Cloud BBU关键技术及适用场景分析
李书德 司钊
【摘 要】目前我国4G网络正由广覆盖向深度覆盖推进，相应的基站站址密度越来越高，同时也出现了站点重叠覆盖区域网络性能发生掉坑的现象。目前业界普遍推崇Cloud BBU（CRAN）的无线接入网方案来降低站间干扰，改善边缘用户体验，实现资源利用率最大化。本文就Cloud BBU的关键技术——CoMP的实现原理、协议流程进行分析，并对Cloud BBU的适用场景进行了探讨。
【关键词】Cloud BBU；CoMP；CRAN；站间协同；吞吐率；干扰抑制
1 引言
4G商用网络在我国日益完善，4G用户数也呈现爆炸式增长，随着各种智能应用的普及和发展，用户数据流量也正在逐年稳步增长。面对用户数量的巨幅增长和用户对网速要求的不断提升，传统的4G组网模式在应对热点区域的巨量数据业务需求时，已难以为客户提供良好的使用体验。
数据热点区域通常也是站点密集区域，宏微基站立体组网密集交织，如何在现有的密集站点区域提升网络性能就变得十分必要和紧迫。密集站点区域宏微站同频或微微站同频的情况时有发生，出现了站点重叠覆盖区域网络性能掉坑的现象。当前，业界普遍推崇Cloud BBU的无线接入网方案来提升4G网络性能。理论上，借助CA（Carrier Aggregation，载波聚合）、CoMP（Coordinated Multi Point，多点协同）等技术可以降低站间干扰，改善边缘用户体验，实现资源利用率最大化。
2 Cloud BBU及其关键技术介绍
Cloud BBU网络又称CRAN（Cloud Radio Access Network，云无线接入网），其组网方式与传统基站有很大差别，如图1所示：
Cloud BBU通过对目标覆盖区域内所有BBU进行集中式部署的组网方式，以基站簇为单位设置集中控制节点进行跨站协同，将基站内部小区间的业务协同扩展到基站间，从而达到提升网络性能，改善用户体验的目的。其具体实现手段及应用到的关键技术主要有站间CA及小区合并技术、CoMP技术、分布式D-MIMO（Distribute-Multiple-Input Multiple-Output，分布式多发多收）技术等。
通过站间载波聚合（含宏宏站间的载波聚合以及宏微站间的载波聚合）消除小区边缘，提升用户体验。通过站间的CoMP技术（含宏宏站间CoMP以及宏微站间CoMP），采用多小区联合发射、协同波束赋型、多小区选择发射等手段（利用不同基站下的相邻小区的天线对某一个用户的数据进行处理和发射，增加有用信号功率或减轻小区间干扰。或者利用相邻小区的天线对某一个用户的发送信号进行联合接收，获得多天线的信号合并增益及干扰抑制增益），减少小区边缘干扰，提升用户体验。通过Cloud BBU簇内多小区向集中控制节点上报用户间干扰、用户调度等信息，集中控制节点基于用户的信号质量要求，针对边缘用户进行多小区联合时频资源分配，从而达到干扰协调、实现资源效率最大化的目的。
限于篇幅，本文主要介绍上述Cloud BBU组网中重点应用的CoMP技术。
CoMP（Coordinated Multi Point，多点协同）技术又分为DL CoMP（下行）和UL CoMP（上行）。
DL CoMP为解决PDSCH信道（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）同频干扰而引入，从Cluster（簇）的层面协调配置多个小区的时频资源、功率资源、空域资源，在资源调度中协调考虑本小区业务体验和小区间干扰影响，在波束生成中协调考虑本小区用户信号能量和小区间干扰影响，达到抑制小区间干扰，提升小区边缘用户吞吐率的目的。要实现DL CoMP，主要经过如下三步：一是簇配置，主要通过MML命令配置簇内小区；二是UE属性判断，主要根据UE上报A3信息和SRS重配信息确定UE的CoMP属性；三是簇内小区协作调度，即集中调度节点根据计算出的功率图谱信息（其中，P=0表示图谱生效时小区不发送用户业务数据，P=1表示图谱生效时小区可以发送用户业务数据），对P=1小区的CoMP UE进行预调度，同时指示P=0的协作小区在预调度资源上进行波束避让。
UL CoMP利用多小区天线来接收一个用户的信号，然后将多小区接收到的信号进行合并，类似于通过一个小区的多个天线来接收信号，从而获得多天线的信号合并增益和干扰抑制增益。DL CoMP主要依赖干扰抑制技术（IRC），可改善小区边缘用户的吞吐率，提升小区的平均吞吐率。要实現UL CoMP也要经过三步：一是打开UL CoMP开关（服务小区和邻区必须属于同一个连通集，两个小区具有相同的频点、带宽、循环前缀）；二是CoMP UE选择，即服务小区根据UE上报的A3事件选择Type-1 CoMP UE和协作小区，协作小区根据服务小区上报的Type-1 CoMP UE占用的RB位置来选择Type-2 CoMP UE；三是联合接收，即eNodeB的物理层在协作小区集范围内对CoMP UE进行联合接收。其中，Type1 CoMP UE位于小区边缘，且信号可以同时被服务小区和邻区有效地接收，其受到邻区UE的干扰，期望获得多天线合并增益；Type2 CoMP UE位于小区边缘以外，与邻区UE占用的RB有重叠，期望获得干扰抑制增益。
3 提高Cloud BBU应用价值的几点思考
从部署Cloud BBU的应用价值来考虑，主要基于如下几方面的因素：一是采用CRAN建站模式，可以减少基站机房等站址资源的需求，从而降低基站建设难度；二是引入BBU池的概念，平衡连片区域内4G小区忙闲不均的现象，提升片区内基站的总体有效容量；三是有利于实现跨基站的载波合并（CA）功能，缓解部分基站的高流量压力；四是采用CoMP技术，抑制小区间干扰，提升用户吞吐率，改善用户（特别是小区边缘用户）体验。
基于不同的Cloud BBU部署动机，在提高其性价比方面，应有的放矢，区别对待。
部署Cloud BBU，如出于降低建站难度的目的，重点要解决的是集中机房和光纤传输的问题。只有在传输管道资源相对较为丰富，片区内有一个条件较好的集中机房的情况下，采用CRAN建站模式，在集中建站时才能取得较好的综合效益。根据某省的CRAN建站经验，一般一个理想的集中机房，至少需具备接入6个以上基站的传输、电源及外接光缆的条件。否则，如果一个集中机房接入基站过少，在一定程度上会使得网络结构更为复杂，从而增加了基站的维护难度。
部署Cloud BBU，如出于解决片区内基站忙闲不均，提升基站总体有效容量的目的，则重点要解决的是BBU池的安全性问题。此时，对于集中机房的配套电源，其设计标准应高于一般的基站，至少达到传输汇聚层机房的标准。另外，对于集中机房内的PTN设备，可采用负荷分担+热备份的双设备方式（2个PTN设备最好分属不同的接入环）。
部署Cloud BBU，如出于实现跨基站的CA功能，缓解部分基站的高流量压力的目的，则重点需解决基站间的传输链路问题。尽管采用传统分布式PTN的组网结构也能实现跨基站间的CA功能，但此时对传输网的时延要求较高（工程经验表明此时要求传输时延小于4 ms）。故要实现跨基站的CA功能，最理想的组网方式还是BBU集中部署，基站间在同机房内光纤直连。
部署Cloud BBU，如出于抑制干扰，提升用户吞吐率，改善用户（特别是小区边缘用户）体验的目的，则工程部署的重点和难点是基站簇的配置和选择。由于无线环境的复杂以及用户移动的随机性，在具体实施中，难以对目标片区内干扰情况进行十分准确的预判。这就使得从规划之初就采用CRAN方式建站，往往最先的出发点并不一定是降低干扰，也就是说对基站簇的规划和选择带有较强主观性。另一个可行的办法是通过对目标片区现有运行基站进行Cloud BBU改造，此时通过对大量的路测和网络运行数据进行分析，对基站簇的选择就会很有针对性。
对现有运行基站进行Cloud BBU改造，也有两种方式，一是沿用现有分布式PTN组网模式，这时只需在某个基站配置一个USU设备（BBU框间互连和交换平台），对簇内基站BBU进行软件升级即可，但明显的缺点是对传输网时延要求高，协调调度频率低（毫秒级）；二是采用CRAN方式对簇内基站BBU进行集中部署，这无疑会带来较大的BBU搬迁工作，同时对片区内光缆资源要求较高，但明显的优点是可节省大量基站机房资源和设备（如现有基站的传输和电源设备），同时基站间的协调调度频率高（可达微秒级）。
从上述提高Cloud BBU应用价值的相关分析来看，要使得部署Cloud BBU取得较高的性价比，还是应从部署场景方面进行更为细致的研究，从而在规划和部署Cloud BBU时，才能做到针对性更强，可实施性更高。
4 Cloud BBU适用场景分析
从技术原理上看，Cloud BBU理论上对LTE网络质量，特别是对处于覆盖边缘用户的平均增益和吞吐率有提升作用。但该技术的使用也有自身的局限性和不足之处：一是对新增资源（传输、机房等资源）的占用；二是在不同无限环境下，其获得的网络提升效果具有不可测性（与用户行为、簇內基站的布局本身及周边环境密切相关）。从技术引入的性价比考虑，甚至不排除某些极端场景下应用该技术还不如在网络边缘新建一个站址更具有价值。
表1为国内几个部署集中式Cloud BBU的试点案例的简要介绍。
上述两个试点方案由于试点区域较小，在基站建设的总体投入上来看，与传统建站方式差别（节省了部分机房配套投资，但需增加Cloud BBU软硬件投资）不大。除了投入方面的考虑，从表1同时也可以看出，网络本身的负荷水平，对部署Cloud BBU的性价比会产生较大影响。总体来说，网络负荷越重，部署Cloud BBU的效果越明显。
从应用场景分析，人流密集度高的室内外热点区域对数据流量需求大，且宏微基站部署较为密集，机房和空间受限，小区密集等场景适用部署Cloud BBU方案来解决流量不足和站址资源缺口的问题。具体来说，Cloud BBU的适用部署场景至少涵盖以下七类：
（1）高校及主题园区的场景
此场景一般为占地面积较大，半开放式的，相对封闭的园区，园区内人流密度较大。为满足高人流的通信需求，园区内基站建设较为密集。作为通信基础设施的重要一环，园区内道路管道规划和建设都相对比较容易，但这些园区很少为密集的基站建设预留丰富的通信機房资源。采用集中式Cloud BBU方案，可在充分利用园区内道路管道资源的情况下，有效地解决机房资源不足的难题。
（2）密集城区场景
由于密集城区现网基站已经较密，但为应对4G高速数据流量的增长需求，仍有必要持续建设宏微基站。为降低在这些区域基站站址的获取难度，十分有效的方案即利用现有条件较好的基站机房，将其升级为部署Cloud BBU的集中机房，通过光纤拉远的方式在周边快速部署基站。
（3）重要景区场景
景区人流相对集中，但因景观要求高等原因，存在基站站址需求和站址获取之间的矛盾。为最大程度地降低基站建设对景区景观环境的影响，建站时应尽量减小基站体量，部署易伪装的拉远式简易基站。此时，采用CRAN方案，可极大地降低建站难度。
（4）大型商业楼宇等场景
目前，大型商业楼宇的弱电间和管井资源非常稀缺。业主自身的安防系统、消防监控系统、楼内通信系统等与运营商移动通信系统共用上述资源，十分拥挤，甚至会出现在弱电间同时安装BBU和RRU变得不可行的情形。此时，选取楼宇内某一房间作为集中机房对连片商业楼宇的BBU进行集中部署，通过楼内分布式光纤系统构成大型商业楼宇的CRAN系统，可极大地降低对机房、电源、桥架等通信基础资源的需求。
【摘 要】目前我国4G网络正由广覆盖向深度覆盖推进，相应的基站站址密度越来越高，同时也出现了站点重叠覆盖区域网络性能发生掉坑的现象。目前业界普遍推崇Cloud BBU（CRAN）的无线接入网方案来降低站间干扰，改善边缘用户体验，实现资源利用率最大化。本文就Cloud BBU的关键技术——CoMP的实现原理、协议流程进行分析，并对Cloud BBU的适用场景进行了探讨。
【关键词】Cloud BBU；CoMP；CRAN；站间协同；吞吐率；干扰抑制
1 引言
4G商用网络在我国日益完善，4G用户数也呈现爆炸式增长，随着各种智能应用的普及和发展，用户数据流量也正在逐年稳步增长。面对用户数量的巨幅增长和用户对网速要求的不断提升，传统的4G组网模式在应对热点区域的巨量数据业务需求时，已难以为客户提供良好的使用体验。
数据热点区域通常也是站点密集区域，宏微基站立体组网密集交织，如何在现有的密集站点区域提升网络性能就变得十分必要和紧迫。密集站点区域宏微站同频或微微站同频的情况时有发生，出现了站点重叠覆盖区域网络性能掉坑的现象。当前，业界普遍推崇Cloud BBU的无线接入网方案来提升4G网络性能。理论上，借助CA（Carrier Aggregation，载波聚合）、CoMP（Coordinated Multi Point，多点协同）等技术可以降低站间干扰，改善边缘用户体验，实现资源利用率最大化。
2 Cloud BBU及其关键技术介绍
Cloud BBU网络又称CRAN（Cloud Radio Access Network，云无线接入网），其组网方式与传统基站有很大差别，如图1所示：
Cloud BBU通过对目标覆盖区域内所有BBU进行集中式部署的组网方式，以基站簇为单位设置集中控制节点进行跨站协同，将基站内部小区间的业务协同扩展到基站间，从而达到提升网络性能，改善用户体验的目的。其具体实现手段及应用到的关键技术主要有站间CA及小区合并技术、CoMP技术、分布式D-MIMO（Distribute-Multiple-Input Multiple-Output，分布式多发多收）技术等。
通过站间载波聚合（含宏宏站间的载波聚合以及宏微站间的载波聚合）消除小区边缘，提升用户体验。通过站间的CoMP技术（含宏宏站间CoMP以及宏微站间CoMP），采用多小区联合发射、协同波束赋型、多小区选择发射等手段（利用不同基站下的相邻小区的天线对某一个用户的数据进行处理和发射，增加有用信号功率或减轻小区间干扰。或者利用相邻小区的天线对某一个用户的发送信号进行联合接收，获得多天线的信号合并增益及干扰抑制增益），减少小区边缘干扰，提升用户体验。通过Cloud BBU簇内多小区向集中控制节点上报用户间干扰、用户调度等信息，集中控制节点基于用户的信号质量要求，针对边缘用户进行多小区联合时频资源分配，从而达到干扰协调、实现资源效率最大化的目的。
限于篇幅，本文主要介绍上述Cloud BBU组网中重点应用的CoMP技术。
CoMP（Coordinated Multi Point，多点协同）技术又分为DL CoMP（下行）和UL CoMP（上行）。
DL CoMP为解决PDSCH信道（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）同频干扰而引入，从Cluster（簇）的层面协调配置多个小区的时频资源、功率资源、空域资源，在资源调度中协调考虑本小区业务体验和小区间干扰影响，在波束生成中协调考虑本小区用户信号能量和小区间干扰影响，达到抑制小区间干扰，提升小区边缘用户吞吐率的目的。要实现DL CoMP，主要经过如下三步：一是簇配置，主要通过MML命令配置簇内小区；二是UE属性判断，主要根据UE上报A3信息和SRS重配信息确定UE的CoMP属性；三是簇内小区协作调度，即集中调度节点根据计算出的功率图谱信息（其中，P=0表示图谱生效时小区不发送用户业务数据，P=1表示图谱生效时小区可以发送用户业务数据），对P=1小区的CoMP UE进行预调度，同时指示P=0的协作小区在预调度资源上进行波束避让。
UL CoMP利用多小区天线来接收一个用户的信号，然后将多小区接收到的信号进行合并，类似于通过一个小区的多个天线来接收信号，从而获得多天线的信号合并增益和干扰抑制增益。DL CoMP主要依赖干扰抑制技术（IRC），可改善小区边缘用户的吞吐率，提升小区的平均吞吐率。要实現UL CoMP也要经过三步：一是打开UL CoMP开关（服务小区和邻区必须属于同一个连通集，两个小区具有相同的频点、带宽、循环前缀）；二是CoMP UE选择，即服务小区根据UE上报的A3事件选择Type-1 CoMP UE和协作小区，协作小区根据服务小区上报的Type-1 CoMP UE占用的RB位置来选择Type-2 CoMP UE；三是联合接收，即eNodeB的物理层在协作小区集范围内对CoMP UE进行联合接收。其中，Type1 CoMP UE位于小区边缘，且信号可以同时被服务小区和邻区有效地接收，其受到邻区UE的干扰，期望获得多天线合并增益；Type2 CoMP UE位于小区边缘以外，与邻区UE占用的RB有重叠，期望获得干扰抑制增益。
3 提高Cloud BBU应用价值的几点思考
从部署Cloud BBU的应用价值来考虑，主要基于如下几方面的因素：一是采用CRAN建站模式，可以减少基站机房等站址资源的需求，从而降低基站建设难度；二是引入BBU池的概念，平衡连片区域内4G小区忙闲不均的现象，提升片区内基站的总体有效容量；三是有利于实现跨基站的载波合并（CA）功能，缓解部分基站的高流量压力；四是采用CoMP技术，抑制小区间干扰，提升用户吞吐率，改善用户（特别是小区边缘用户）体验。
基于不同的Cloud BBU部署动机，在提高其性价比方面，应有的放矢，区别对待。
部署Cloud BBU，如出于降低建站难度的目的，重点要解决的是集中机房和光纤传输的问题。只有在传输管道资源相对较为丰富，片区内有一个条件较好的集中机房的情况下，采用CRAN建站模式，在集中建站时才能取得较好的综合效益。根据某省的CRAN建站经验，一般一个理想的集中机房，至少需具备接入6个以上基站的传输、电源及外接光缆的条件。否则，如果一个集中机房接入基站过少，在一定程度上会使得网络结构更为复杂，从而增加了基站的维护难度。
部署Cloud BBU，如出于解决片区内基站忙闲不均，提升基站总体有效容量的目的，则重点要解决的是BBU池的安全性问题。此时，对于集中机房的配套电源，其设计标准应高于一般的基站，至少达到传输汇聚层机房的标准。另外，对于集中机房内的PTN设备，可采用负荷分担+热备份的双设备方式（2个PTN设备最好分属不同的接入环）。
部署Cloud BBU，如出于实现跨基站的CA功能，缓解部分基站的高流量压力的目的，则重点需解决基站间的传输链路问题。尽管采用传统分布式PTN的组网结构也能实现跨基站间的CA功能，但此时对传输网的时延要求较高（工程经验表明此时要求传输时延小于4 ms）。故要实现跨基站的CA功能，最理想的组网方式还是BBU集中部署，基站间在同机房内光纤直连。
部署Cloud BBU，如出于抑制干扰，提升用户吞吐率，改善用户（特别是小区边缘用户）体验的目的，则工程部署的重点和难点是基站簇的配置和选择。由于无线环境的复杂以及用户移动的随机性，在具体实施中，难以对目标片区内干扰情况进行十分准确的预判。这就使得从规划之初就采用CRAN方式建站，往往最先的出发点并不一定是降低干扰，也就是说对基站簇的规划和选择带有较强主观性。另一个可行的办法是通过对目标片区现有运行基站进行Cloud BBU改造，此时通过对大量的路测和网络运行数据进行分析，对基站簇的选择就会很有针对性。
对现有运行基站进行Cloud BBU改造，也有两种方式，一是沿用现有分布式PTN组网模式，这时只需在某个基站配置一个USU设备（BBU框间互连和交换平台），对簇内基站BBU进行软件升级即可，但明显的缺点是对传输网时延要求高，协调调度频率低（毫秒级）；二是采用CRAN方式对簇内基站BBU进行集中部署，这无疑会带来较大的BBU搬迁工作，同时对片区内光缆资源要求较高，但明显的优点是可节省大量基站机房资源和设备（如现有基站的传输和电源设备），同时基站间的协调调度频率高（可达微秒级）。
从上述提高Cloud BBU应用价值的相关分析来看，要使得部署Cloud BBU取得较高的性价比，还是应从部署场景方面进行更为细致的研究，从而在规划和部署Cloud BBU时，才能做到针对性更强，可实施性更高。
4 Cloud BBU适用场景分析
从技术原理上看，Cloud BBU理论上对LTE网络质量，特别是对处于覆盖边缘用户的平均增益和吞吐率有提升作用。但该技术的使用也有自身的局限性和不足之处：一是对新增资源（传输、机房等资源）的占用；二是在不同无限环境下，其获得的网络提升效果具有不可测性（与用户行为、簇內基站的布局本身及周边环境密切相关）。从技术引入的性价比考虑，甚至不排除某些极端场景下应用该技术还不如在网络边缘新建一个站址更具有价值。
表1为国内几个部署集中式Cloud BBU的试点案例的简要介绍。
上述两个试点方案由于试点区域较小，在基站建设的总体投入上来看，与传统建站方式差别（节省了部分机房配套投资，但需增加Cloud BBU软硬件投资）不大。除了投入方面的考虑，从表1同时也可以看出，网络本身的负荷水平，对部署Cloud BBU的性价比会产生较大影响。总体来说，网络负荷越重，部署Cloud BBU的效果越明显。
从应用场景分析，人流密集度高的室内外热点区域对数据流量需求大，且宏微基站部署较为密集，机房和空间受限，小区密集等场景适用部署Cloud BBU方案来解决流量不足和站址资源缺口的问题。具体来说，Cloud BBU的适用部署场景至少涵盖以下七类：
（1）高校及主题园区的场景
此场景一般为占地面积较大，半开放式的，相对封闭的园区，园区内人流密度较大。为满足高人流的通信需求，园区内基站建设较为密集。作为通信基础设施的重要一环，园区内道路管道规划和建设都相对比较容易，但这些园区很少为密集的基站建设预留丰富的通信機房资源。采用集中式Cloud BBU方案，可在充分利用园区内道路管道资源的情况下，有效地解决机房资源不足的难题。
（2）密集城区场景
由于密集城区现网基站已经较密，但为应对4G高速数据流量的增长需求，仍有必要持续建设宏微基站。为降低在这些区域基站站址的获取难度，十分有效的方案即利用现有条件较好的基站机房，将其升级为部署Cloud BBU的集中机房，通过光纤拉远的方式在周边快速部署基站。
（3）重要景区场景
景区人流相对集中，但因景观要求高等原因，存在基站站址需求和站址获取之间的矛盾。为最大程度地降低基站建设对景区景观环境的影响，建站时应尽量减小基站体量，部署易伪装的拉远式简易基站。此时，采用CRAN方案，可极大地降低建站难度。
（4）大型商业楼宇等场景
目前，大型商业楼宇的弱电间和管井资源非常稀缺。业主自身的安防系统、消防监控系统、楼内通信系统等与运营商移动通信系统共用上述资源，十分拥挤，甚至会出现在弱电间同时安装BBU和RRU变得不可行的情形。此时，选取楼宇内某一房间作为集中机房对连片商业楼宇的BBU进行集中部署，通过楼内分布式光纤系统构成大型商业楼宇的CRAN系统，可极大地降低对机房、电源、桥架等通信基础资源的需求。
