5G前传解决方案

5G 前传解决方案

李汝洪

广东省电信规划设计院有限公司  510630

摘要：目前，随着云计算和互联网领域新大数据技术的快速发展，移动通信迎来了万物互联的5G时代。5G已成为国家战略的重要组成部分，成为通信行业最热门的话题之一。

关键词：5G；前传；解决方案

引 言

随着科学技术的发展，5G是最新一代的移动通信技术，将在中国大规模建设。本文介绍了基于5G网络建设的前向接入解决方案。该方案打破了传统的前传构建模式，提高了网络竞争力。

1 5G前传承载网架构

3GPP（The 3rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴计划）标准化组织提出了5G无线接入网功能重构方案。如图1所示，无线接入网两级架构演进到CU、DU和AAU三级架构，无线承载网分为前传、中传和回传。前传中，局端无线主设备、基站侧无线主设备部署位置和结构未改变，因此5G的前传架构整体与4G相同。

图1 5G承载网演进架构

2 5G前传业务需求

ECPRI接口将主要用于5G前导网络。在100MHz频谱、64T/64R天线、下行16流/上行8流配置下，eCPRI接口需要25G速率。由于无线频谱资源更为广泛，5G前向传输需要多个25G接口。在5G网络的建设中，光纤直接驱动是前向传输的主要解决方案。然而，在5G优先覆盖的地区，如密集的城市地区，光纤资源过剩，但直接驱动不足，因此需要采用其他技术解决方案来解决CRAN模式下的AAU扩展。波分复用（WDM）技术通过光波长复用将AAU按波长连接起来，可以在一根光纤中复用多个波长，大大降低了前向传输光纤资源的消耗。有许多25GWDM技术方案可用于5G前向传输，包括DWDM、CWDM和LAN-WDM等。

3 5G前传挑战分析

3.1 超低时延

5G网络中最明显、最关键的应用是物联网应用。其中，智能交通下的自动驾驶仪、无人机等服务非常惊人，但也对网络延时提出了更高的要求。首先，之后可以发现，正常情况下，操作员区主机室距离示例终端70~100km，光纤线路双向延时在S范围内为800~1000μ，只能完全满足约3MS的端到端一般服务延时要求。但运营商接入机房的OLT侧通常距离示例终端20km或非常近，光纤线路的双向时延小于200μs，完全可以满足不超过1ms的端到端超低时延业务的需要。二是按照国际标准和未来新的业务应用保障规定，对5G组网时钟的时间精度提出了严格的要求。时钟时间精度在CPRIv7.0中规定，误差控制在±2ppb内，抖动在±8.138ns内。如果采用分组方式传输5G时钟，则会增加时间同步的难度，导致系统成本不断增加。因此，使用PON来支持前传是非常合适的。

3.2 密集组网

根据5G的最佳体验指标，即NGMN-5G，任何时间、任何地点的50Mbps带宽都必须通过城郊接入实现20gbps/km2，人员聚集区接入达到7tbps/km2。这种在任何时间和地点的高带宽和接入需求导致基站数量的持续增加。在这个阶段，业界估计每100米需要分布一个微型基站。由此可见，密集组网将对基站的后向传输带来一定的挑战，需要相关人员关注。

4 前传的几种解决方式

4.1 光纤直驱方案

光纤直接驱动是目前最常用的正向传输方案。它具有结构简单、成本低的特点。在业务需求小、光纤核心资源充足的情况下，可以快速开通站点。缺点是它占用了大量的管道资源。考虑到共享NR站，DU和AAU之间需要多达12芯光纤。大规模部署需要消耗大量的布线和主干光缆，大量的叠加光缆也对管道造成压力。另外，新光缆敷设周期长，成本高。当采用Bidi模式时，光纤消耗可以降低50%，并且可以满足延迟对称性，但收敛能力有限。DU集中在综合业务接入点或BBU集中点。每个无线站的AAU通过布线和中继光缆远程连接到DU池。无线AAU和DU设备上应配置25G双工或Bidi白光模块。模型如图2所示。双工光模块的工作波长为1310nm。Bidi光模块有两种实现方式：WDM和环行器。由于环行器方案具有较高的防尘要求，WDM方案是目前的主流，CCSA规定了1270/1330nm的双波长Bidi方案。

Bidi

Bidi

DU/BBU 双纤双向 AAU/RRU DU/BBU 单纤双向 AAU/RRU

4.2 单纤双向光模块方案

现有4G基站BBU-RRU互连端口一直采用10GE双光纤双向光模块。但是，当5G前置传输纤芯不足时，为了减少纤芯资源，DU-AAU互连端口可以采用25GE单光纤双向光模块，但纤芯需求从6芯减少到3芯，可以保证高精度同步传输。单光纤双向光模块技术成熟。可通过DU/AAU主设备配置单光纤双向光模块，快速解决光纤核心资源不足的问题，满足区域业务接入需求。

4.3 无源波分方案

无源波分复用器基于CWDM（粗波分复用器）技术，由合路器、分路器、色光模块等安装附件组成。SFP彩光模块（前六个波长分别为1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1351nm和1371nm）能够以25GBit/s的速率承载业务，支持6波、12波和18波单光纤模块的组合和解决方案，以及多业务的混合传输。可满足无源、不同速率、不同业务类型的混合传输，解决智能城域网、政企客户接入等项目中移动基站前向传输、家庭宽带本地光纤资源不足的问题。

4.4 有源/半无源波分方案

有源波分主要基于密集光波长复用（DWDM）技术。它分为主动解决方案和被动解决方案。它由有源本地端设备、本地端模块（普通模块）、有源或无源远程设备、远程光模块（普通模块/彩色光模块）和分波器组成。在局端DU侧采用有源WDM或OTN接入设备；在远端AAU侧，主动方案添加了一个单独的主动设备，而半主动方案不需要添加新设备，并且彩灯模块直接连接到AAU设备。

5 5G前传方案对比分析

从理论上分析，厂商研发进展以及运营商测试结果表明，上述四种前向传输方案均能满足5G前向带宽、时延和传输距离等性能指标要求。四个前传方案的技术特点不同，使得方案的建设成本、施工难度和维护成本不同。本节从施工成本、施工难度、技术成熟度、机房占用率、后期维护成本和难度等多个维度对上述四个前传方案进行了详细比较。目前，光纤直接驱动方案是最简单、最适用、最容易部署和成本最低的前向传输承载方案。同时，后期的操作和维护是最方便、成本最低的。然而，最大的问题是光纤资源被占用。一个基站需要占用3对或3芯光纤。光纤直接驱动方案适用于光纤资源充足的场景，而不适用于光纤资源不足的场景。无源CWDM方案可以解决光纤资源短缺的问题，且建设成本低。办公室端的合波器和解复用器通常直接放置在1U/3U机架中，与其他两种有源WDM方案相比，它占用的机架资源更少。无源CWDM方案仅涉及纯光学器件，因此，原则上故障率低于有源WDM。然而，如果发生故障，无源WDM的故障定位将比有源WDM更困难。CWDM计划将增加备件的种类，从而增加备件的难度。此外，固定波长的彩色光模块会增加安装和维护的难度。更换光模块时，有必要制作波长标签以防止出现错误。OTN承载方案提高了前端传输的维护和管理能力，可以灵活组网，包括树形、星形、环形。后期维护更方便。然而，OTN方案比其他两种波分方案节省的光纤更少，成本因素也不容忽视。另一方面，OTN需要占用更多的电力资源和空间资源，对天空资源和机房要求高，建设难度大，后期维护成本高。总体而言，光纤直接驱动方案和无源WDM方案技术成熟，总体成本低，施工难度低。

6 5G前传斯技术的发展

6.1 物理层功能重构前传技术

为了有效节省通信预传输技术的投资，提高技术应用的效率和经济性，一般需要保证光传输带宽在10Gbifs以内。虽然数据压缩技术可以有效地降低传输带宽，但目前50%或30%的压缩带宽不符合传输规范。因此，为了解决传输带宽中存在的问题，RRH应该在BBU分区点进行转换，有效平衡模拟和数字，构建基于物理层处理技术的新结构，不仅可以降低光传输带宽，而且还要增加传输站的数量。

6.2 网络演进

移动通信系统的发展呈现出从低频到高频、从窄带到宽带、从800MHz/900MHz的2G通信系统到2.6GHz/3.5GHz的5G系统以及未来可能的26GHz毫米波频段、从2G系统的200KHz带宽到3G系统的5MHz带宽、再到4G系统的20MHz带宽的发展趋势，5G系统的100MHz和毫米波的200MHz和400MHz带宽，系统带宽和频率高度不断提高，这也给室内覆盖带来了巨大挑战。首先，在传统蜂窝网络中，较高的频带带来了覆盖不足的问题。传统的室外宏站在覆盖室内场景时，面临较大的链路损耗，导致室内深度覆盖严重不足；其次，对于传统的室内射频分配系统，频率越高，链路损耗越大，越来越多的能量浪费在电缆和设备损耗上，导致覆盖效率低；最后，传统的射频分配系统也带来了多信道部署的局限性，使得5G高阶MIMO的增益难以充分发挥，室内系统的速率和容量较低，难以满足大带宽、大容量场景的部署要求。为了满足室内商业的需要，运营商需要考虑多种配置方案，包括数字机房子设备、现有频率重耕联合公路DAS系统、社会化小站等。为了满足5G业务需求，确保用户信誉，室内数字产品需要覆盖的场景越来越多。

6.3 WDM－PON方案

为了节省5G前向传输的光纤资源，可以采用WDM-PON。使用WDM-PON代替TDM-PON以减少AAU之间的共享带宽并确保低延迟。WDM-RON方案延续了FTTx点对多点组网拓扑，DU连接到办公室OLT设备，AAU连接到ONU终端设备，可以大大节省连接到骨干层的光纤资源。WDM-PON方案为每个基站使用6个波长。目前国内20波分光器已经成熟。一个WDM-PON系统可以服务三个5G基站，但需要找到合适的波长分离器设置位置。WDM-PON中ONU的实现方式有两种：一种是ONU与AAU分离，ONU通过白光模块与AAU连接，ONU通过色光模块或波长可调光模块与波长分配器连接；第二种是ONU与AAU直接集成，节省了ONU与AAU、光模块的连接。当然，这种AAU有源天线是专门为WDM-PON设计的。

结束语

移动前导网络作为5G的重要组成部分，在通信行业的发展中发挥着重要作用。随着5G架构研究的发展，各种前向传输网络解决方案不够强大，速度和效率都比较先进，能够充分满足通信技术的发展需求，给用户带来更大的便利。

参考文献

[1]周子义,杨洋.适应5G业务发展的接入光缆网规划原则[J].邮电设计技术,2019,(7).72-76.

[2]代文亮,沙巍.5G前传传输解决方案分析[J].通讯世界,2019,26(8):75-76.doi:10.3969/j.issn.1006-4222.2019.08.047.

[3]陈烈强,顾荣生,尹祖新,等.面向5G需求的本地基础网络架构浅析[J].邮电设计技术,2018,(11).46-51.doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.009.

[4]段树侠,胥俊丞,杨伟,等.BBU集中化部署及本地传送网应对策略研究[J].邮电设计技术,2017,(11).18-21.doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2017.11.004.

[5]尹祖新,朱常波,顾荣生,等.中国联通本地基础网络架构规划思路及演进[J].邮电设计技术,2017,(11).6-12.doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2017.11.002.

[6]李福昌,马彰超,孙雷,等.LTE网络BBU集中化部署关键解决方案[J].邮电设计技术,2014,(10).1-4.

[7]叶松,于志强,罗世新,等.IPTV直播系统中DRM解决方案的研究与设计[J].现代电子技术,2009,32(3):93-96.doi:10.3969/j.issn.1004-373X.2009.03.029.

[8]李灵慧,张美璟.Gb over IP的技术研究与系统设计[J].电视技术,2012,36(16):35-40.doi:10.3969/j.issn.1002-8692.2012.16.011.