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    • 1、无线接入业务对传输承载网需求回顾
    • 2、5G 业务需求对传统传输承载网的挑战
    • 3、C-RAN 技术与优势
    • 4、项目部署与实践
    • 5、结束语
    • 参考文献
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面向5G无线接入业务的传输前传组网研究与实践

2021/01/05
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为了满足 5G 大带宽、低延时和广连接的业务特性,本文深入研究了 C-RAN 基站接入传输组网模式,并全面开展了部署和实践。针对全部基站接入业务,统一采用 C-RAN 传输前传组网模式,实现了降低 OPEX 和 CAPEX 的目标,同时提升了网络稳定性,解决了业务潮汐效应,加强了面向未来网络演进的快速部署能力。

1、无线接入业务对传输承载网需求回顾

现代移动通信经过 30 多年的爆发式增长,使信息交流方式从单一的人与人面对面逐步发展成为人与人、人与物、物与物在任何地点的通信,极大改变了人们的生活方式,并成为了推动社会发展的动力和支柱。

以 TACS 为代表的第一代模拟移动通信系统(1G) ,其速率仅为 2.4kbps,满足最简单的移动语音功能。以 GSM 为代表的第二代移动通信系统(2G) ,业务下载速率可达 115/384kbps,初步具备了支持多媒体业务的能力,传输网引入了基于 SDH 的 MSTP 技术,一个典型基站回传采用 2~6 个 E1(2Mbps)带宽。 第三代移动通信系统(3G),如 TD-SCDMA 业务下载速率 384k~2.8Mbps,一个典型的宏基站回传带宽 6M~10Mbps,传输网络从小颗粒、低容量、以 TDM 为主的 SDH 网络演进至满足高容量、大颗粒、全 IP 业务需求的 PTN 网络。第四代移动通信系统(4G),如 TD-LTE 业务下载速率理论上可达到 100 Mbps,是 3G 的 35 倍,回传的保证带宽 CIR 要求 40~80Mbps,峰值带宽需求 320~640 Mbps,当 4G 容量需求大幅增长时,GE 环已无法满足需求,一般只能采用升级扩容为 10GE 设备环或原 GE 拆环两大方式来应对解决。

2、5G 业务需求对传统传输承载网的挑战

为了实现网络强国战略,自 2018 年 12 月以来,国家 5G 部署节奏明显加快,各省市陆续出台了面向 5G 的信息基础设施建设 3 年行动计划。5G“新基建” 已成为广泛关注的焦点,5G 网络建设是各级政府、基础运营商的重点工作。

一方面,基础运营商在全力加快 5G 网络建设,另一方面,受到提速降费、市场饱和、激烈市场竞争以及 4G 流量红利逐步消退的严峻挑战,中国通信行业步入“阵痛期”,收入增长乏力,OPEX 高企不下。三大运营商 2020 年 5G 资本开支达 1803 亿,5G 短期内难言收益,投资与运营压力巨大。因此,运营商有强烈的内在动力需在网络建设模式、运维模式和技术手段等各个方面开展创新。

5G 的实现及部署,一方面是技术上的演进创新,另一方面也对运营商的网络运营和管理提出了更高的要求。传统运营商需要向综合平台运营商转型,如何提供一个能够面向各类应用、高效灵活、低成本和开放的网络架构,将是运营商在 5G 时代竞争力的核心所在。

2019 年移动电话普及率已达 114%,三大运营商 4G 基站数达到 544 万,比 2014 年增长了 5.4 倍,以 4G 为主的移动流量达 1220 亿 GB,比 2014 年增长了 57 倍,如图 1 所示。而到了 5G 时代,基站数将达 4G 的 3 倍以上;速率达 1Gbit/s,是 4G 的 10 倍以上;连接密度 106/km2,是 4G 的 10 倍以上;网络时延达 1ms,是 4G 的 1/5 以下。

5G 业务对于基站传输的需求和消耗巨大,意味着若采用传统的组网模式,需要投入大量的传输设备提升带宽,无法满足未来无线网络的业务需要。同时,无线接入网面临着基站高额能耗、高容量的无线接入网需求、潮汐效应导致基站利用率低下等多个挑战,亟需在基站接入传输方面开展组网创新与重构。为此,笔者提出基于面向 5G 和未来网络发展的传输目标网,在基站接入传输前传网络中统一采用 C-RAN 组网模式。

图 1 2014-2019 年移动流量 /4G 基站数 / 移动电话普及率发展现状

3、C-RAN 技术与优势

按照 5G CU/DU 部署方式可分为集中式 C-RAN 和分布式 D-RAN 两种方式,如图 2 所示。集中式是指多个 5G 基站 CU/DU 集中在同一个集中机房内,集中机房可以采用传输业务汇聚机房和基站集中机房两种模式,AAU 拉远到基站侧。分布式是指 5G 基站 CU/DU 部署在基站侧,CU/DU 与 AAU 同站址部署。

图 2 C-RAN 与 D-RAN 部署网络架构

5G C-RAN 基于 CU/DU 的两级协议架构、NGFI 的传输架构和 NFV 的实现架构,形成了面向 5G 灵活部署的两级网络云构架,将成为 5G 和未来网络架构演进的重要方向。5G C-RAN 网络具有集中化(Centralization)、云化(Cloud)、协作(Cooperation)和绿色(Clean)4C 特征。 同时,对于 2G/4G 基站,已经通过改造升级演变为 BBU+RRU 结构,因此,与 5G 基站一样具备了 C-RAN 的组网条件。

在 C-RAN 网络里,系统可以根据实际业务负载、用户分布、业务需求等实际情况动态实时调整处理资源和空口资源,实现按需的无线网络能力,提高新业务的快速部署能力。同时,减少了运营商对无线机房的依赖,降低配套设备和机房建设的成本和整体综合能耗,也实现了按需的无线覆盖调整和处理资源调整,在优化无线资源利用率的条件下提升了全系统的整体效能比。另一方面,集中化对机房选址、外电和电池、回传设备的安全级别增加了挑战,前传若引入彩光也增加了不可监控的节点,可通过获取稳定的机房物业、直供电、适当控制集中度等方式突破解决。

从成本角度来分析,集中部署的优势在于以下 4 个方面。

(1)原基站侧无需配置传输 PTN/SPN 设备,未来业务扩容具备高弹性。

(2)基站 50%以上能耗源自空调,C-RAN 集中后可节省基站空调电费和电池。

(3)可节省维护成本。

(4)可节省基站租金。

同时,集中部署也会带来额外 3 项成本。一是现网搬迁费用;二是增加集中机房的配套和电费等费用;三是传输前传无源彩光和少量接入投资。经过综合测算评估,在 2G/4G/5G 全集中 C-RAN 部署情况下,可以有效降低投资成本,集中度越高节省越多,C-RAN 集中原则建议若集中在基站机房中,至少需要集中 3 个站点,若集中在业务汇聚机房中,至少需要 6 个站点。

4、项目部署与实践

4.1 C-RAN 规划部署原则

4.1.1 前传网络部署

(1)由于 2G/4G/5G CU/DU/BBU 集中部署,基站前传如针对每种网络制式单独新建前传光缆,纤芯消耗巨大,见表 1。前传网络部署方案有光纤直驱,无源 WDM+彩光模块,有源 WDM 和半有源波分 4 种。其中无源 WDM 局端和远端均采用无源器件,节省光缆、时延低、成本低、免维护、无需供电,综合考虑可实施性和性价比等因素,基站前传优选彩光加无源波分方案,前传光口采用彩光光模块,以无源波分来实现 12:1 的纤芯复用,如图 3 所示。

表 1 前传纤芯需求分析

 

    

图 3 无源波分 12:1 方案

(2)CU/DU/BBU 应选择部署在具有丰富的管道、光缆和电源等资源的机房,确保满足中远期装机需求和前传部署需求。

(3)在规划 AAU/RRU 归属 CU/DU/BBU 时,应依托现有综合业务接入区,按照相邻微网格进行统一规划,确保末端接入的唯一性,原则上要求不跨综合业务接入区接入 AAU/RRU,避免同一微网格的 AAU/RRU 归属不同 CU/DU/BBU。

(4)光缆部署原则:CU/DU/BBU 至 AAU/RRU 间应优先利用综合业务接入区光缆来满足基站前传需求。当现有网络资源不能满足需求时,可统筹集团客户和家庭宽带需求,采用新建光缆方式,具体采用星状组网加光交箱方式:在集中机房外围部署光交箱,从机房到光交箱间采用 144~288 芯大芯数光缆,从光交箱至 AAU/RRU 间可部署 24/48 芯光缆。

4.1.2 回传网络部署

5G 基站回传带宽需求见表 2,具体原则和部署如下。

(1)回传网络以新建 SPN 为目标网络。以满足 5G 大规模连续覆盖和各类业务需求为目标,根据技术成熟度分步或一次性引入 FLexE、SR、IPv6 等 SPN 关键组网特性,按需新建 SPN 系统,具备端到端独立组网能力。

(2)集中机房内的传输设备应确保成环且无同路由(出局第一个人口井后具有两个不同的物理路由),并优先考虑双归。

(3)集中机房内的传输设备应具备双交叉(主控)和双电源,配置不少于 2 块支路板卡对接 CU/DU/BBU 设备。

表 2 5G 基站回传带宽需求表

4.1.3 同步方案部署

(1)优先采用卫星同步方案,5G 基站同步要求支持北斗和 GPS 双模工作,具备自动切换功能。对于集中 2G/4G/5G,由于 BBU 数量大,引入了有源 GPS 功分设备,解决了安装多路 GPS 的瓶颈问题。

(2)对于北斗 /GPS 天线安装困难场景,可利用传输 1588V2 信号进行同步,通过传输网络中的时钟服务器获取时钟同步,精度可达到亚微秒级。通过部署时间同步源和改造地面回传网络实现了 1588V2 部署。

4.2 某 C-RAN 实战案例

针对某一综合业务接入区,开展了基于传输目标网的 C-RAN 实践部署。该区域接入区面积 0.39km2,区域内 14 个家宽覆盖社区、17 个无线基站、16 条集客专线业务。受到传输接入资源不足的影响,这些业务在容量和安全方面存在隐患。

其中,无线业务 17 个基站涉及 16 个传输接入环,由于原来缺乏机房和管道资源,无线基站以主干光缆开天窗方式接入,同环节点数量较大,接入环跨度远,单个节点故障(停电、接入光缆中断等)会造成全环安全性急剧下降。以某一基站为例,主干光缆开天窗方式接入,环上 9 个节点,到传输接入路由历程长达 13.6km。

经过部署实施,该区域增加了 2 个业务汇聚机房,构建了完整的配线链,从而实现集客业务、家客业务、基站业务统一接入方式,2G/4G/5G 网络统一使用 CRAN 组网方案,如图 4 所示,原 2G/4G BBU 统一搬迁集中到业务汇聚机房内,5G 采用 CU/DU 合设,同时用光纤加上无源波分(彩光)的方式解决了前传纤芯消耗过大的问题。 

 图 4 D-RAN 向 C-RAN 传输目标网演进图

该试验区已经实现节省基站传输设备、空调功耗和配套的目标,每年可节省 80 万元以上 OPEX。其中,设备方面,可节省 21 台末端 SPN 设备,节省投资 60 万;配套方面,无线基站功耗、空调等条件要求降低,每年可节省 20 万元以上。经过传输目标网部署和 C-RAN 改造后,新建基站建设日均产能提升 150%,接入业务平均跳纤点减少至 3~5 个。同时,在集中 BBU 基础上,进一步采用了合并小区载波共享等技术,解决了无线业务潮汐效应。

5、结束语

当前 5G 业务乃至未来无线网络演进,正面临着越来越多的挑战,大带宽业务对传输资源的消耗,提升频谱效率的困难越来越大,多制式同时运营,潮汐效应下网络负载不平衡,以及网络建设和运维成本不断增长等,众多问题亟待移动运营商来解决。基于传输目标网的 C-RAN 正是有效应对这些挑战的创新架构。

同时,我们也要清晰的认识到,C-RAN 落地需要的三大关键条件是机房、外电和管道,缺一不可。5G 大带宽、低时延和广连接等特性,离不开网络的高可靠性,未来通信要实现 99.9999%可靠性的目标,必须是建立在作为基站载体的市政设施高稳定性基础上。因此,真正的 5G 目标网不仅在于基础运营商的网络布局规划或主设备性能,更重要的是实现所有的公共物业市政设施 100%开放、100%直供电、100%对管道 / 光交箱等基础通信设施予以支持和保护,全社会全行业实现数字化转型,赋能社会经济进入高质量的良性循环发展。

参考文献

[1]王冬冰,王洪亮,杨永军,等 . 面向 5G C-RAN 组网模式在现网中的应用[J]. 电信科学,2018(1).

[2]吴钦雄 . 基于 C-RAN 组网方式的 5G 传输承载方案研究和实践[J]. 电信工程技术与标准化,2019(9).

[3]雷秋燕,张治中,程方,等 . 基于 C-RAN 的 5G 无线接入网架构[J]. 电信科学,2015(1).

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