5G前傳解決方案研究

田洪寧，李文華，尹祖新，楊 銳，張 智，王麗瓊（.中國聯(lián)通研究院，北京 0076； 北京電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 00048）

0 前言

隨著5G 商用的到來，C-RAN 模式下的NR 站對于前傳纖芯資源的壓力日益突顯，相比傳統(tǒng)的D-RAN接入模式，C-RAN 架構(gòu)具備明顯的TCO優(yōu)勢，同時DU池組化亦是無線網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展趨勢。5G RAN 側(cè)的重構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化對前傳網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求與挑戰(zhàn)，為提高基礎(chǔ)資源利用率、降低建網(wǎng)成本，業(yè)內(nèi)提出了多種前傳技術(shù)方案。本文結(jié)合5G 前傳業(yè)務(wù)需求，分析比較了基于WDM 技術(shù)、電層匯聚技術(shù)等各類前傳技術(shù)方案，從網(wǎng)絡(luò)能力、OAM、成本預(yù)算等角度對比各類方案優(yōu)劣，并給出5G前傳承載建議。

1 5G前傳業(yè)務(wù)需求

1.1 前傳承載指標需求

5G 對RAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能的部署位置進行了重構(gòu)，重新劃分了BBU、RRU 功能，高層分割采用Option 2 方式，新定義的Centralized RAN 包含中央單元（CU）和分布單元（DU）。傳統(tǒng)的RRU 與天線陣列以及上移的部分物理層功能被一體化為AAU 設(shè)備。DU 與AAU之間定義為5G 前傳鏈路。其帶寬需求與CU/DU 物理層功能分割位置、基站參數(shù)配置（天線端口、調(diào)制階數(shù)等）等相關(guān)，對于100 MHz 帶寬AAU 前傳接口主流采用1×25 Gbit/s eCPRI 接口（Option7），支持統(tǒng)計復(fù)用。前傳時延要求小于100 μs。

1.2 前傳網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

ITU-T 明確了5G 網(wǎng)絡(luò)CU 和DU 邏輯分離架構(gòu)，CU 與DU 之間的接口命名為F1，在實際部署中存在分離與合設(shè)2 種形態(tài)。初期以CU/DU 合設(shè)形態(tài)為主，后期分設(shè)時，回傳網(wǎng)絡(luò)將增加中傳鏈路。5G RAN 網(wǎng)絡(luò)主要包括D-RAN 分布式部署、C-RAN 集中部署（CU/DU 一體化）、CU 云化部署（CU、DU 分離部署，初期合設(shè)暫不考慮）。

以D-RAN 方式部署時，AAU 與BBU 同址放置，此時不需考慮前傳組網(wǎng)。其主要優(yōu)點是部署簡單，但對于末端機房及接入設(shè)備需求量大。

C-RAN 架構(gòu)由分布式AAU 和集中式DU 池組成，DU 池部署在綜合業(yè)務(wù)接入點或BBU 集中點，AAU 拉遠接入，此時需要考慮前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

對于無線側(cè)，DU 的池組化便于實現(xiàn)DU 間的動態(tài)資源分配、多點協(xié)同、聯(lián)合調(diào)度，有利于提升頻譜利用率及網(wǎng)絡(luò)容量。對于承載側(cè)，C-RAN 組網(wǎng)可大幅減少末端機房及傳輸設(shè)備需求，具備明顯的TCO 優(yōu)勢，按某區(qū)百個現(xiàn)網(wǎng)站點測算，TCO 平均節(jié)省35%～50%。因此5G 網(wǎng)絡(luò)將以C-RAN 架構(gòu)作為主要部署方式，但該方式對末端光纖資源的消耗極大。

1.3 共建共享對前傳的影響

5G 共建共享包含接入網(wǎng)共享及異網(wǎng)漫游2 種模式，接入網(wǎng)共享方案指共享5G 基站及承載網(wǎng)，自建核心網(wǎng)。異網(wǎng)漫游方案指5G基站僅接入承建方核心網(wǎng)，雙方核心網(wǎng)對接互通，用戶通過類似于國際漫游的方式使用5G 服務(wù)。其中無線側(cè)共享方式存在3 種技術(shù)模式。

模式1 為獨立載波、獨立AAU。配置2 個載波，在不同載波上廣播各自的網(wǎng)絡(luò)號，各自調(diào)度獨立頻率資源，不存在業(yè)務(wù)互搶的情況，不需考慮資源分配策略。前傳共接入6個AAU，每AAU配置1×25G eCPRI接口。

模式2 為獨立載波、共享AAU。接入3 個AAU，承建方+共享方總載波帶寬可配置為100 或200 MHz，當(dāng)采用200 MHz 帶寬時，預(yù)計每AAU 配置2×25G eCPRI接口（尚無設(shè)備，業(yè)內(nèi)預(yù)測）。

模式3為共享載波、共享AAU。配置1個或2個載波，實現(xiàn)頻率資源的共享，共享載波帶寬可配置為100或200 MHz，接口配置同模式2。

綜上，基站共享模式下，其接口類型及速率不變，采用獨立AAU或200 MHz載波帶寬共享AAU方案時，接口數(shù)量將翻倍。

2 前傳技術(shù)方案分析

當(dāng)前針對C-RAN模式下的前傳技術(shù)種類繁多，歸納起來主要包含3 類技術(shù)體制：光纖直驅(qū)、基于WDM技術(shù)、基于電層匯聚技術(shù)。其中光纖直驅(qū)方式按照光模塊可選擇Duplex 和Bidi 方式；基于WDM 技術(shù)按照激光器類型分為可調(diào)與非可調(diào)2 種方式，波段選擇包括CWDM、DWDM、LAN-WDM、MWDM；按照設(shè)備形態(tài)可劃分為有源、半有源、無源形態(tài)。

目前業(yè)內(nèi)主流解決方案主要包括光纖直驅(qū)、無源CWDM、Open-WDM、有源OTN、PAB-WDM 和TSN 方案，各解決方案所對應(yīng)的技術(shù)選擇如圖1所示。

圖1 前傳承載方案分類

2.1 光纖直驅(qū)

DU 集中在綜合業(yè)務(wù)接入點或BBU 集中點，各無線站點的AAU 通過配線及主干光纜拉遠接入至DU池，需在無線AAU 及DU 設(shè)備上配置25G Duplex 或Bidi 白光模塊，模型如圖2 所示。Duplex 光模塊工作波長為1 310 nm，Bidi 光模塊有WDM 和環(huán)形器2 種實現(xiàn)方式，因環(huán)形器方案對防塵要求較高，目前主流采用WDM 方案，CCSA 規(guī)定了1 270/1 330 nm 的雙波長Bidi方案。

圖2 光纖直驅(qū)前傳示意圖

光纖直驅(qū)為當(dāng)前使用最普遍的前傳方案，具備施工簡便、造價低的特點，在業(yè)務(wù)需求不大且纖芯資源充足時可快速開站。缺點在于占用管線資源較多，考慮共享NR 站，DU 和AAU 間需要高達12 芯光纖，規(guī)模部署時對配線及主干光纜消耗極大，大量的疊加光纜也對管道造成壓力，且新建光纜敷設(shè)工期長、造價高。采用Bidi 方式時可減少50%光纖消耗并滿足時延對稱性，但收斂能力有限。

2.2 無源CWDM

無源CWDM 系統(tǒng)由固定波長的CWDM 彩光模塊與合分波2 個部分構(gòu)成。組網(wǎng)方式如圖3 所示，彩光模塊直接安裝在DU 和AAU 設(shè)備上替換原有白光模塊，外置基于TFF 技術(shù)的CWDM 合分波器，采用單纖雙向方式滿足時延、同步的對稱性。采用ITU-T G.694.2 標準規(guī)范的18 個波長。主流的無源CWDM 方案分為1∶6/1∶12，支持級聯(lián)組網(wǎng)。

圖3 無源CWDM前傳方案示意圖

無源CWDM 技術(shù)成熟，纖芯收斂能力強，對于共享站可采用疊加1∶6 或1∶12 方案，僅需1～2 芯主干及配線光纜，可大幅節(jié)省纖芯需求，降低開站配套成本。目前25G CWDM 彩光模塊使用直調(diào)激光器DML+PIN方案，波長間隔20 nm，對于商業(yè)級溫度應(yīng)用場景，其具備足夠的溫度漂移空間，不需TEC 模塊，成本較低。缺點是運維不便，一方面采用固定波長，波道規(guī)劃相對復(fù)雜、光模塊所需備件較多，另一方面維護界面不清，缺少OAM 機制。同時長波長色散產(chǎn)生的功率代價較高易導(dǎo)致功率預(yù)算不足影響傳輸距離，光模塊可采用EML+APD 方案進行功率補償，但將大幅提高光模塊成本。

2.3 Open-WDM

Open-WDM 方案如圖4 所示，局端部署有源WDM/OTN 設(shè)備，尾端為嵌入至無線設(shè)備的彩光模塊，屬半有源方案。

圖4 Open-WDM方案示意圖

Open-WDM 基于MWDM 技術(shù)，屬波長創(chuàng)新方案，波長范圍1 260～1 380 nm，重用了25G CWDM 的前6波，利用激光器波長隨溫度發(fā)生偏移的特性采用溫度調(diào)諧將前6 波左右各偏移xnm 形成12 個波長。光模塊技術(shù)方案采用DML +PIN/APD 方式，需要增加TEC模塊。典型偏移波長x為3.5 nm，此時中心波長間距為7 和13 nm 非等間距交替。其最大優(yōu)勢在于理論上可重用CWDM 產(chǎn)業(yè)鏈，具有一定成本優(yōu)勢。尾端光模塊采用光層調(diào)頂技術(shù)，具備一定的OAM 能力，利用調(diào)制信息傳輸中心頻率、告警等，支持OLP 1+1保護。該技術(shù)方案標準尚未完善，且目前利用TEC 完成激光器波長偏移的產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，暫不具備商用條件。

2.4 PAB-WDM

基于可調(diào)諧光模塊的波長自適應(yīng)接入型WDM（PAB-WDM——Port-Agnostic Bi-directional access WDM）技術(shù)方案如圖5 所示，由頭端、尾端及合分波設(shè)備構(gòu)成。根據(jù)實際應(yīng)用場景，PAB-WDM 系統(tǒng)具有靈活的設(shè)備形態(tài)，包括有源、半有源、無源形態(tài)。考慮到成本及OAM 問題，前傳應(yīng)用的主流形態(tài)將采用半有源方式，局端采用固定波長的有源設(shè)備，尾端采用可調(diào)光模塊與合分波器。ITU-T 已發(fā)布PAB-WDM 標準，標準號為G.698.4。

圖5 PAB-WDM技術(shù)方案

PAB-WDM 基于DWDM 技術(shù)，具備豐富的波長資源，最大支持40波。其特有的低成本寬范圍可調(diào)激光器技術(shù)具備端口波長無關(guān)、自動適配能力，尾端設(shè)備（TEE）可自動將其光模塊工作波長調(diào)節(jié)至所連OD/OM或OADM 端口簡化配置、提高業(yè)務(wù)開通效率。同時PAB-WDM 設(shè)計了支持基于系統(tǒng)規(guī)范的消息通道（HTMC 和THMC）的OAM 功能，可實現(xiàn)對尾端無源光模塊的管理。此外WDM 方案基于L0 傳輸，天然具備低時延特性。采用半有源形態(tài)安全性高，具備OLP 1+1 保護能力。但可調(diào)激光器成本稍高，商用進度仍有待推進。

2.5 有源OTN

有源OTN 組網(wǎng)方案如圖6 所示，綜合業(yè)務(wù)點部署1 套緊湊型WDM/OTN 設(shè)備，末端部署室外型OTN 設(shè)備。

圖6 有源OTN方案示意圖

有源OTN 采用基于M-OTN 技術(shù)實現(xiàn)對5G 前傳信號的電層匯聚，采用OTN 封裝方式，具備完善的OAM 機制，且相比G.709 簡化了OTN 信號成幀方式，優(yōu)化FEC 及信號處理流程，具備低時延特性。有源OTN 在客戶側(cè)支持以太/TDM/cPRI/eCPRI 等多類型業(yè)務(wù)，支持線路側(cè)1+1 保護，但成本偏高，室外型OTN 設(shè)備功耗100～200 W，增加OPEX 成本。同時尾端設(shè)備類似于延伸的TMUX 板卡，采用代管方式與局端設(shè)備廠家強關(guān)聯(lián)。

2.6 TSN

時延敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN——time-sensitive network）的基本原理是將原來固定幀結(jié)構(gòu)的CPRI 信號進行分組化，通過以太網(wǎng)進行傳輸，具備統(tǒng)計復(fù)用能力。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，兩端采用有源分組交換設(shè)備，定義為時間敏感分組交換設(shè)備（TPS——Time-sensitive Packet Switch），滿足IEEE802.1CM 及IEEE 1914.3 RoE標準，上聯(lián)支持CWDM/DWDM 彩光口。

圖7 TSN方案示意圖

該方案特點是支持L2 切片，業(yè)務(wù)接入類型多樣，具備網(wǎng)絡(luò)級保護和OAM 監(jiān)控。缺點是造價高，其特有的QoS 機制針對前傳網(wǎng)絡(luò)暫時缺少應(yīng)用場景，且尾端暫無室外型產(chǎn)品。

3 前傳承載方案比較

從業(yè)務(wù)需求的角度，各技術(shù)方案均能滿足5G前傳承載基本需求，但各有優(yōu)劣，前傳承載各技術(shù)方案比較如表1所示。

除光纖直驅(qū)外，在設(shè)備形態(tài)上，有源方案需在尾端增加室內(nèi)或室外型設(shè)備，基站側(cè)需要引電甚至提供末端機房，TCO 成本最高，但其安全性強、OAM 完善；無源方案成本最低，部分場景甚至優(yōu)于光纖直驅(qū)，但缺少保護手段及OAM 機制，無法實現(xiàn)前傳網(wǎng)絡(luò)自動管控；半有源方案成本介于前兩者之間，局端有源可管控，尾端通過光層調(diào)頂或消息通道機制實現(xiàn)管理，若采用可調(diào)光模塊技術(shù)可簡化運維及配置工作，但成本會稍有增加。

表1 前傳方案比較

在技術(shù)體制上，基于電層匯聚技術(shù)方案采用電層處理技術(shù)（ODUk 匯聚、以太網(wǎng)匯聚等）來提高光纖利用率，均為有源方案，成本高。但其多業(yè)務(wù)接入能力強，OAM 及安全性高，因此此類方案更加適用于有專線業(yè)務(wù)接入需求的站點?；赪DM 技術(shù)方案對比如表2 所示，CWDM 采用DML+PIN 技術(shù)方案，成本最低，但長波段功率預(yù)算不足，傳輸距離受限，功率補償成本提高；LAN-WDM 采用O 波段，色散代價低、成本適中，但目前波道資源有限，主要是日韓在用；DWDM 波長資源豐富、擴展性強，0.8 nm 間隔可調(diào)，成本最優(yōu)；MWDM 利用TEC 調(diào)節(jié)波長擴展了CWDM 的前6 波，具有產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，但其后4波成本仍較高。

表2 WDM技術(shù)方案比較

4 應(yīng)用建議

5G 規(guī)模建設(shè)后，運營商前傳承載需求接近百萬量級，末端站任何一點的成本波動對整體投資都會產(chǎn)生較大影響。當(dāng)前前傳承載技術(shù)種類繁多，在考慮5G建設(shè)方案時，應(yīng)在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下，盡量減少非必要功能并保留一定的可擴展性、可維護性，考慮TCO成本最優(yōu)化。

對于5G 新建站址，需新建配線接入光纜，建議采用光纖直驅(qū)+25G Bidi 光模塊方式，收斂50%纖芯資源。

5G 共站址建設(shè)時，無源CWDM 具備比較明顯的價格優(yōu)勢，5G 初期可作為過渡方案進行前傳承載，適用于城區(qū)等接入距離較短的場景。有源OTN、TSN 等有源方案安全性強、OAM 完善、具備多業(yè)務(wù)接入能力，建議在有專線或切片需求的站點采用，由于TCO 較高，不建議在只有2C 前傳業(yè)務(wù)的站點中規(guī)模采用。PAB-WDM、Open-WDM 采用半有源方案時既降低了成本，又具備1+1 保護及OAM 等有源方案的優(yōu)勢，但設(shè)備仍處在開發(fā)測試階段，可作為5G成熟期的備選方案。相比于LAN-WDM、MWDM 方案，基于DWDM 技術(shù)的PAB-WDM具有更高的波道容量、擴展性更強、組網(wǎng)更加靈活，可實現(xiàn)LTE/NR 站的前傳綜合承載，尾端采用可調(diào)光模塊技術(shù)可極大簡化運維、配置工作，降低TCO，應(yīng)加快推進設(shè)備及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和成本的降低，在造價差異不大的情況下建議優(yōu)選。

5 結(jié)束語

接入層作為承載網(wǎng)金字塔結(jié)構(gòu)中的最底層，其建設(shè)規(guī)模最大，投資占比最高，因此合理選擇前傳技術(shù)方案對提高5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)效率和投資效能意義重大。

通過詳細分析5G前傳業(yè)務(wù)需求變化，針對現(xiàn)有前傳技術(shù)多樣化的狀況，從技術(shù)體制、設(shè)備形態(tài)2個維度梳理歸納了各技術(shù)方案，從承載能力、維護能力、成本預(yù)算等角度進行分析，提出了5G 前傳承載方案建議，為緩解前傳資源消耗、降低5G 前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資、提升前傳承載效能提供了支撐和參考。