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）

無線通信技術(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/云無線接入網(wǎng)）技術(shù)中的重要部分。隨著現(xiàn)代無線接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演進(jìn)，用戶帶寬需求的快速增長對網(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)量以及更高的信號帶寬，單個(gè)RRU對數(shù)據(jù)速率的需求甚至?xí)_(dá)到上百G，即使通過壓縮技術(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，其利用開放平臺(tái)和實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)以云計(jì)算為根基來實(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)簡單、成本低，而且適合戶外部署，可靠性也具有保證。ITU-T（國際電信聯(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?。該方案顯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）來實(shí)現(xiàn)無色收發(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、波長規(guī)劃和管理復(fù)雜等客觀原因，簡單的WDM方案難以實(shí)現(xiàn)。一種有效的解決方案是引入無色WDM技術(shù)，每個(gè)光模塊僅作速率區(qū)分，不區(qū)分波長。

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

如果無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CPRI、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器傳至OLT（光線路終端），通過前傳網(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)用無源光網(wǎng)絡(luò)）［6］?；诘诙拥腃-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。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WDM復(fù)用到一根光纖上，相比于簡單的WDM系統(tǒng)，IFoF系統(tǒng)中每個(gè)單一波長上可以有多個(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)營成本，方便對波長進(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（長期演進(jìn)增強(qiáng)系統(tǒng)）信號由于其高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的壓縮比無法滿足未來的無線傳輸要求，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線信道編碼和其他PHY結(jié)構(gòu)（如無線調(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)依然能夠通過一些額外的信號處理過程實(shí)現(xiàn)聯(lián)合傳輸和接收功能。

3　結(jié)束語

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)字信號的CPRI協(xié)議的前傳網(wǎng)絡(luò)，但無論是WDM-PON還是TDM-PON，都存在譜效率低的問題，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，易受到傳輸過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。總的來說，對于前傳網(wǎng)絡(luò)的研究趨勢主要為穩(wěn)定的高信道容量、極低的時(shí)延以及高可靠性。

［1］ Pfeiffer T.Next generation mobile fronthaul architectures［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.7.

［2］ Pizzinat A，Chanclou P，Saliou F，et al.Things you should know about fronthaul［J］.Journal of Lightwave Technology，2015，33（5）：1077-1083.

［3］ Saliou F，Simon G，Chanclou P，et al.Self-Seeded RSOAs WDM PON Field Trial for Business and Mobile Fronthaul Applications［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2A.2.

［4］ Ma Y，Xu Z，Lin H，et al.Demonstration of CPRI over Self-seeded WDM-PON in Commercial LTE Environment.［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.6.

［5］ Shibata N，Tashiro T，Kuwano S，et al.Mobile fronthaul employing Ethernet-based TDM-PON system for small cells［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.1.

［6］ Uzawa H，Arikawa Y，Kawai K，et al.Data transmission scheme for enhancing effective downlink bandwidth in 5G mobile fronthaul with TDM-PON［C］// ECOC 2015.Valencia，Spain：IEEE，2015：1-3.

［7］ Cho S H，Park H，Chung H S，et al.Cost-effective next generation mobile fronthaul architecture with multi-IF carrier transmission scheme［C］//OFC 2014. San Francisco，US：OSA，2014：1-3.

［8］ Han C，Cho S H，Chung H S，et al.Linearity improvement of directly-modulated multi-IF-over-fibre LTE-A mobile fronthaul link using shunt diode predistorter［C］//ECOC 2015.Valencia，Spain：IEEE，2015：1-3.

［9］ Miyamoto K，Kuwano S，Terada J，et al.Split-PHY Processing Architecture to Realize Base Station Coordination and Transmission Bandwidth Reduction in Mobile Fronthaul［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.4.

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。