5G來襲 解析高密度無線系統(tǒng)的前傳方案 - 全文

無線通信的LTE時代已全面開啟。隨著5G逐漸走近，單個基站的帶寬將會大幅增加，基站部署密度加大，現(xiàn)有的基站建網(wǎng)方式已顯現(xiàn)出一些問題。如基站選址困難、機(jī)房成本高、基站資源利用率低、維護(hù)工作量大等。

隨著BBU與RRU分離以及RRU拉遠(yuǎn)技術(shù)的逐漸成熟，未來5G也必將采用BBU集中部署的方案，現(xiàn)有的光纖直連承載前傳方案不再適用，因此對于未來5G的超高密度無線網(wǎng)絡(luò)，集中部署的前傳承載成為研究的重點(diǎn)。

BBU集中部署的主要優(yōu)勢

BBU集中到局站主要的優(yōu)勢包括：

1、節(jié)省建設(shè)投資：BBU集中放置可以減少基帶硬件設(shè)備的數(shù)量，降低設(shè)備費(fèi)用；同時無需新建基站機(jī)房與相關(guān)配套設(shè)施，可充分利用現(xiàn)有局站機(jī)房內(nèi)的空間、電源和空調(diào)等資源，大大節(jié)省機(jī)房和配套設(shè)施投資。

2、減少運(yùn)維成本：BBU設(shè)備集中安裝，減少了無線、承載專業(yè)的維護(hù)工作量；BBU集中部署，提高了電源供給的效率，利于節(jié)能減排；GPS設(shè)備亦可實(shí)現(xiàn)共享和集中，降低建設(shè)和維護(hù)成本。

3、實(shí)現(xiàn)快速建網(wǎng)：RRU完全室外型設(shè)計，直接引入市電并安裝室外一體化電源箱，即可滿足建設(shè)要求，大大降低了基站選址和建設(shè)難度，同時提升了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度。原先基站尋址新建或租賃一個無線基站，需要通過土建（租賃不需要）、裝修、電源空調(diào)及主設(shè)備采購建設(shè)安裝等流程環(huán)節(jié)，采用BBU集中方式后將大幅縮短基站的建站周期。

4、無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升：未來BBU基帶池化，可實(shí)現(xiàn)多個無線站點(diǎn)基帶資源共享，有效地應(yīng)對話務(wù)潮汐效應(yīng)，根據(jù)話務(wù)動態(tài)變化，靈活配置基帶資源，提高了資源利用率；可消除RRU邊緣的干擾，便于提升密集區(qū)域的切換性能，減少掉線；可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的載波聚合，以提高速率；可實(shí)現(xiàn)站間CoMP（多點(diǎn)協(xié)同），以提高站間邊緣速率。

在以上優(yōu)勢中，BBU集中的成本優(yōu)勢是最直觀且可以在短期內(nèi)看到成效的。根據(jù)國內(nèi)運(yùn)營商的測算，平均每宏基站可減少18．46萬元投資，按5000個站的規(guī)模計算，累計可省9．23億元，每年還可節(jié)省運(yùn)營成本（主要是基站機(jī)房租賃和維護(hù)成本）1．62億元。

前傳承載的接口

BBU集中后，移動承載網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大的變化，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BBU集中后的移動承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)

移動承載被分為了移動前傳和移動回傳兩個部分，前傳是指基站RRU到BBU之間的網(wǎng)絡(luò)，回傳是指BBU到S－GW／MME之間的網(wǎng)絡(luò)。

前傳方面，CPRI接口獲得了更多主流設(shè)備廠商的支持，且定義了滿足LTE需求的更高速率，因此，CPRI接口成為國內(nèi)主流，被廣泛采用。

CPRI（Common Public Radio Interface，公共無線接口規(guī)范）可用于各種無線網(wǎng)絡(luò)制式（GSM、cdma2000、LTE等），目前已發(fā)布到7．0版本，速率達(dá)到了25Gbit／s。CPRI鏈路應(yīng)用于REC（Radio Equipment Control，即LTE制式中的BBU）和RE（Radio Equipment，即LTE制式中的RRU）之間。

由于CPRI采用射頻模擬信號采樣數(shù)字化，帶寬需求比業(yè)務(wù)帶寬增加數(shù)十倍，對于4G系統(tǒng)，在20M載波配置下，一個3載波的RRU型基站的承載帶寬需求為：

FDD LTE：3×2．5Gbit／s（2T2R），3×4．9Gbit／s （2T4R）

TD－LTE ：3×4．9Gbit／s （4T4R），3×9．8Gbit／s （8T8R）

為了保證RRU與BBU之間的數(shù)據(jù)可以正常傳遞、其性能可以滿足基站應(yīng)用要求，CPRI對同步、時延精度、鏈路質(zhì)量、告警等物理層指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，對于目前的4G系統(tǒng)，主要包括：

表 1 CPRI主要物理層指標(biāo)

帶寬需求、物理指標(biāo)要求等是運(yùn)營商評價前傳技術(shù)方案是否可行的重要依據(jù)。

前傳技術(shù)方案

一、光纖直連方案：

顧名思義，RRU與BBU之間的CPRI接口采用光纖直接連接。目前CPRI光模塊由基站設(shè)備供應(yīng)商統(tǒng)一提供，無需考慮光模塊的互通問題。

為了節(jié)省一半的光纖資源，業(yè)界提出了單纖雙向的解決方案。單纖雙向就是指雙方向的數(shù)據(jù)信號采用不同的波長在一根光纖中傳送。由于雙方向各須增加一個波長選擇濾波器，透過發(fā)送波長，折射接收波長，因此，成本較單纖單向光模塊有所增加。

光纖直連方案實(shí)現(xiàn)簡單，但最大的問題就是光纖資源占用很多，即使采用單纖雙向方案，光纖資源的占用量仍然不容忽視，在光纖資源緊張的區(qū)域，不宜采用此方案。另外，目前基站對于CPRI光接口的管理功能還比較弱，保護(hù)機(jī)制不完善。

二、WDM方案：

這個方案是利用波分復(fù)用特性，將多個CPRI鏈路采用不同的波長承載，然后再復(fù)用到一根光纖中，以達(dá)到節(jié)省光纖資源的目的。WDM方案有兩種實(shí)現(xiàn)方案。

WDM承載設(shè)備方案：采用小型化的WDM承載設(shè)備實(shí)現(xiàn)CPRI鏈路的承載。由于BBU和RRU通過CPRI接口與WDM承載設(shè)備直接連接，基站設(shè)備只需選用短距光模塊即可。WDM承載設(shè)備具備組網(wǎng)能力，可以為CPRI鏈路提供保護(hù)機(jī)制。

此種方案有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是成幀方案即將CPRI信號映射到OTN幀結(jié)構(gòu)后再轉(zhuǎn)換成彩光信號實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，一種是非成幀方案即直接將CPRI信號轉(zhuǎn)為彩光后實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。由于實(shí)現(xiàn)方式不同，兩類設(shè)備在功能和性能上存在差異。

1． 信號封裝到OTN幀的實(shí)現(xiàn)方案可支持更好的管理，可以提高前傳網(wǎng)絡(luò)的可管理性和可靠性；同時，由于成幀操作，絕對時延和時延精度有所劣化。

2． CPRI信號不封裝到OTN幀的實(shí)現(xiàn)方案可保證很小的絕對時延和時延精度，但是由于無法監(jiān)測誤碼，無法在線路性能劣化時執(zhí)行倒換。

CPRI彩光方案：基站CPRI接口采用彩光模塊，通過無源的合分波器實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，無需配置承載設(shè)備。CPRI彩光方案的優(yōu)勢如下：

1． 相對于普通CRPI光纖直連方案，CPRI彩光模塊的傳輸距離更長，且可以通過WDM方式節(jié)約光纖資源；

2． 相對于WDM方案，可以減少BBU／RRU設(shè)備與WDM設(shè)備之間的白光互聯(lián)光模塊，降低建設(shè)成本。

但是，CPRI彩光方案目前尚處于萌芽期，網(wǎng)管能力、保護(hù)能力仍處于未知狀態(tài)，維護(hù)問題能否解決也是影響其未來應(yīng)用的關(guān)鍵因素。不過由于彩光方案全程無源、使用簡單并且支持波分復(fù)用等優(yōu)勢，目前也是業(yè)界比較看好的前傳方案。

三、WDM－PON承載方案：

WDM－PON由于接入用戶帶寬需求不足，一直進(jìn)展較慢，近期隨著CPRI承載和用戶帶寬需求的迅速增長，業(yè)界也開始考慮把WDM－PON作為承載CPRI信號的技術(shù)方案之一。

WDM－PON的一個最大特點(diǎn)就是波長獨(dú)立，不同波長通道可采用不同協(xié)議、速率、碼型，承載不同業(yè)務(wù)，這將為CPRI的承載減少光纖和專用設(shè)備。在性能上，CPRI的需求遠(yuǎn)比普通用戶接入嚴(yán)格得多，因此WDM－PON需要簡化協(xié)議和封裝的流程，來滿足CPRI對于時延和抖動的需求。對于CPRI的信號可以采用直接透傳，或者將CPRI信號做簡單處理后封裝進(jìn)以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸。目前WDM－PON承載CPRI的技術(shù)方案還處于起步階段，ITU－T15組的Q2正在進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

面向5G的下一代前傳接口 5G每基站帶寬是4G的1000倍＝10x基站密度x10x載波帶寬x10x頻譜效率，通常來講，拋開基站密度因素，每基站所需帶寬是4G的30～50倍。按照通常的5G模型分析，如果繼續(xù)沿用CPRI格式的前傳接口，前傳帶寬有可能達(dá)到1Tbit／s以上，不管經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上前傳將變得無法負(fù)擔(dān)，因此對CPRI接口進(jìn)行優(yōu)化刻不容緩。

NGFI是指下一代無線網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備中基帶處理功能與遠(yuǎn)端射頻處理功能之間的前傳接口，基本特征是重新定義了BBU和RRU的功能，將部分BBU處理功能移至RRU上，進(jìn)而導(dǎo)致BBU和RRU的形態(tài)改變，重構(gòu)后分別重定義名稱為RCC（Radio Cloud Center，無線云中心）和RRS（Radio Remote System，射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)），并且基于分組交換協(xié)議將前傳由4G的點(diǎn)對點(diǎn)接口重新定義為多點(diǎn)對多點(diǎn)的移動前傳網(wǎng)絡(luò)。NGFI的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 NGFI的架構(gòu)

RCC和RRS的劃分有很多種方式，包括：

1）2層內(nèi)部劃分－LOW MAC／HIGH MAC

2）MAC／PHY劃分

3） Bit－level／Symbol－level劃分

4） Symbol－level／Sample－level

5）Baseband／RF劃分

不同劃分方式會帶來不同的前傳帶寬和時延要求，一般兩者不可兼?zhèn)?。需要帶寬小的劃分方式會有更?yán)格的時延要求，另外由于更多功能轉(zhuǎn)移到了遠(yuǎn)端設(shè)備，也會帶來遠(yuǎn)端設(shè)備的復(fù)雜化。因此，在未來使用的時候需要根據(jù)具體需求在各種方案之間進(jìn)行權(quán)衡。目前國內(nèi)外主流運(yùn)營商都傾向于前傳帶寬不超過25Gbit／s，這樣可以充分利用將要出爐的25G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和成熟的100G光模塊產(chǎn)業(yè)鏈（4×25G）。

標(biāo)準(zhǔn)化方面，2015年10月成立了IEEE1914任務(wù)組，研究NGFI的需求和架構(gòu)。任務(wù)組由中國移動主導(dǎo)，國內(nèi)廠家包括烽火、中興在內(nèi)，共45個成員，目前就應(yīng)用場景、應(yīng)用需求、關(guān)鍵指標(biāo)等提出了很多想法。另外IEEE定義了用以太網(wǎng)傳輸CPRI信號的幀結(jié)構(gòu)的IEEE1904．3標(biāo)準(zhǔn)，今年該標(biāo)準(zhǔn)會轉(zhuǎn)移到IEEE1914任務(wù)組中，這也是業(yè)界比較看好的用以太網(wǎng)幀格式稍作修改承載5G前傳的標(biāo)準(zhǔn)。