王凱輝，張俊文，遲 楠

（復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433）

無(wú)線通信技術(shù)

基于光纖傳送網(wǎng)的5G移動(dòng)通信前傳關(guān)鍵技術(shù)

王凱輝，張俊文，遲 楠

（復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433）

移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)是C-RAN（集中式/云無(wú)線接入網(wǎng)）技術(shù)中的重要部分。隨著現(xiàn)代無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演進(jìn)，用戶帶寬需求的快速增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率提出了更高的要求。文章回顧了移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)的基本內(nèi)容，分析了前傳網(wǎng)絡(luò)需要滿足的各項(xiàng)需求，并對(duì)當(dāng)前提出的各種前傳網(wǎng)絡(luò)的解決方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)；集中式/云無(wú)線接入網(wǎng)；波分復(fù)用；時(shí)分復(fù)用；光載中頻；分割物理層處理

0　引 言

移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)是近幾年在C-RAN（集中式/云無(wú)線接入網(wǎng)）結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的一種新技術(shù)。當(dāng)前的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)大多基于CPRI（通用公共無(wú)線電接口）協(xié)議，考慮到5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）中的RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）將更加復(fù)雜、需要更多的扇區(qū)和天線數(shù)量以及更高的信號(hào)帶寬，單個(gè)RRU對(duì)數(shù)據(jù)速率的需求甚至?xí)_(dá)到上百G，即使通過(guò)壓縮技術(shù)也很難用一個(gè)CPRI連接滿足當(dāng)前的需求［1］。因此構(gòu)建一種低成本且高效的前傳結(jié)構(gòu)迫在眉睫。

本文介紹了C-RAN和前傳的基本結(jié)構(gòu)，總結(jié)了當(dāng)前較為主流的前傳網(wǎng)絡(luò)解決方案，為深入理解和進(jìn)一步研究5G通信中前傳網(wǎng)絡(luò)的解決方案奠定了基礎(chǔ)。

1　C-RAN基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)BS（基站）由兩部分組成：提供數(shù)字信號(hào)處理功能的BBU（基帶單元）和具有射頻傳輸和接收功能的RRU。它們之間的接口關(guān)系由CPRI或OBSAI（開(kāi)放式基站架構(gòu)聯(lián)盟）進(jìn)行定義［2］，CPRI是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商最常用的接口協(xié)議，包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

RAN（無(wú)線接入網(wǎng)）的結(jié)構(gòu)歷經(jīng)了從一體化BS到分布式結(jié)構(gòu)再到C-RAN的演進(jìn)過(guò)程。C-RAN可被看作是分布式結(jié)構(gòu)的演進(jìn)版本，其利用開(kāi)放平臺(tái)和實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)以云計(jì)算為根基來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)共享資源分配和多功能環(huán)境，擁有極大的發(fā)展前景。

圖1所示為一種C-RAN基本結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)BS被分為BBU和RRU兩部分。其中，BBU池部分可以是虛擬的，RRU部分則與各發(fā)送接收天線相連，BBU和RRU之間的網(wǎng)絡(luò)部分即為前傳網(wǎng)絡(luò)。

圖1　C-RAN基本結(jié)構(gòu)

2　前傳網(wǎng)絡(luò)的解決方案

2.1基于純數(shù)字信號(hào)的CPRI協(xié)議的前傳網(wǎng)絡(luò)

2.1.1基于WDM（波分復(fù)用）的前傳網(wǎng)絡(luò)

短期來(lái)看，前傳網(wǎng)絡(luò)的部署仍然基于2.5 或5 Gbit/s的CPRI連接，無(wú)源CWDM（稀疏波分復(fù)用）方案是不錯(cuò)的選擇。其不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且適合戶外部署，可靠性也具有保證。ITU-T（國(guó)際電信聯(lián)盟）定義了一種18信道、信道間隔為20 nm的CWDM方案［2］，其中，一條鏈路用于信息的傳輸，另一條鏈路用于鏈路監(jiān)控以保證傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ摲桨革@著地減少了光纖的需求量，但卻加重了網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)的負(fù)擔(dān)。圖2所示為基于WDM-PON（波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）的前傳網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)。

圖2　基于WDM-PON的前傳網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

基于WDM-PON的前傳網(wǎng)絡(luò)中的另一項(xiàng)重要技術(shù)是利用自種RSOA（反射式半導(dǎo)體光放大器）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)色收發(fā)機(jī)，至今為止已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2.5和10 Gbit/s的傳輸實(shí)驗(yàn)［3-4］。5G網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)眾多，由于光模塊/設(shè)備種類繁多、波長(zhǎng)規(guī)劃和管理復(fù)雜等客觀原因，簡(jiǎn)單的WDM方案難以實(shí)現(xiàn)。一種有效的解決方案是引入無(wú)色WDM技術(shù)，每個(gè)光模塊僅作速率區(qū)分，不區(qū)分波長(zhǎng)。

2.1.2基于TDM（時(shí)分復(fù)用）的前傳網(wǎng)絡(luò)

如果無(wú)法找到一種低成本的多信道WDM技術(shù)，那么利用TDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)前傳網(wǎng)絡(luò)不失為一種好辦法。但基于TDM的解決方案會(huì)受到數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間及光帶寬的限制，文獻(xiàn)［5］中給出了一種基于以太網(wǎng)和TDM的前傳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，圖3所示為基于TDM的前傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，BBU集中池中發(fā)出的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)CPRI、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器傳至OLT（光線路終端），通過(guò)前傳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分發(fā)至各個(gè)ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元），再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換之后送至RRH。

圖3　基于TDM的前傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這種基于第二層的C-RAN使用了當(dāng)前的以太網(wǎng)部分，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體成本。由于此種C-RAN在前傳網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)氖堑诙訑?shù)據(jù)，因此比較適合采用TDM-PON（時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）［6］。基于第二層的C-RAN與傳統(tǒng)的C-RAN不同，它的基帶處理在RRU中完成，故其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間受到極大的限制。這是由于中心局必須在無(wú)線調(diào)度完成后才能傳輸MAC幀數(shù)據(jù)，并且傳輸需在RRU開(kāi)始基帶處理之前完成。文獻(xiàn)［5］中提出的解決辦法是利用TDM-PON的廣播特性在無(wú)線規(guī)劃完成前先將數(shù)據(jù)傳至ONU，規(guī)劃完成后只需將各ONU中被選中的數(shù)據(jù)送至RRU即可，該方法延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，并增大了前傳網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。

2.2基于純模擬信號(hào)傳輸?shù)那皞骶W(wǎng)絡(luò)IFoF（光載中頻）

如前文所述，5G中RRU的結(jié)構(gòu)將會(huì)更加復(fù)雜，并且會(huì)與MIMO（多入多出）技術(shù)相結(jié)合。為了應(yīng)對(duì)這種需求，一種基于WDM的IFoF技術(shù)的前傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸流行起來(lái)。文獻(xiàn)［7］中給出了IFoF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

假設(shè)RRU中有M個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有N根天線，則RoF（光載無(wú)線）鏈路中相應(yīng)地有M×N個(gè)中頻載波［8］。攜帶基帶信息的各個(gè)中頻載波通過(guò)WDM復(fù)用到一根光纖上，相比于簡(jiǎn)單的WDM系統(tǒng)，IFoF系統(tǒng)中每個(gè)單一波長(zhǎng)上可以有多個(gè)傳輸中頻，因此IFoF系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效利用緊張的帶寬資源，并能降低運(yùn)營(yíng)成本，方便對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行管理。但該系統(tǒng)的傳輸容量受系統(tǒng)中所用LD（半導(dǎo)體激光器）固有非線性的限制。另外，LTE-A（長(zhǎng)期演進(jìn)增強(qiáng)系統(tǒng)）信號(hào)由于其高PAPR（峰均功率比）的特性，相較于單載波調(diào)制的信號(hào)更易受到非線性失真的影響。

圖4　IFoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3基于PHY功能重構(gòu)的前傳網(wǎng)絡(luò)

為了使得移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)更為經(jīng)濟(jì)有效，光傳輸帶寬需要≤10 Gbit/s。盡管IQ數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)能夠有效減少傳輸帶寬，但1/2～1/3的壓縮比無(wú)法滿足未來(lái)的無(wú)線傳輸要求，因此另一種可能的辦法是改變RRH和BBU之間的功能分割點(diǎn)［9］，該方案是模擬和數(shù)字解決方案之間的一種平衡。文獻(xiàn)［9］中給出了一種SPP（分割物理層處理）的新結(jié)構(gòu)，它既能有效地減少光傳輸帶寬，又有著較好的COMP（協(xié)作多點(diǎn)傳輸）表現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　一種SPP結(jié)構(gòu)

在這種SPP的結(jié)構(gòu)中，BS的功能被分割成了無(wú)線信道編碼和其他PHY結(jié)構(gòu)（如無(wú)線調(diào)制和MIMO處理）。此時(shí)，移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)的最大光傳輸帶寬取決于下行鏈路的無(wú)線數(shù)據(jù)帶寬，類似于MAC和PHY之間的分割。另外，盡管MIMO的處理功能被分散，這種SPP結(jié)構(gòu)依然能夠通過(guò)一些額外的信號(hào)處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)聯(lián)合傳輸和接收功能。

3　結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)作為5G中C-RAN的重要組成部分已得到廣泛的關(guān)注。隨著對(duì)5G架構(gòu)研究的不斷深入，各種高速率、高性能的前傳網(wǎng)絡(luò)解決方案被不斷提出。目前主流的解決方案仍舊是基于純數(shù)字信號(hào)的CPRI協(xié)議的前傳網(wǎng)絡(luò)，但無(wú)論是WDM-PON還是TDM-PON，都存在譜效率低的問(wèn)題，并且WDM-PON的部署成本較高，TDM-PON的傳輸時(shí)間又受到嚴(yán)格限制?；诩兡M信號(hào)傳輸?shù)那皞骶W(wǎng)絡(luò)IFoF解決方案相比于數(shù)字的方案有著較高的譜效率，但由于傳輸?shù)氖羌兡M信號(hào)，易受到傳輸過(guò)程中器件和光纖的非線性效應(yīng)的影響，如何消除這些非線性效應(yīng)是下一步亟待解決的課題?；赑HY功能重構(gòu)的前傳網(wǎng)絡(luò)是一種在模擬和數(shù)字之間的平衡方案，有著很好的性價(jià)比?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于前傳網(wǎng)絡(luò)的研究趨勢(shì)主要為穩(wěn)定的高信道容量、極低的時(shí)延以及高可靠性。

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Critical Technology for Fronthaul Based on OTN in 5G Mobile Communication

WANG Kai-hui，ZHANG Jun-wen，CHI Nan
（The Ministry of Education Key Laboratory of Electromagnetic Wave Information Science，Department of Communication Science and Engineering，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China）

Mobile fronthaul is an important part in C-RAN.With the development and evolution of modern radio access network，the rapid growth of user demand for bandwidth sets a higher requirements for network transmission rate.This paper firstly review the basic components of mobile fronthaul and C-RAN.Then the requirements of mobile fronthaul are analyzed in various aspects.Finally，we illustrate present different fronthaul solutions in detail.

mobile fronthaul network；C-RAN；WDM；TDM；IFo F；SPP

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0052-04

10.13756/j.gtxyj.2016.04.016

2016-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61571133）

王凱輝（1994-），男，浙江平湖人。本科，主要從事光纖通信系統(tǒng)研究。