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為了滿足 5G 大帶寬、低延時和廣連接的業(yè)務(wù)特性，本文深入研究了 C-RAN 基站接入傳輸組網(wǎng)模式，并全面開展了部署和實踐。針對全部基站接入業(yè)務(wù)，統(tǒng)一采用 C-RAN 傳輸前傳組網(wǎng)模式，實現(xiàn)了降低 OPEX 和 CAPEX 的目標，同時提升了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，解決了業(yè)務(wù)潮汐效應(yīng)，加強了面向未來網(wǎng)絡(luò)演進的快速部署能力。
1、無線接入業(yè)務(wù)對傳輸承載網(wǎng)需求回顧
現(xiàn)代移動通信經(jīng)過 30 多年的爆發(fā)式增長，使信息交流方式從單一的人與人面對面逐步發(fā)展成為人與人、人與物、物與物在任何地點的通信，極大改變了人們的生活方式，并成為了推動社會發(fā)展的動力和支柱。
以 TACS 為代表的第一代模擬移動通信系統(tǒng)(1G) ，其速率僅為 2.4kbps，滿足最簡單的移動語音功能。以 GSM 為代表的第二代移動通信系統(tǒng)(2G) ，業(yè)務(wù)下載速率可達 115/384kbps，初步具備了支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，傳輸網(wǎng)引入了基于 SDH 的 MSTP 技術(shù)，一個典型基站回傳采用 2~6 個 E1（2Mbps）帶寬。 第三代移動通信系統(tǒng)(3G)，如 TD-SCDMA 業(yè)務(wù)下載速率 384k~2.8Mbps，一個典型的宏基站回傳帶寬 6M~10Mbps，傳輸網(wǎng)絡(luò)從小顆粒、低容量、以 TDM 為主的 SDH 網(wǎng)絡(luò)演進至滿足高容量、大顆粒、全 IP 業(yè)務(wù)需求的 PTN 網(wǎng)絡(luò)。第四代移動通信系統(tǒng)(4G)，如 TD-LTE 業(yè)務(wù)下載速率理論上可達到 100 Mbps，是 3G 的 35 倍，回傳的保證帶寬 CIR 要求 40~80Mbps，峰值帶寬需求 320~640 Mbps，當 4G 容量需求大幅增長時，GE 環(huán)已無法滿足需求，一般只能采用升級擴容為 10GE 設(shè)備環(huán)或原 GE 拆環(huán)兩大方式來應(yīng)對解決。
2、5G 業(yè)務(wù)需求對傳統(tǒng)傳輸承載網(wǎng)的挑戰(zhàn)
為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略，自 2018 年 12 月以來，國家 5G 部署節(jié)奏明顯加快，各省市陸續(xù)出臺了面向 5G 的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 3 年行動計劃。5G“新基建” 已成為廣泛關(guān)注的焦點，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是各級政府、基礎(chǔ)運營商的重點工作。
一方面，基礎(chǔ)運營商在全力加快 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，另一方面，受到提速降費、市場飽和、激烈市場競爭以及 4G 流量紅利逐步消退的嚴峻挑戰(zhàn)，中國通信行業(yè)步入“陣痛期”，收入增長乏力，OPEX 高企不下。三大運營商 2020 年 5G 資本開支達 1803 億，5G 短期內(nèi)難言收益，投資與運營壓力巨大。因此，運營商有強烈的內(nèi)在動力需在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式、運維模式和技術(shù)手段等各個方面開展創(chuàng)新。
5G 的實現(xiàn)及部署，一方面是技術(shù)上的演進創(chuàng)新，另一方面也對運營商的網(wǎng)絡(luò)運營和管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)運營商需要向綜合平臺運營商轉(zhuǎn)型，如何提供一個能夠面向各類應(yīng)用、高效靈活、低成本和開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將是運營商在 5G 時代競爭力的核心所在。
2019 年移動電話普及率已達 114%，三大運營商 4G 基站數(shù)達到 544 萬，比 2014 年增長了 5.4 倍，以 4G 為主的移動流量達 1220 億 GB，比 2014 年增長了 57 倍，如圖 1 所示。而到了 5G 時代，基站數(shù)將達 4G 的 3 倍以上；速率達 1Gbit/s，是 4G 的 10 倍以上；連接密度 106/km2，是 4G 的 10 倍以上；網(wǎng)絡(luò)時延達 1ms，是 4G 的 1/5 以下。
5G 業(yè)務(wù)對于基站傳輸?shù)男枨蠛拖木薮?，意味著若采用傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式，需要投入大量的傳輸設(shè)備提升帶寬，無法滿足未來無線網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需要。同時，無線接入網(wǎng)面臨著基站高額能耗、高容量的無線接入網(wǎng)需求、潮汐效應(yīng)導(dǎo)致基站利用率低下等多個挑戰(zhàn)，亟需在基站接入傳輸方面開展組網(wǎng)創(chuàng)新與重構(gòu)。為此，筆者提出基于面向 5G 和未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的傳輸目標網(wǎng)，在基站接入傳輸前傳網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一采用 C-RAN 組網(wǎng)模式。
圖 1 2014-2019 年移動流量 /4G 基站數(shù) / 移動電話普及率發(fā)展現(xiàn)狀
3、C-RAN 技術(shù)與優(yōu)勢
按照 5G CU/DU 部署方式可分為集中式 C-RAN 和分布式 D-RAN 兩種方式，如圖 2 所示。集中式是指多個 5G 基站 CU/DU 集中在同一個集中機房內(nèi)，集中機房可以采用傳輸業(yè)務(wù)匯聚機房和基站集中機房兩種模式，AAU 拉遠到基站側(cè)。分布式是指 5G 基站 CU/DU 部署在基站側(cè)，CU/DU 與 AAU 同站址部署。
圖 2 C-RAN 與 D-RAN 部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
5G C-RAN 基于 CU/DU 的兩級協(xié)議架構(gòu)、NGFI 的傳輸架構(gòu)和 NFV 的實現(xiàn)架構(gòu)，形成了面向 5G 靈活部署的兩級網(wǎng)絡(luò)云構(gòu)架，將成為 5G 和未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進的重要方向。5G C-RAN 網(wǎng)絡(luò)具有集中化（Centralization）、云化（Cloud）、協(xié)作（Cooperation）和綠色（Clean）4C 特征。 同時，對于 2G/4G 基站，已經(jīng)通過改造升級演變?yōu)?BBU+RRU 結(jié)構(gòu)，因此，與 5G 基站一樣具備了 C-RAN 的組網(wǎng)條件。
在 C-RAN 網(wǎng)絡(luò)里，系統(tǒng)可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)負載、用戶分布、業(yè)務(wù)需求等實際情況動態(tài)實時調(diào)整處理資源和空口資源，實現(xiàn)按需的無線網(wǎng)絡(luò)能力，提高新業(yè)務(wù)的快速部署能力。同時，減少了運營商對無線機房的依賴，降低配套設(shè)備和機房建設(shè)的成本和整體綜合能耗，也實現(xiàn)了按需的無線覆蓋調(diào)整和處理資源調(diào)整，在優(yōu)化無線資源利用率的條件下提升了全系統(tǒng)的整體效能比。另一方面，集中化對機房選址、外電和電池、回傳設(shè)備的安全級別增加了挑戰(zhàn)，前傳若引入彩光也增加了不可監(jiān)控的節(jié)點，可通過獲取穩(wěn)定的機房物業(yè)、直供電、適當控制集中度等方式突破解決。
從成本角度來分析，集中部署的優(yōu)勢在于以下 4 個方面。
（1）原基站側(cè)無需配置傳輸 PTN/SPN 設(shè)備，未來業(yè)務(wù)擴容具備高彈性。
（2）基站 50%以上能耗源自空調(diào)，C-RAN 集中后可節(jié)省基站空調(diào)電費和電池。
（3）可節(jié)省維護成本。
（4）可節(jié)省基站租金。
同時，集中部署也會帶來額外 3 項成本。一是現(xiàn)網(wǎng)搬遷費用；二是增加集中機房的配套和電費等費用；三是傳輸前傳無源彩光和少量接入投資。經(jīng)過綜合測算評估，在 2G/4G/5G 全集中 C-RAN 部署情況下，可以有效降低投資成本，集中度越高節(jié)省越多，C-RAN 集中原則建議若集中在基站機房中，至少需要集中 3 個站點，若集中在業(yè)務(wù)匯聚機房中，至少需要 6 個站點。
4、項目部署與實踐
4.1 C-RAN 規(guī)劃部署原則
4.1.1 前傳網(wǎng)絡(luò)部署
（1）由于 2G/4G/5G CU/DU/BBU 集中部署，基站前傳如針對每種網(wǎng)絡(luò)制式單獨新建前傳光纜，纖芯消耗巨大，見表 1。前傳網(wǎng)絡(luò)部署方案有光纖直驅(qū)，無源 WDM+彩光模塊，有源 WDM 和半有源波分 4 種。其中無源 WDM 局端和遠端均采用無源器件，節(jié)省光纜、時延低、成本低、免維護、無需供電，綜合考慮可實施性和性價比等因素，基站前傳優(yōu)選彩光加無源波分方案，前傳光口采用彩光光模塊，以無源波分來實現(xiàn) 12:1 的纖芯復(fù)用，如圖 3 所示。
表 1 前傳纖芯需求分析
圖 3 無源波分 12:1 方案
（2）CU/DU/BBU 應(yīng)選擇部署在具有豐富的管道、光纜和電源等資源的機房，確保滿足中遠期裝機需求和前傳部署需求。
（3）在規(guī)劃 AAU/RRU 歸屬 CU/DU/BBU 時，應(yīng)依托現(xiàn)有綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)，按照相鄰微網(wǎng)格進行統(tǒng)一規(guī)劃，確保末端接入的唯一性，原則上要求不跨綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)接入 AAU/RRU，避免同一微網(wǎng)格的 AAU/RRU 歸屬不同 CU/DU/BBU。
（4）光纜部署原則：CU/DU/BBU 至 AAU/RRU 間應(yīng)優(yōu)先利用綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)光纜來滿足基站前傳需求。當現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源不能滿足需求時，可統(tǒng)籌集團客戶和家庭寬帶需求，采用新建光纜方式，具體采用星狀組網(wǎng)加光交箱方式：在集中機房外圍部署光交箱，從機房到光交箱間采用 144~288 芯大芯數(shù)光纜，從光交箱至 AAU/RRU 間可部署 24/48 芯光纜。
4.1.2 回傳網(wǎng)絡(luò)部署
5G 基站回傳帶寬需求見表 2，具體原則和部署如下。
（1）回傳網(wǎng)絡(luò)以新建 SPN 為目標網(wǎng)絡(luò)。以滿足 5G 大規(guī)模連續(xù)覆蓋和各類業(yè)務(wù)需求為目標，根據(jù)技術(shù)成熟度分步或一次性引入 FLexE、SR、IPv6 等 SPN 關(guān)鍵組網(wǎng)特性，按需新建 SPN 系統(tǒng)，具備端到端獨立組網(wǎng)能力。
（2）集中機房內(nèi)的傳輸設(shè)備應(yīng)確保成環(huán)且無同路由（出局第一個人口井后具有兩個不同的物理路由），并優(yōu)先考慮雙歸。
（3）集中機房內(nèi)的傳輸設(shè)備應(yīng)具備雙交叉（主控）和雙電源，配置不少于 2 塊支路板卡對接 CU/DU/BBU 設(shè)備。
表 2 5G 基站回傳帶寬需求表
4.1.3 同步方案部署
（1）優(yōu)先采用衛(wèi)星同步方案，5G 基站同步要求支持北斗和 GPS 雙模工作，具備自動切換功能。對于集中 2G/4G/5G，由于 BBU 數(shù)量大，引入了有源 GPS 功分設(shè)備，解決了安裝多路 GPS 的瓶頸問題。
（2）對于北斗 /GPS 天線安裝困難場景，可利用傳輸 1588V2 信號進行同步，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)中的時鐘服務(wù)器獲取時鐘同步，精度可達到亞微秒級。通過部署時間同步源和改造地面回傳網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了 1588V2 部署。
4.2 某 C-RAN 實戰(zhàn)案例
針對某一綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)，開展了基于傳輸目標網(wǎng)的 C-RAN 實踐部署。該區(qū)域接入?yún)^(qū)面積 0.39km2，區(qū)域內(nèi) 14 個家寬覆蓋社區(qū)、17 個無線基站、16 條集客專線業(yè)務(wù)。受到傳輸接入資源不足的影響，這些業(yè)務(wù)在容量和安全方面存在隱患。
其中，無線業(yè)務(wù) 17 個基站涉及 16 個傳輸接入環(huán)，由于原來缺乏機房和管道資源，無線基站以主干光纜開天窗方式接入，同環(huán)節(jié)點數(shù)量較大，接入環(huán)跨度遠，單個節(jié)點故障（停電、接入光纜中斷等）會造成全環(huán)安全性急劇下降。以某一基站為例，主干光纜開天窗方式接入，環(huán)上 9 個節(jié)點，到傳輸接入路由歷程長達 13.6km。
經(jīng)過部署實施，該區(qū)域增加了 2 個業(yè)務(wù)匯聚機房，構(gòu)建了完整的配線鏈，從而實現(xiàn)集客業(yè)務(wù)、家客業(yè)務(wù)、基站業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入方式，2G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一使用 CRAN 組網(wǎng)方案，如圖 4 所示，原 2G/4G BBU 統(tǒng)一搬遷集中到業(yè)務(wù)匯聚機房內(nèi)，5G 采用 CU/DU 合設(shè)，同時用光纖加上無源波分（彩光）的方式解決了前傳纖芯消耗過大的問題。
圖 4 D-RAN 向 C-RAN 傳輸目標網(wǎng)演進圖
該試驗區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)節(jié)省基站傳輸設(shè)備、空調(diào)功耗和配套的目標，每年可節(jié)省 80 萬元以上 OPEX。其中，設(shè)備方面，可節(jié)省 21 臺末端 SPN 設(shè)備，節(jié)省投資 60 萬；配套方面，無線基站功耗、空調(diào)等條件要求降低，每年可節(jié)省 20 萬元以上。經(jīng)過傳輸目標網(wǎng)部署和 C-RAN 改造后，新建基站建設(shè)日均產(chǎn)能提升 150%，接入業(yè)務(wù)平均跳纖點減少至 3~5 個。同時，在集中 BBU 基礎(chǔ)上，進一步采用了合并小區(qū)載波共享等技術(shù)，解決了無線業(yè)務(wù)潮汐效應(yīng)。
5、結(jié)束語
當前 5G 業(yè)務(wù)乃至未來無線網(wǎng)絡(luò)演進，正面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，大帶寬業(yè)務(wù)對傳輸資源的消耗，提升頻譜效率的困難越來越大，多制式同時運營，潮汐效應(yīng)下網(wǎng)絡(luò)負載不平衡，以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維成本不斷增長等，眾多問題亟待移動運營商來解決?；趥鬏斈繕司W(wǎng)的 C-RAN 正是有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的創(chuàng)新架構(gòu)。
同時，我們也要清晰的認識到，C-RAN 落地需要的三大關(guān)鍵條件是機房、外電和管道，缺一不可。5G 大帶寬、低時延和廣連接等特性，離不開網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，未來通信要實現(xiàn) 99.9999%可靠性的目標，必須是建立在作為基站載體的市政設(shè)施高穩(wěn)定性基礎(chǔ)上。因此，真正的 5G 目標網(wǎng)不僅在于基礎(chǔ)運營商的網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃或主設(shè)備性能，更重要的是實現(xiàn)所有的公共物業(yè)市政設(shè)施 100%開放、100%直供電、100%對管道 / 光交箱等基礎(chǔ)通信設(shè)施予以支持和保護，全社會全行業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，賦能社會經(jīng)濟進入高質(zhì)量的良性循環(huán)發(fā)展。
參考文獻
[1]王冬冰，王洪亮，楊永軍，等 . 面向 5G C-RAN 組網(wǎng)模式在現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電信科學(xué)，2018(1).
[2]吳欽雄 . 基于 C-RAN 組網(wǎng)方式的 5G 傳輸承載方案研究和實踐[J]. 電信工程技術(shù)與標準化，2019(9).
[3]雷秋燕，張治中，程方，等 . 基于 C-RAN 的 5G 無線接入網(wǎng)架構(gòu)[J]. 電信科學(xué),2015(1).
