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面向业务演进的5G无线接入组网部署规划

http://www.c114.com.cn ( 2018/9/12 17:29 )

摘要:对5G业务场景特点及应用发展进行分析,给出面向业务的5G分阶段部署需求策略;基于现有无线设备形态及5G接入网CU/DU重构方案,预判5G NR设备形态及组网特点;综合分析当前无线网发展存在的问题及挑战,建议5G采用C-RAN架构进行组网部署的策略并给出关于BBU/DU池集中度、BBU/DU池集中点以及无线前传的组网方案。在此基础上,结合业务特点及业务发展需求,给出C-RAN架构下的CU/DU部署策略,并提出现阶段的无线网应对部署策略,为后续5G快速部署提前奠定组网架构基础。

关键词:5G;C-RAN;CU/DU;无线接入网;组网部署

1  引言

4G已为用户提供了前所未有的使用体验,大大改变了移动互联网用户的业务使用习惯,实现了人与人、人与物之间的通信更进一步。然而,随着各种技术的突破,5G网络与其他先进技术之间实现了相辅相成、协同发展的新局面。5G不仅需要满足人们对超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求,能够为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体现,同时还要渗透到互联网的各个领域,与工业设施、医疗仪器、交通工具等进行深度的融合,实现“万物互联”的愿景,有效地满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。因此,5G不仅解决人与人、人与物之间的通信需求,还需解决物与物之间的通信需求。

为了应对不同场景、不同业务的部署需求,5G 不仅采用更大组网带宽,同时也将目前4G传统BBU重构为DU和CU。重构后的设备形态将如何?为了便于系统演进及新业务发展,5G无线网架构将如何调整?面向业务CU、DU如何部署?当前4G无线网建设中如何应对?本文从5G业务需求分析出发,对5G新设备可能的实现方案及形态、面向业务的5G组网架构及CU/DU部署方案进行综合分析评估,为后续5G无线网大规模部署提供参考建议。

2  5G业务部署及设备形态

2.1   5G业务发展部署策略

5G无线网络具备高峰速率、高频谱效率、高移动性、高密度连接、大容量、低时延、低功耗等关键特性指标,将给用户带来极致体验无处不在,提供了低时延和高可靠的信息交互能力,支持互联实体之间的高度实时、高度精密、高度安全的业务协作。ITU在其发布的《5G白皮书》中定义了5G的三大应用场景,增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(URLLC)、大规模机器类通信(mMTC)。其中,eMBB在现有移动宽带业务场景的基础上,着眼于未来移动宽带业务场景需求,提供更高体验速率和更大宽带接入能力,进一步提升用户体验等性能,追求人与人之间的极致通信体验,eMBB适用于热点、虚拟现实、增强现实、超高清3D视频、高清语音、云办公、云游戏等高容量应用。mMTC则是物联网应用场景,支持大规模、低成本、低能耗物联网(IoT)设备的高校接入和管理,具体包括车联网、智能家居、智慧城市、环境监测传感器等物联网应用; URLLC适用于车联网、物联网、移动医疗等对网络时延及可靠性要求很高的场景。

从业务发展需求看,mMTC业务前期可利用已有LPWA技术提供,包括现有蜂窝技术及非蜂窝技术等,未来5G新系统逐步实现满足更大规模连接以及更低要求时延这两种场景,诸如物流跟踪、工业机器人连接控制、城市交通管理等。因此,初期5G更为迫切的业务需求将是eMBB和URLLC。随着高清视频、AR、VR等技术日渐趋热,大容量、高速率将是5G最大的驱动力,故5G的优先需满足于eMBB场景应用需求,而以智能驾驶为代表的URLLC对5G的需求不如eMBB场景那么迫切。

因此,初期(预计2019-2020年)5G保障eMBB业务为主,满足4G热点分流,提供高清视频、AR、VR等业务需求,推进NB-IoT/eMTC演进,承载mMTC业务,推动诸如无人机、车联网新业务试点应用;中期(预计2021-2023年)以eMBB业务的主要承载网,同时满足诸如智能驾驶等URLLC业务需求,而NB-IoT/eMTC为mMTC主力承载网,5G NR承载少量潜在新型mMTC业务。5G商用完全成熟后(预计2023以后),即eMBB和URLLC业务进入成熟化阶段,按需对网络进行扩容,NR大规模承载URLLC业务,此时NB-IoT和eMTC仍为mMTC业务的主力承载网,5G NR承载部分新型mMTC业务。

2.2   5G NR设备形态及特点

5G接入网重构为CU+DU+RRU逻辑架构,CU和DU共同组成gNB基站,考虑到现有4G设备的演进需求,未来5G无线设备主要有CU/DU合设以及CU/DU分离两种实现方案。

(1)CU/DU合设设备:类似现有4G的BBU设备,当前4G BBU采用主控板+基带板两个逻辑实体进行组网,因此,采用合设方案时,5G BBU将采用CU板+DU板的架构方式,从而确保单BBU设备同时具备CU和DU的逻辑功能,这样不仅有利于后续扩容和其他新功能引入的灵活性,也有利于现有4G BBU向5G支持演进的平滑升级。CU/DU合设因采用电信级专用架构、并采用专用芯片实现,其可靠性较高、体积较小、功耗较小、且环境适配性较好,对机房配套条件要求较低。

(2)CU/DU分离设备:采用分离方案时候,DU设备和CU设备作为两个独立实体存在。根据3GPP的架构标准,DU主要负责完成RLC/MAC/PHY等实时性要求较高的协议栈处理功能,CU则负责完成PDCP/RRC/SDAP等实时性要求较低的协议栈处理功能:

对DU设备而言:DU对实时性要求非常高,同时5G NR中采用包括大带宽(百MHz载波带宽)、多天线技术的引入,相比现有无线系统,5G吞吐量十倍到百倍量级的提升,因此,物理层信号处理复杂度也有高达百倍量级的提升,因此,DU必须采用电信专用架构实现,主处理芯片采用集成硬件加速器的专用芯片,以满足5G底层的高处理能力要求和实时性要求。此时,DU设备可以看作是CU/DU合设方案中的BBU设备功能简配(无CU板)。

对CU设备而言:因CU对实时性要求相对较低,故CU不仅可以采用电信专用架构实现,同时也可以基于通用架构实现,使用CPU等通用芯片。采用通用架构时扩展性更好,更易于虚拟化和软硬解耦,便于池化部署、动态扩容和备份容灾,后续也可基于同样的虚拟化硬件平台,扩展支持MEC及NGC等需要下沉需求。

综上所述,5G NR设备型态包括BBU设备和独立CU设备两种。其中,BBU设备基于专用芯片采用专用架构实现,可用于CU/DU合设方案,同时完成CU和DU所有的逻辑功能,也可在CU/DU分离方案中用作DU使用,负责完成DU的逻辑功能;独立CU设备可基于通用架构或专用架构实现,只用于CU/DU分离方案,负责完成CU的逻辑功能。

3  5G无线组网架构及方案建议

3.1 5G系统部署面临挑战

面对多样化场景的极端差异化性能需求,5G将集多种接入技术(4G/5G/NB-IoT/eMTC等)、多种部署场景(区域覆盖、线覆盖、点覆盖)、多种站点类型(宏基站、小微基站、室分站)的扁平化、多连接、泛接入网络,是一张可以根据业务应用灵活部署的融合网络。尤其未来4G/5G将长期共存、协同发展,5G新空口定位于面向更大带宽和万物互联优化,采用全新空口设计,不支持后向兼容,优先在新频段使用。而现有存量频谱(700M/900M/1.8G/1.9G/2.3G/2.6G)将继续采用现有4G空口进行融合演进,通过NSA、SA协同组网方式,逐步向未来5G系统演进,同时也有利于最大限度的保护运营商投资。

基于以上特点,在实际开展5G无线网建设部署时候,需兼顾现有4G系统解决以下几个问题:

(1)建设成本:5G NR在C频段部署,以普通城区链路仿真为例,按边缘吞吐率下行50 Mb/s、上行5 Mb/s门限,采用3.5GHz组网时5G上行覆盖半径仅200米左右,其单站覆盖能力低于现有4G基站,即使考虑上下行解耦技术的应用,5G系统站址密度也将进一步提升,一方面,站点规模增加意味着高额的建设投资、站址配套、站址租赁以及维护费用,同时也造成包括无线机房、无线设备、传输设备、后备电源、空调等设备重复投资和能源消耗问题;另一方面,新增资源投入无法给运营商带来成比例收入回报,实际收入增长缓慢。

(2)网络性能:为满足覆盖及业务需求,基于超密集组网(UDN)的分层异构网将是5G网络结构一个典型特色,然而,随着无线小区密度的增加,站间距逐渐减小以及多系统融合应用,将大大增加用户的切换次数和切换失败概率,在网络性能无法保证的情况下将大大降低用户业务感知。因此,5G组网中需要同时兼顾异构组网模式下的“覆盖”和“容量”需求。

(3)系统演进:5G接入网重构为CU+DU逻辑架构,现有4G系统架构不能满足未来差异化业务承载需求,不利于未来CU/DU的分离部署,因此,针对5G新系统部署而言,不仅需要考虑5G本身的部署需求,还需兼顾现有4G设备向5G演进需求,兼顾4G\5G融合组网、协同部署需求,为充分发挥多频段、多制式资源互补及网络演进奠定基础。

(4)业务部署:无线应用市场进一步拓展,诸多垂直行业客户对有效的、安全的和低时延的无线接入网络有强烈需求,面向垂直行业(诸如工业互联网、车联网、企业网等)提供无线网络接入服务、甚至提供特色应用服务是5G需要重点考虑的问题,MEC(Multiaccess Edge Computing,多接入边缘计算)实现了无线网络和互联网两大技术有效融合,可为垂直客户创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境,加速网络中各项内容、服务及应用的快速下载,让消费者享有不间断的高质量网络体验。因此,兼顾业务时延和计算能力需求,构建MEC核心能力,分场景灵活部署MEC正是拓展新业务模式,提升产业价值的重要的解决方案。因此,5G无线网部署需有利于实现MEC下沉部署需求,有利于推动各类新兴业务快速拓展。

3.2 5G无线接入组网方案

为解决上文提到的成本、性能、演进、新业务部署面临的问题,在面向RAN2020的演进过程中,接入网侧新引入C-RAN新组网架构,从而构建实时功能与非实时资源的灵活部署,功能模块化,协同弹性化,RAN切片化的能力。考虑到C-RAN具有降低成本、改善性能、面向演进、满足新业务部署的优势,为满足多样化场景的极端差异化业务性能需求,未来5G接入网将以C-RAN架构为主进行部署。采用C-RAN进行组网时,需从BBU集中度(C-RAN区大小)、BBU/DU池化集中点(接入机房)、前传接入方式几个维度进行规划,具体方案如下:

(1)BBU/DU集中度:C-RAN覆盖区范围大小需进行合理规划,通常有小集中和大集中两种模式,小集中优势主要有:(1)、单个节点的风险程度降低;(2)、区域内传输资源消耗少,可扩容能力强,有利于未来5G超密集组网(UDN)的布局;(3)、对于业务场景比较单一的区域,更有利于未来5G面向业务的规划。不足之处在于:(1)、单个C-RAN区域内可协同的站点少,不利于CoMP及CA实施,网络性能提升效果欠佳,无法发挥C-RAN架构下的性能提升优势;(2)、需要的BBU池机房消耗多,增加机房选址压力的同时也不能有效的节约投资成本。C-RAN大集中优势主要有:(1)、便于站间协同及CA技术实现,对无线网络性能提升效果佳;(2)、有利于针对某些特定的场景业务及应用在未来5G规划中可提供定制化设计,诸如CU/MEC的下沉。不足之处包括:(1)、单节点风险增加,维护等级及对应的配套投资需要提升;(2)、前传纤芯资源消耗量大,光缆收敛跳纤增加,对传输要求也进一步提高;(3)、不利于面向未来5G的站点进一步加密。

通过从建设部署成本、小区边缘协同性能提升指标、未来5G超密集组网后RRU挂接需求、传输一张光缆网发展需求等多个维度综合分析,建议单个C-RAN区覆盖8~10个宏站物理站址为宜,按照站间距300m~500m计算,单个BBU池的覆盖能力在0.5~5平方公里左右,可以依据实际站点部署情况做适当调整。

(2)BBU/DU池集中点:C-RAN机房建议选在传输管道资源丰富的区域(尽量于综合业务区一级光交环路的光交箱附近进行选择)、具备后续进出维护方便的优势、避免短期内被拆迁拆除风险等。同时,需考虑GPS室外安装条件是否满足。机房获取中,优先利旧现有传输汇聚机房、空间足够的自有基站机房均可作为BBU/DU池机房,不具备利旧条件的情况下,建议开展新接入机房选址规划。新增BBU池化汇聚机房需兼顾传输接入层机房双重属性,不仅需满足区域内4G/5G所有BBU汇聚以,同时需考虑未来CU/MEC部署及全业务OLT下沉需求。以自建砖混机房为例,机架位按4G 2个,5G 2个,CU/MEC 1个,PTN汇聚1个,5G传输汇聚1个,OLT 1个,ODF 1个考虑,如果采用传统铅酸电池,则机房空间需配置25平米以上;若采用新型磷酸铁锂电池,机房空间需配置20平米以上,机房布局如图1所示:

(a)25平米机架布局图

(b)20平米机架布局图

图1 BBU接入点机房布局参考图

(3)前传组网接入:5G高密集组网、高速率传输以及高频通信技术的应用,使得前传网络的流量压力急剧增加,同时对时延要求面临严峻的挑战。因此采用的前传网络技术需同时具备满足低时延、节省光纤资源等能力。典型前传技术主要白光直驱、CWDM彩光、OTN/WDM技术。

a)白光直驱方案的优点是可满足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。故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。

b)CWDM彩光采用波分复用技术将多个射频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,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。其劣势是成本相对较高,同时由于每个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。

c)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,通常一对光纤可支持十几个甚至几十个基站,并引入OTN的封装、管理和保护机制。其优点是OTN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,不仅占用光纤资源少,同时有利于扩容演进,基本满足50ms的保护倒换要求;不足之处在于该方案需要BBU侧和RRU侧配置OTN/WDM设备,不仅设备成本高,而且需要配备相应的电源、散热装置(为室内型),因此还需考虑设备安装条件是否具备。此外,多个级联的OTN/WDM 设备情况下的频率抖动是否满足还有待进一步验证。

综上所述,对于部署成本敏感的接入层网络C-RAN前传建议优先采用无源彩光方案,未来根据OTN前传技术试点应用成果,可以逐步采用OTN技术方案实现前传。

3.3 CRAN架构下的CU/DU部署

C-RAN架构下,CU/DU可部署在接入机房、普通汇聚机房、骨干汇聚机房和核心机房四种。

对于纯DU设备及CU/DU合设BBU来说,因其时延要求高,适合采用类似现有4G的塔下直接部署及BBU池部署方式。结合BBU/CU池化集中度的分析可以看出,采用CRAN小集中方式池化部署时BBU/DU时,BBU与RRU之间距离较近,通常前传距离在1公里以内,使用短距高速光模块则能满足需求,该方式也有利于降低部署成本;将BBU/DU部署在C-RAN池机房内,有利于后续4G/5G BBU融合及4G/5G协同技术的引入。因此,从建设成本及4G/5G演进需求看,DU需优先考虑采用C-RAN方式进行组网部署,对于某些特定场景,可考虑塔下直接部署方式。

对于CU设备而言,eMBB、mMTC、URLLC三类业务诉求差异大,其部署位置和方式需兼顾业务具体诉求进行灵活部署,以满足业务对时延、带宽、大连接等需求,并达到最大资源利用效率。因此,针对不同业务的部署,需充分考虑功率、传送网,站点可实施性及基建等相关因素。

URLLC业务和eMBB时延敏感业务,CU与DU同机房部署,有利于减少数据传输的时延。

eMBB时延不敏感业务,CU和DU可以分离部署,有利于更好集中管理,提升资源利用效率。

mMTC业务,要求支持海量连接,建议CU与DU分离部署,确保网络信令处理能力和内存可扩展性好,以满足mMTC海量连接需求。

C-RAN架构组网模式下,不同机房部署CU的特点如表1所示:

表1    CU部署不同机房的业务特点及部署改造特点

C-RAN架构
管辖DU规模
DU/CU交互时延
部署特点
接入机房
数十个
几乎不计
CU/DU一体设备对机房环境适配性较好,因此部署难度和4G部署BBU相同,对机房条件无额外要求
汇聚机房
数十个
数百微秒
施工难度和传输改造难度相对较大
骨干汇聚
数百个
毫秒级
CU部署在骨干汇聚机房时施工难度较小,且池化规模较大。
对传输网的压力也较小。
核心机房
数千个
十毫秒级
便于CU虚拟化和池化,部署最为便利且性价比高。

由此可以得出结论:对eMBB业务,为了保证5G的无线性能和时延,CU与DU间的单向时延需控制在3毫秒级以内,故核心机房不能满足时延要求,其余机房均能满足需求;对URLLC业务,其空口数据面时延需控制在0.5 ms以内时,CU只能部署在C-RAN接入机房才能满足时延要求;对于mMTC业务,业务本身对时延需求不大,对CU部署位置要求不高,可优先考虑部署在核心机房。

5G无线网CU/DU部署架构如图2所示:

图2    CU/DU部署示意图

4 现阶段无线架构预埋应对

未来为更好实现5G无线网快速部署,在现有4G网络规划中建议提前开展面向5G演进的C-RAN架构演进规划,具体建议如下:

(1)将远端RRU站点前传接入作为传输业务接入需求开展传输规划,以一张光缆网为目标导向,以综合业务区为范围开展C-RAN区域细分规划,结合前文分析,建议单个C-RAN区包括8~10个左右宏站物理点,区域面积为0.5~5平方公里左右,单个综合业务区细分为3~4个C-RAN区。

(2)提前开展面向C-RAN架构演进需求的接入机房规划,选取条件良好的机房做为BBU集中设置点。机房位置建议选在一级分纤点周边,有利于向上双挂2个汇聚机房成环,对于机房面积,建议至少配置20平米。

(3)提前开展面向C-RAN演进的前传接入规划:现阶段可考虑采用彩光实现前传,单物理点可根据当前使用的频点数及后续频率扩容需求进行合理的合分波设计及传输纤芯配置。远端站点接入点的选择方面,共址站可优先利旧现有光缆路由,如宏站利旧汇聚接入环,微站利旧上联光缆;跨综合业务区站点,需要调整挂接,按新址方案,对于新址站点建议就近接入2级及以下光交,不建议直接通过一级光交接入,有利于节约主干纤芯资源。

5 结束语

本文对未来5G无线组网架构及CU/DU部署进行研究。首先对5G业务场景及应用特点、发展需求进行分析,提出业务分阶段发展部署策略;按照业务发展需求,通过对5G无线主设备特性分析以及目前无线网组网建设遇到的问题及挑战进行综合评估,提出5G NR接入网采用C-RAN架构进行组网部署的策略,在此基础上给出包括C-RAN区域规划、机房配置、前传接入方面的整体方案建议。在此基础上,基于5G业务场景特点,给出 CU、DU具体位置规划建议并提出现阶段网络建设中的应对措施。

因5G NSA(非独立组网)及SA(独立组网)相关标准方才制定,实际5G设备形态还有待商用开发,同时针对DU/CU的部署也需要进一步基于特定的场景和覆盖需求,也需要结合市场业务发展的需求进行合理规划配置。但在5G组网架构方面,采用C-RAN架构更能满足未来NFV/SDN等技术的发展应用,同时在成本及未来高密度网络协同、性能提升方面的优势也不言而喻,因此,本文建议当前无线网建设中,优先考虑采用C-RAN架构进行部署,同时做好包括机房、传输等相关资源的提前配置。

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作者简介

黄小光:高级工程师,硕士毕业于重庆邮电大学信号信息处理专业,现任职于华信咨询设计研究院有限公司,从事无线网络规划、咨询设计等工作。

赵品勇:高级工程师,硕士毕业于南京邮电大学通信工程专业,现任职于华信咨询设计研究院有限公司,从事无线网络规划、咨询、管理等工作。

汪伟:高级工程师,硕士毕业于浙江大学控制科学与工程专业,现任职于华信咨询设计研究院有限公司,从事无线网规划、设计等工作。

作者:黄小光 赵品勇 汪伟   来源:《移动通信》

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