扶奉超 王鵬 毛宇 黃湧 梅謝 元寶

【摘? 要】5G商用，承載先行，需要對(duì)5G承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃和部署。主要介紹了光纖直驅(qū)、無(wú)源WDM、OTN、WDM-PON四種主流5G前傳方案的技術(shù)特點(diǎn)、研究進(jìn)展、行業(yè)動(dòng)態(tài)以及標(biāo)準(zhǔn)化情況，并給出一些建議和思考。目前業(yè)內(nèi)已開發(fā)出4種前傳方案的樣機(jī)，其中光纖直驅(qū)、無(wú)源WDM、OTN較成熟，WDM-PON不是很成熟。未來需要進(jìn)一步降低前傳設(shè)備成本，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈成熟和實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用。

【摘? 要】5G;前傳;WDM-PON;OTN;CWDM

1? ?引言

5G作為國(guó)家戰(zhàn)略，成為十三五期間通信行業(yè)的重要建設(shè)任務(wù)[1-2]。5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，其具有大帶寬、低時(shí)延和海量連接等特點(diǎn)，可為用戶帶來革命性的業(yè)務(wù)體驗(yàn)和新型商業(yè)模式，成為目前通信業(yè)界最熱的課題之一。

前傳為移動(dòng)承載網(wǎng)的一部分，5G前傳方案的選擇將直接影響運(yùn)營(yíng)商的投資和建設(shè)效率等。5G大規(guī)模建設(shè)將對(duì)基站光纜資源、投資、維護(hù)管理方面都造成巨大的壓力。在光纜資源方面，單4G基站一般需占用6/3芯基站光纖和主干光纖，5G前傳如僅采用光纖直驅(qū)方式有可能給現(xiàn)網(wǎng)光纜造成較大壓力。在成本方面，5G前傳設(shè)備成本均達(dá)萬(wàn)元級(jí)，5G前傳將需要百億級(jí)投資。在維護(hù)方面，5G前傳涉及巨大數(shù)量DU/AAU的安裝、開通、升級(jí)等，對(duì)維護(hù)效率影響最大。根據(jù)5G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的部署策略，5G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和承載要求都有較大改變[3]。因此有必要研究5G前傳技術(shù)，降低5G前傳建設(shè)成本和維護(hù)成本，提高部署運(yùn)營(yíng)效率。

2? ?5G前傳承載網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)

2.1? 3G/4G前傳承載網(wǎng)架構(gòu)和現(xiàn)狀

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載網(wǎng)主要指承載無(wú)線信號(hào)從基站傳輸?shù)揭苿?dòng)核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）的網(wǎng)絡(luò)，屬傳輸網(wǎng)范疇。如圖1所示，從RRU（Radio Remote Unit，遠(yuǎn)端射頻單元）到BBU（Building Base band Unit，基帶處理單元）段為前傳，BBU段到核心網(wǎng)為回傳。

3G基本全為宏基站，RRU和BBU位于塔上塔下，用裸纖連接。為節(jié)約機(jī)房資源，加快部署效率，4G出現(xiàn)了C-RAN（Centralized Radio Access Network，集中式的無(wú)線接入網(wǎng)）的部署方式[4]。4G網(wǎng)絡(luò)C-RAN主要采用光纖直驅(qū)的方式，少部分光纖資源不足的區(qū)域采用無(wú)源粗波分方式。

2.2? 5G前傳承載網(wǎng)架構(gòu)及性能指標(biāo)

3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了5G無(wú)線接入網(wǎng)功能重構(gòu)方案，如圖2所示。5G的非實(shí)時(shí)功能在CU（Centralized Unit，集中單元）中實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)功能在DU（Distribute Unit，分布單元）中實(shí)現(xiàn)，另外一部分功能移入AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）來實(shí)現(xiàn)。無(wú)線接入網(wǎng)兩級(jí)架構(gòu)演進(jìn)到CU、DU和AAU三級(jí)架構(gòu)，承載網(wǎng)因此分為前傳、中傳和回傳。5G的前傳架構(gòu)整體與4G相同。

5G對(duì)前傳承載網(wǎng)的帶寬、時(shí)延等方面提出了更高要求。在大帶寬需求上，高頻段、寬頻譜使得5G基站的帶寬需求大幅提升。5G eCPRI（Enhanced Common Public Radio Interface，增強(qiáng)型通用公共無(wú)線電接口）速率為25 Gb/s，CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無(wú)線電接口）速率達(dá)到100 Gb/s[5]?？紤]到成本和技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，目前5G前傳優(yōu)先選用25 Gb/s eCPRI接口。在低時(shí)延要求上，3GPP等相關(guān)組織提出前傳時(shí)延要求為100 μs。前傳距離主要在10 km以內(nèi)，其中大部分在3 km～5 km。4G和5G的頻率同步標(biāo)準(zhǔn)相同，均為50 ppb。5G基本業(yè)務(wù)時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)與4G TDD相同，均為1.5 μs，協(xié)同業(yè)務(wù)同步需求待研究。

3? ?5G前傳方案及研究進(jìn)展

5G前傳承載方案主要分為光纖直驅(qū)方案和波分設(shè)備承載方案。其中，波分設(shè)備承載方案又分為無(wú)源波分方案、OTN/WDM方案和WDM-PON方案這三種，其本質(zhì)上都是利用波分技術(shù)對(duì)多個(gè)eCPRI鏈路采用不同的波長(zhǎng)來承載，然后再?gòu)?fù)用到一根光纖中，以達(dá)到節(jié)省光纖資源的目的。本章將介紹以上四種承載方法的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)。

3.1? 光纖直驅(qū)方案

光纖直驅(qū)方案分為單纖單向和單纖雙向（Bidirec-tional，BIDI）兩種。AAU和DU設(shè)備上安裝的是白光模塊，單個(gè)5G S111站需要的光纖資源分別為6芯/3芯，如圖3所示。由于光纖直驅(qū)方案建設(shè)成本最低，時(shí)延等性能最好，因此已成為國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商5G前傳的首選方案，該方案將滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景。5G采用的頻段高于4G，單基站覆蓋范圍小于4G，全覆蓋情況下站址數(shù)量將大于4G，因此5G將消耗巨大的基站光纖資源，可節(jié)約一半光纖的BIDI方案比單纖單向方案更有應(yīng)用前景。

5G前傳光纖直驅(qū)方案的優(yōu)勢(shì)是提升了光模塊速率，由4G的4.9G/10G提升到25G。目前業(yè)內(nèi)一般采用單波長(zhǎng)波特率提高到25G Baud的方式提升前傳光模塊速率。光纖直驅(qū)方案的技術(shù)難度低于波分設(shè)備承載方案。國(guó)內(nèi)光模塊廠商具備研制BIDI光模塊核心器件的能力，跳過了依賴國(guó)外廠家以及外購(gòu)光器件的過程。該項(xiàng)技術(shù)于2017年已趨于成熟，目前已具備大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的能力，價(jià)格有望隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大而大幅降低。

3.2? 無(wú)源WDM方案

無(wú)源WDM方案已廣泛應(yīng)用于需要節(jié)約光纖的場(chǎng)景，如4G前傳及其他配線光纜、主干光纜不足的場(chǎng)景。無(wú)源WDM方案根據(jù)波長(zhǎng)間隔分為粗波分和密集波分兩種。由于密集波分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單光路的成本為粗波分系統(tǒng)的數(shù)倍，而且用于前傳時(shí)密集波分方案波長(zhǎng)分配復(fù)雜度大大增加，因此建議前傳采用粗波分方案。

25G固定波長(zhǎng)彩光光模塊具備國(guó)產(chǎn)和自研能力，跳過了依賴國(guó)外廠家和外購(gòu)光器件的過程，成本有望隨著應(yīng)用規(guī)模的增大而大幅降低。未來提高光功率預(yù)算，降低彩光模塊成本是主要研究方向。

3.3? OTN方案

OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）為傳輸設(shè)備，可提供時(shí)分復(fù)用的硬管道，目前主要用于高品質(zhì)政企專線產(chǎn)品中。由于其大帶寬硬管道、高可靠性、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，近年來，業(yè)界也探索將其用于無(wú)線承載網(wǎng)。

OTN方案如圖5所示，AAU站點(diǎn)和DU兩端設(shè)置有源OTN設(shè)備，支持多個(gè)AAU通過WDM技術(shù)共享光纖資源。AAU和DU設(shè)備上安裝的是白光模塊，兩端各設(shè)置1個(gè)有源OTN設(shè)備，一般占用2芯主干光纖，單站需要14塊光模塊。

用于移動(dòng)前傳的OTN一般是由傳統(tǒng)OTN廠商開發(fā)，有較高的技術(shù)難度，與傳統(tǒng)的OTN設(shè)備具有較好的延續(xù)性。一般線路側(cè)100G，客戶側(cè)根據(jù)需要，一般至少支持接入5G的3個(gè)AAU設(shè)備和4G的3個(gè)RRU設(shè)備，有些可以支持4G、5G、政企混傳。OTN采用比傳統(tǒng)OTN（G.709）層次更少的映射路徑，時(shí)延小，并刪除了冗余開銷，實(shí)現(xiàn)成本更低。2018年廠商陸續(xù)開發(fā)出相應(yīng)的測(cè)試產(chǎn)品。業(yè)內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明，OTN單設(shè)備時(shí)延可以達(dá)到10 μs級(jí)別，帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、同步等可以滿足5G前傳的要求，此外還可以進(jìn)行維護(hù)管理功能[7]。

OTN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展較快，2018年2月ITU-T SG15啟動(dòng)M-OTN標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目《Application of OTN to 5G Transport》。該項(xiàng)目描述現(xiàn)有OTN技術(shù)在5G承載中的應(yīng)用方式，同時(shí)將給出下一步標(biāo)準(zhǔn)化的方向[8]。在未來，降低成本，縮短與其他低成本前傳方案的價(jià)格差距是主要方向。

3.4? WDM-PON方案

WDM-PON（Wave-Division Multiplexing Passive Optical Network，波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）為寬帶接入網(wǎng)演進(jìn)的一種技術(shù)。不同于現(xiàn)有的PON、10G PON的時(shí)分復(fù)用技術(shù)，WDM-PON采用波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，每個(gè)終端可獨(dú)享波長(zhǎng)的帶寬，并具有高可靠性和高安全性等優(yōu)點(diǎn)，近年來，業(yè)界也探索將WDM-PON用于無(wú)線承載網(wǎng)。

WDM-PON用于5G前傳承載的模型如圖6所示，AAU和DU兩端分別設(shè)置ONU和OLT，主干光纜占用1芯。ONU有SFP+型態(tài)及ONU型態(tài)兩種。ONU型態(tài)的WDM-PON系統(tǒng)要求AAU安裝白光模塊，然后接入ONU，消耗的光模塊較多。SFP+型態(tài)的ONU不需要白光模塊，直接將SFP+型態(tài)的彩光ONU插入AAU。SFP+形態(tài)的ONU更節(jié)約空間，但是要將原有PON芯片集成到光模塊，因此SFP+型態(tài)ONU將面臨集成難度高的問題。

25G WDM-PON系統(tǒng)業(yè)內(nèi)一般可提供C波段20波/

40波可調(diào)諧，支持10路/20路AAU接入。目前業(yè)界已開發(fā)出樣機(jī)，業(yè)內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明，WDM-PON設(shè)備時(shí)延可以達(dá)到10 μs級(jí)別。帶寬、時(shí)延、穩(wěn)定性、可靠性、同步等可以滿足5G前傳的要求，此外還可以進(jìn)行維護(hù)管理功能[9]。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，2018年國(guó)內(nèi)CCSA立項(xiàng)了“面向5G承載的N×25G的波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）”標(biāo)準(zhǔn)[10]，定義了物理層、收發(fā)器指標(biāo)和性能指標(biāo)等要求。

據(jù)了解，目前無(wú)色ONU收發(fā)器、可調(diào)諧WDM器件等難點(diǎn)技術(shù)難以短時(shí)間內(nèi)取得重大突破，WDM-PON系統(tǒng)處于研發(fā)和論證階段，成熟度較其他方案低。且目前可調(diào)諧光模塊的核心光芯片主要依賴于國(guó)外外購(gòu)，成本相當(dāng)高。未來，突破可調(diào)諧光模塊技術(shù)，降低成本是實(shí)現(xiàn)WDM-PON大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素，也是WDM-PON的發(fā)展方向。

3.5? 5G前傳建議

將光纖直驅(qū)方案和波分承載方案進(jìn)行對(duì)比可知，光線直驅(qū)方案成本低、安裝及維護(hù)簡(jiǎn)便，技術(shù)成熟度最高，因此建議光纖直驅(qū)方案作為光纖資源充足場(chǎng)景的5G前傳首選方案。在光纖資源緊張的場(chǎng)景，需要采用波分承載方案。由于WDM-PON和OTN方案成本較高，且OTN方案對(duì)光纖節(jié)約有限，而WDM-PON成熟度較低，因此建議選擇成本較低、成熟度較高的無(wú)源波分方案作為5G前傳設(shè)備承載方案。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

5G前傳涉及的投資大，并將占用大量接入光纜。5G前傳方案的選擇將直接影響運(yùn)營(yíng)商投資和建設(shè)的難度。本文主要研究5G前傳主流關(guān)鍵技術(shù)，介紹5G前傳業(yè)界的研究進(jìn)展、標(biāo)準(zhǔn)化情況以及行業(yè)動(dòng)態(tài)。總體來說，廠商已陸續(xù)開發(fā)出波分設(shè)備承載方案產(chǎn)品，需要業(yè)界各方共同推動(dòng)波分承載方案的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。同時(shí)如何降低成本是每種WDM方案面臨的技術(shù)難點(diǎn)，建議從技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用規(guī)模等角度綜合考慮。前傳方案的測(cè)試驗(yàn)證工作將是今后工作的重點(diǎn)。

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