面向C-RAN架構的5G前傳關鍵技術和標準化進展研究

余文科 程媛 趙琦 張曉炎

(中國電子學會，北京 100036)

0 引言

5G無線接入網相比4G發(fā)生重大技術變革，由射頻拉遠單元(Remote Radio Unit，RRU)/基帶處理單元(Building Base band Unit，BBU)兩級架構重構為有源天線單元(Active Antenna Unit，AAU)/分布單元(Distribute Unit，DU)/集中單元(Centralized Unit，CU)三級架構，對應劃分為前傳、中傳和回傳網絡。對于5G前傳，C-RAN架構已成為運營商主流建網模式，通過將DU拉遠并集中部署，具有降低能耗、節(jié)省機房、提升頻譜協(xié)作效率等優(yōu)勢[1-2]。

相比4G時代采用D-RAN架構，5G C-RAN前傳的規(guī)模應用也面臨新的挑戰(zhàn)[3]。在D-RAN場景下，BBU位于基站機房、RRU位于塔上，RRU與BBU直接通過光纖連接、距離通常在數百米，實現方案和故障定位都較為簡單。對于C-RAN場景，DU由基站機房拉遠部署到接入層機房，AAU到DU的光纖連接距離對應增加到10公里，潛在光纖鏈路故障點大幅提升、啞資源故障管理困難。此外，C-RAN中大規(guī)模集中成為主流模式，集中連接基站數量典型值為10站。對于中國移動160 M頻譜或中國電信、中國聯通共建共享200 M頻譜場景，1個典型3扇區(qū)宏站需要6個25G光模塊[4]。若采用D-RAN時的光纖直連模式，DU連接1個宏站需12芯光纖，則C-RAN集中下DU連接10個宏站需要120芯光纖，會帶來極大的末端光纖資源消耗壓力。

面對5G前傳C-RAN規(guī)模組網的需求和挑戰(zhàn)，業(yè)界提出多種解決方案。本文研究了5G前傳的關鍵技術，重點分析了WDM技術方案和系統(tǒng)架構，并介紹了對應國際國內標準化進展和產業(yè)應用情況。

1 5G前傳關鍵技術

面向C-RAN規(guī)模組網，5G前傳需要破解末端光纖資源消耗大、啞資源低成本管控難題，WDM技術和系統(tǒng)架構是兩大關鍵技術。

1.1 WDM技術

面向C-RAN規(guī)模集中帶來的海量末端光纖資源需求，采用WDM技術節(jié)省光纖資源已成為業(yè)界共識。目前，依據波長規(guī)劃及范圍的不同，5G前傳網絡存在4種WDM技術方案：粗波分復用(Coarse Wavelength-Division Multiplexing，CWDM)、細波分復用(Local Area network Wavelength-Division Multiplexing，LWDM)、中等波分復用(Medium Wavelength Division Multiplexing，MWDM)和密集波分復用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)。

CWDM含相鄰通道間隔為20 nm的18個WDM通道，各通道的中心波長為1 271～1 611 nm。面向5G前傳，中心波長為1 271～1 371 nm的6波25 G CWDM光模塊采用基于直調激光器的發(fā)射機、基于PIN的接收機，滿足10 km傳輸鏈路預算和低成本建網需求。受限于G.652光纖在1 371 nm以上更高的色散代價，CWDM光模塊若擴展至12個波長，需采用基于電吸收調制的光發(fā)射機，成本將顯著增加。此外，業(yè)界還提出了基于環(huán)形器的CWDM方案，通過上下行采用相同波長，在現有6波CWDM系統(tǒng)基礎上支持一站一芯需求，但存在同波長反射帶來的系統(tǒng)性能風險[5]。

LWDM是在中心波長范圍為1 273.54～1 309.14 nm、相鄰通道間隔為800 GHz的400 GE LR8 8個WDM通道的基礎上擴展至1 269.23～1 318.35 nm，形成12個波長。12波25G LWDM光模塊均采用基于直調激光器的光芯片，用以太網LR8的已有8個波長激光器并擴展4個波長激光器資源即可滿足。LWDM波長范圍位于O波段零色散點周圍，具有色散代價低的優(yōu)勢，但還需進一步分析考慮FWM的風險和代價[6]。

MWDM是在中心波長為1 271～1 371 nm的6波25G CWDM基礎上，中心波長分別左右平移3.5 nm，形成的不等間距波長間隔的12波長WDM系統(tǒng)。12波25G MWDM光模塊重用CWDM工藝和產業(yè)鏈，在基于直調激光器的CWDM光芯片基礎上調整光柵設計參數擴展實現12個波長激光器，具有低成本、產業(yè)快速成熟優(yōu)勢。同時，基于不等間距波長間隔方案可以有效降低FWM風險。但是，由于G.652光纖在1 371 nm附近較高的色散代價，MWDM初期采用前8波基于PIN接收機、后4波基于APD接收機的方案，帶來成本提升、運維管理較復雜問題。目前，通過采用合分波器排列設計的優(yōu)化，實現MWDM各波長通道的鏈路預算均衡，采用12波全PIN接收機即可滿足10 km傳輸要求，優(yōu)化了系統(tǒng)成本、消除了管理運維問題，但相比CWDM仍會產生一定的系統(tǒng)成本提升。

DWDM含相鄰通道間隔為50 GHz或100 GHz的96個或48個WDM通道，各通道的中心波長范圍均位于C波段。10 G和100 G DWDM在骨干網和城域網已廣泛應用，面向5G前傳場景，25G DWDM方案采用可調諧激光器實現了遠端光模塊波長無關，具有波長資源更多、簡化管理運維等優(yōu)點，有助于大規(guī)模C-RAN組網，同時也帶來了核心光芯片復雜度提升、成本較高的挑戰(zhàn)[7]。

1.2 系統(tǒng)架構

在5G前傳系統(tǒng)架構方面，業(yè)界存在無源WDM、有源WDM和半有源WDM三種方案。

無源WDM系統(tǒng)由AAU和DU上的WDM光模塊、AAU側遠端合分波器、DU側局端合分波器組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示。無源WDM方案具有部署靈活、系統(tǒng)成本低等優(yōu)勢，可以實現快速建站和低成本部署。由于無源WDM系統(tǒng)采用兩端無源的架構，若光纖鏈路、光模塊發(fā)生故障，需要人工排障和定位。

有源WDM系統(tǒng)由AAU和DU上的灰光模塊、AAU側遠端WDM有源設備、DU側局端WDM有源設備組成，其系統(tǒng)架構如圖2所示。有源WDM系統(tǒng)采用兩端有源的架構，具有豐富的OAM(光分插復用)功能和設備處理功能，可以實現故障的快速定位和在線監(jiān)控，支持對前傳網絡的可管可控。但是，該方案顯著提升系統(tǒng)成本，遠端采用有源設備還受供電等影響，部署受一定限制。

半有源WDM系統(tǒng)由AAU和DU上的WDM光模塊、AAU側遠端合分波器、DU側局端WDM有源設備組成，其系統(tǒng)架構如圖3所示。半有源WDM系統(tǒng)有兩大技術關鍵點：一是半有源架構[8]，二是采用調頂技術實現OAM[9]。半有源架構包括AAU側遠端無源合分波器、DU側局端WDM有源設備。調頂OAM有單載波調幅和多載波調幅兩類實現方案：單載波調幅方案直接在光模塊的發(fā)射信號上調制低頻率的OAM信號，對于每一路WDM業(yè)務信號，在局端WDM設備中需要對應一個OAM信號解調單元[10]。該方案實現簡單，但WDM通道較多帶來OAM解調單元分立器件需求多、成本上升。多載波調幅方案在發(fā)射端對于不同WDM信號加載唯一頻率標識，再調制OAM信號，在局端WDM設備中僅需一個OAM信號解調單元就可以同時解調WDM所有通道加載的OAM信號[11]。該方案增加了光模塊的復雜度，局端WDM設備中的OAM解調單元需要較復雜的處理算法，但是大幅減少解調單元中的光器件數量和成本。從系統(tǒng)性能來看，半有源WDM系統(tǒng)局端采用有源WDM設備，基于調頂OAM對遠端光模塊進行在線監(jiān)測，結合光模塊狀態(tài)、功率等信息實現對前傳網絡啞資源的輕量級管控和快速故障定位。此外，半有源WDM系統(tǒng)遠端僅采用無源合分波器，部署靈活、不受供電等條件限制，建網成本相比有源WDM系統(tǒng)大幅下降。

2 5G前傳標準化及產業(yè)應用進展

面向5G部署的迫切需求，我國加快推動5G前傳技術的快速發(fā)展，主導制定了系列國際標準，并逐步構建了系統(tǒng)的標準體系，持續(xù)打造完整的產業(yè)生態(tài)鏈。

在標準體系構建方面，中國信息通信研究院、中國移動、中國電信、中國聯通、華為、中興、中信科等國內單位聯合FINISAR、博通等國際主流光模塊廠商在ITU-T主導了半有源架構(G.9802)、DWDM(G.698.4)、LWDM(G.owdm)、MWDM(G.owdm2)等5G前傳核心技術標準立項及制定[12-15]。其中，面向5G前傳的不同25G WDM技術方案及應用場景，當前ITU-T SG15研究組Q6主要在推動位于C波段的DWDM和位于O波段的WDM(LWDM、MWDM)技術標準化。2019年7月，SG15全會正式啟動了ITU-T G.698.4標準修訂工作，主要增加面向5G前傳的25G接口指標，致力于推動25G 可調諧C波段DWDM技術。在25G O波段WDM技術方案和標準化方面，ITU-T SG15研究組于2020年和2021年立項G.owdm、G.owdm2兩項WDM標準，面向5G前傳的不同場景需求分別推動800 GHz波道間隔的LWDM技術和不等間距波長間隔的MWDM技術。伴隨WDM物理層的標準化進程，ITU-T SG15研究組Q2于2021年4月決定新立項半有源架構標準，并在現有標準G.9802.2中新增管控要求，與Q6制定的物理層標準，共同構成了面向5G前傳的新一代WDM技術體系。

此外，O-RAN于2020年成立了X-haul transport工作組WG9，致力于推動5G傳輸技術的標準化。面向5G前傳產業(yè)的開放式發(fā)展，中國信息通信研究院、中國移動、中國聯通、中信科、AT&T、Orange等國內外40余家O-RAN成員單位聯合完成了基于WDM的前傳網絡、管控等5G前傳系列標準制定，推動光模塊、WDM設備及管控系統(tǒng)間的轉發(fā)面互通和管控面互通。

根據國內5G網絡建設的迫切需求，國內標準組織早于國際標準組織開始了5G前傳的標準化工作并完成系列核心標準制定，為國內產業(yè)鏈構建領先的5G前傳網絡奠定了基礎。CCSA TC6 WG1率先完成了城域N×25G 波分復用系統(tǒng)總體技術要求、CWDM、LWDM、MWDM、DWDM五項標準，規(guī)定了不同WDM方案的25G WDM系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、系統(tǒng)要求、傳輸性能要求、接口參數要求、管控要求等核心內容。CCSA TC6 WG4工作組從光器件層面完成了25G波分復用光收發(fā)合一模塊CWDM、LWDM、MWDM、DWDM等四項光模塊及光器件標準，并立項了城域接入用單纖雙向波分復用器CWDM、LWDM、MWDM、DWDM以及光分支器等五項標準，有力推動了國內光芯片產業(yè)的發(fā)展。

目前來看，國內外標準組織就采用半有源架構滿足前傳網絡低成本管控需求、采用WDM技術支持一站一芯減少光纖資源消耗兩大核心技術理念均已經成為共識，面向不同應用場景的三種WDM技術路線均在推進標準化。

在推動產業(yè)應用方面，國內三大運營商已廣泛部署無源CWDM系統(tǒng)。伴隨新技術的成熟，半有源系統(tǒng)架構已成為業(yè)界共識，無源和半有源WDM分別面向不同場景需求進行部署應用。目前，國內外已有數十家單位推出無源和半有源WDM產品，25G光芯片和光模塊已具備規(guī)模量產能力。其中，國內已構建涵蓋光芯片、光模塊、設備、管控系統(tǒng)、儀表等完整的5G前傳產業(yè)鏈，核心芯片已實現自主可控，具備支撐5G前傳網絡規(guī)模部署能力。中國電信、中國移動等相繼在2022年集采5G前傳設備，LWDM、MWDM技術已經分別首次納入集采。

3 結束語

C-RAN前傳是5G網絡的重要組成，本文重點研究了WDM技術和系統(tǒng)架構兩大關鍵技術，并簡要分析了相關標準化進展和產業(yè)應用現狀。

WDM技術有效節(jié)省光纖資源，運營商根據各自網絡情況提出了不同WDM方案，并逐步推動技術和標準成熟。對不同波長范圍的WDM方案，光芯片需進行對應的光柵設計以保證輸出波長符合規(guī)格要求?？紤]規(guī)模效應對光芯片、光模塊產業(yè)成本的重要影響，希望產業(yè)進一步凝聚共識，推動共性技術發(fā)展，穩(wěn)步擴大產業(yè)規(guī)模。

半有源架構實現了前傳網絡輕量級管控，前傳方案已由初期的無源為主向無源、半有源分場景應用演進。無源方案實現簡單，有利于5G網絡建設的快速開站和部署。而對于5G高價值業(yè)務，半有源方案可以提供更好的運維能力和可靠性，支撐高品質5G網絡規(guī)模應用。伴隨國際標準和產業(yè)鏈的進一步成熟，5G前傳將逐步擴大應用并分場景收斂技術方案。

目前5G前傳網絡主要關注C-RAN模式下的宏站建網場景，解決前傳網絡規(guī)模部署的急迫需求。面向5G在垂直行業(yè)的快速發(fā)展，后續(xù)需研究5G前傳在智慧礦山等拉遠場景的需求及應用方案，以有效助力行業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展。當然對于礦山、港口等傳統(tǒng)應用行業(yè)，出于安全性、可靠性、成本等方面因素綜合考慮，C-RAN集中化部署具有顯著優(yōu)勢。比如，礦區(qū)井下礦道環(huán)境通常較為惡劣，對井下設備的安全可靠性提出了更高要求、安裝維護難度更大，而AAU部署需求量較大，C-RAN集中組網可實現DU在井上安裝，大幅降低設備安裝維護難度。針對傳統(tǒng)行業(yè)升級轉型的5G+垂直行業(yè)場景的前傳方案及關鍵技術亟需進一步研究。

此外，業(yè)界已開始5G向6G網絡的演進研究，6G前傳的組網需求、架構及關鍵技術也需及時開展預研。從目前研究來看，WDM光模塊的速率需從25G進一步向50G、甚至100G演進，前傳網絡架構有可能從地面網絡向空天地一體網絡演進，需要業(yè)界提早凝聚共識、共同推進，構建盡可能統(tǒng)一的技術體制和標準體系。