链，但后续应进一步推进完善其OAM 和保护机制。对于TD-SCDMA和TD-LTE C-RAN，白光直驱方案可满足短距离传输需求但光纤资源消耗很大，彩光直驱受限于传输距离和基站数量，并对建设、备品备件等运营维护提出一定挑战，OTN 和UniPON技术受限于成本和产业链，需要推动适用于传输CPRI 信号的相关技术研究和产业成熟。

四 参考文献

1.     中国移动发布的各个版本的C-RAN白皮书，包括：

       《C-RAN 无线接入网绿色演进》

       《迈向5G C-RAN：需求、架构与挑战》

       《下一代前传网络接口》

2.     王世光，张德朝，李晗等, 《C-RAN传输技术解决方案与现状分析》，中国移动通信研究院

3.     http://www.baike.com/wiki/CPRI

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