面向5G无线接入业务的传输前传组网研究与实践

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。