面向5G網絡前傳承載方案提升網絡質量的研究

摘要：隨著近兩年5G網絡的大規(guī)模建設，通過采用D-RAN和C-RAN相結合的網絡結構以降低能耗、減少網絡建設和運維成本。然而5G網絡的大帶寬、高速率、低時延技術特性和基站高密度部署，給5G前傳網絡帶來了新的困難和挑戰(zhàn)。本文提出幾種前傳承載方案及相關建議，以解決運營商面臨的前傳光纖資源緊張的問題。

關鍵詞：5G網絡;技術特性;前傳承載方案;困難和挑戰(zhàn)

一、5G網絡概述及應用前景

5G網絡即第五代移動通信網絡，5G網絡并非是4G網絡的簡單升級，在設計理念、應用技術等方面都進行了升華和創(chuàng)新，采用了網絡靈活部署（NFV）、網絡性能自我感知（云網融合）、網絡資源靈活配置（切片技術）等關鍵技術，具有高速率、低時延和大連接的技術特性，其傳輸速率時4G網絡的十倍以上，在安全性、高效性和擴展性方面相對4G網絡都有極大的提升，更加適應未來智能化新興技術（車聯(lián)網、物聯(lián)網、智慧醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實等）產業(yè)的發(fā)展，更好地滿足移動通信用戶的網絡需求，助力社會各行各業(yè)信息化、智能化的快速發(fā)展，表1為5G網絡與4G網絡性能指標的對比。

5G網絡的應用場景包括增強移動寬帶eMBB、超高可靠低時延通信uRLLC和海量機器類通信mMTC三種類型，其中eMBB主要體現(xiàn)在云VR/AR、超高清視頻、超高清全景直播、云游戲、全息視頻/投影、可穿戴設備等領域的應用，以實現(xiàn)為移動用戶提供更加智能的應用體驗;uRLLC主要面向遠程醫(yī)療、車聯(lián)網、無人機、智能控制、智慧能源等對時延、可靠性要求極高的垂直行業(yè)應用領域;uRLLC主要面向智慧城市、智慧家庭、智慧農業(yè)、環(huán)境檢測、智慧道路、森林防火等通過大量終端設備進行數(shù)據采集及遠程監(jiān)控為目標的應用場景，其應用設備終端需要具備低功耗、低成本的產品特點。

二、5G網絡組網結構

目前5G NR網絡建設主要有兩種組網架構，即SA/NSA組網架構，中國移動綜合考慮業(yè)務與應用場景、網絡性能、網絡改造與建設成本、設備成熟度與工程建設進度、國際漫游用戶需求等因素，5G以SA為目標架構，然而5G網絡實現(xiàn)獨立的SA組網架構需要分階段實現(xiàn)，一般分為以下三個階段：

5G網絡部署初期，5G核心網（5GC）投入商用前，使用4G核心網進行升級改造作為錨點，5G基站通過NSA雙連接分流接入4G核心網實現(xiàn)5G數(shù)據業(yè)務承載，4G網絡提供連續(xù)覆蓋，NR實現(xiàn)熱點區(qū)域覆蓋;該方式通過現(xiàn)網改造升級具有建網快、投資少的優(yōu)勢;缺點是不支持5G核心網相關新業(yè)務和新功能，僅支持部分eMBB類業(yè)務。

5G網絡部署中期引入5GC，以5GC為錨點承載4G、5G數(shù)據業(yè)務，4G網絡覆蓋面廣，保障用戶移動網絡性能體驗;5G基站主要實現(xiàn)其相關新業(yè)務和新功能，更好的支持eMBB、URLLC、mMTC類場景的業(yè)務應用。

5G網絡部署后期，2/4G網絡逐漸退網，5G基站占據市場，此時5GC已具備完備的5G網絡功能，更高效地實現(xiàn)5G網絡的社會效能，支撐5G應用產業(yè)的快速發(fā)展。

5G網絡部署的關鍵在于解決前傳承載問題，如何低成本、高效率的解決網絡前傳問題是本文研究的關鍵，本文主要提出幾種基于5G網絡的前傳解決方案以提升網絡傳輸速率和網絡傳輸質量，更好地滿足用戶業(yè)務需求。

三、5G網絡前傳承載方案

（一）前傳接口方案分析

目前5G網絡建設主要采用C-RAN與D-RAN結合的方式進行網絡部署，無論是哪種網絡部署方式，其射頻單元采用的傳輸接口主要是通用公共無線電接口CPRI和增強型通用公共無線電接口eCPRI。

CPRI接口基本可以滿足傳統(tǒng)2G、3G、4G網絡的前傳需求，而在面對5G網絡高頻段、Massive MIMO 技術，成本效益大大降低，CPRI通過降低采樣率和比特位寬的壓縮技術，壓縮效率和質量難以滿足5G大帶寬高速率的網絡需求，對基站的誤差矢量幅度（EVM）指標也會造成影響，在5G網絡中通過采用CPRI不壓縮與1：2壓縮接口帶寬與接口數(shù)量的信息表如下表3所述。

eCPRI是基于分組化的以太網前傳網絡接口，相對于CPRI，eCPRI協(xié)議接口支持基站物理層內部靈活和分離的定位功能，eCPRI通過將BBU中的Low-PHY下沉到AAU模塊中，大大降低BBU和AAU之間的接口速率要求，并且可實現(xiàn)向上層協(xié)議棧提供多種類型的數(shù)據業(yè)務，使得單個AAU和DU之間僅一個物理接口即可實現(xiàn)數(shù)據互通，實現(xiàn)高效靈活的5G網絡前傳數(shù)據傳輸，相對于CPRI接口傳輸大大降低了傳輸帶寬。

在5G傳輸網絡中通過eCPRI接口技術可實現(xiàn)高效的數(shù)據傳輸，可將前傳帶寬速率降低到25Gbps以下，通過對比5G網絡中單個AAU與DU之間，采用不同天線通道數(shù)的情況下，CPRI采用不同壓縮比技術與eCPRI接口在傳輸帶寬和需要的接口數(shù)量進行對比，如表2所示。

綜合對比CPRI接口與eCPRI接口的功能特點和接口協(xié)議功能劃分，在5G網絡應用中建議優(yōu)選支持eCPRI接口的設備。

（二）前傳傳輸承載技術方案分析

5G網絡無論是基站數(shù)量還是傳輸帶寬需求相比4G都提升了數(shù)倍，因此對光線資源的需求也會倍增，繼續(xù)采用纖直驅的方式會對現(xiàn)網的傳輸網絡資源造成很大的壓力，為此我們提出幾種前傳承載方案以解決5G前傳網絡中遇到的瓶頸問題，以確保5G網絡的傳輸質量，更好地滿足用戶的業(yè)務需求。本文主要介紹以下六種前傳承載方案：

1.光纖直驅承載方案

光纖直驅承載方案通過在DU/BBU、AAU設備上安裝白光模塊，設備間再通過光纖直接進行連接。此承載方案在D-RAN站點應用比較廣泛，由于DU與AAU之間傳輸距離短，一般采用單纖單向傳輸。對于光線資源豐富的C-RAN站點，建議DU到AAU設備之間距離不超過10km。采用單纖雙向BiDi技術可實現(xiàn)降低50%的光纖消耗，即使采用25Gbps BiDi技術，對于DU集中化部署的CRAN機房，DU連接數(shù)十個AAU設備的情況，對現(xiàn)網的傳輸管道線路造成很大的壓力，還需要DU集中接入側設備具備更高的光纖資源管理能力。

2.無源WDM承載方案

無源WDM方案是在DU和AAU上安裝彩光模塊，彩光模塊之間通過無源的合/分波器件實現(xiàn)一個DU到多個AAU之間數(shù)據傳輸，合分波復用器之間通過一對甚至一根光纖進行連接;如S111配置的基站中，即使DU至AAU之間采用單纖雙向BiDi技術，光纖直驅方案至少需要3根光纖，然而采用無源WDM方案，使用一根或者兩根光纖即可實現(xiàn)DU至AAU之間的數(shù)據傳輸，與采用BiDi技術的光纖直驅方案相比，光纖資源還可減少2/3。WDM設備采用透傳方式不會引入傳播時延，但DU和AAU之間需要進行波長規(guī)劃，還需要考慮彩光模塊的備件問題。

3.半有源WDM承載方案

半有源WDM承載方案與無源WDM承載方案結構類似，相對無源WDM承載方案，半有源WDM承載方案在DU/BBU側采用有源的波分復用設備，可對遠端AAU設備側的彩光模塊實現(xiàn)OAM管理。此方案可實現(xiàn)光線資源和較強的OAM管理能力，但是彩光模塊成本較高，需進行波長規(guī)劃，還要考慮彩光模塊的備件的問題。

4.有源WDM/OTN承載方案

有源WDM/OTN承載方案是通過在DU與AAU之間引入有源WDM/OTN設備，與半有源WDM的區(qū)別是將AAU側的彩光模塊換成有源的WDM/OTN設備，然后通過一根光纖將兩個有源WDM/OTN設備直接相連，可有效地減少光纖數(shù)量從而降低光纖資源投資成本。無線設備DU、AAU之間引入有源WDM/OTN設備，可提供豐富的OAM能力和故障診斷功能，雖然AAU、DU至WDM/OTN設備需6根單纖單向光纖連接，但傳輸距離較短，纖芯資源布放簡單，相對建設成本比較低。無線設備無需安裝彩光模塊，無需進行波長分配和管理。OTN設備具備較強的網絡保護能力，但成本高，網絡部署投資大。

5. SPN技術方案

SPN技術是中國移動提出的一種基于網絡切片的傳輸承載方案，采用大容量接口、分組切片和分段路由（SR-TP）等關鍵技術，采用SDN是實現(xiàn)統(tǒng)一管控。SPN技術通過在L2（MAC）層和L1（PHY）層之間設立Flex-E Shim層，Shim層采用時分復用技術實現(xiàn)業(yè)務間的物理隔離，可實現(xiàn)按照不同的業(yè)務類型將同一物理平面切分為多個虛擬平面，方便業(yè)務部署和運維。采用時分復用技術可將時延控制在5us以內，受限于SPN相關的標準、設備、芯片、光模塊技術發(fā)展的發(fā)展程度，SPN目前僅支持50 Gbps/100 Gbps的線路帶寬，光纖復用能力有限，SPN前傳承載主要適合在現(xiàn)有宏站網絡中配置虛擬專網實現(xiàn)用戶個性化需求或特定場景應用需求。

6.WDM-PON承載方案

WDM-PON通過采用在接入機房DU側部署光線路終端（OLT）設備，在遠端AAU所在機房側提供陣列波導光柵（AWG）設備，可實現(xiàn)數(shù)十波長的光信號在一根光纖中進行傳輸，大大減少OLT至AWG設備間的光纖數(shù)量，并具備交換、控制、管理功能;在AAU側部署ONU實現(xiàn)波長分配功能，為AAU提供特定的波長信號。WDM-PON承載方案可以充分利用現(xiàn)有的光纖傳輸資源，降低5G網絡建設成本實現(xiàn)5G網絡快速部署。目前WDM-PON相關技術標準還有待進一步完善，成熟度比較低，并且設備成本比較高。

本文提出幾種前傳承載方案以實現(xiàn)降低網絡傳輸資源的建設成本，考慮前傳承載方案在網絡建設中應用場景、建設成本、運維效率、成熟程度等方面的綜合優(yōu)勢，提出合理的前傳承載建設方案，六種前傳承載方案性能對比如表3所示。

四、前傳承載方案的選擇建議

綜上所述六種前傳承載方案的工作原理和建設成本，結合5G網絡應用場景、運維效率、建設工期等綜合因素，制定如下前傳方案選擇建議：

5G網絡前傳建議優(yōu)選支持eCPRI接口的設備;

D-RAN站點采用光纖直驅的前傳承載方案;

光纖資源豐富的C-RAN站點，拉遠距離在2km內，優(yōu)先考慮使用單纖雙向的光纖直驅前傳承載方案;

光線資源緊張的C-RAN站點，拉遠距離在2km以上，結合現(xiàn)網管控、線路資源情況，按照單纖雙向光纖直驅、無源WDM、半無源WDM、有源WDM/OTN的承載方案順序進行選擇;

由于有源波分設備成本高，目前有源WDM/OTN承載方案主要應用在對QOM要求較高的業(yè)務場景中，建議根據半無源WDM技術的發(fā)展成熟度，采用半無源WDM方案取代有源WDM/OTN方案。

五、結束語

本文主要提出了六種前傳網絡承載方案，并根據5G網絡應用場景、建設成本、運維效率、建設工期等因素分析制定了五種前傳承載方案的選擇建議，希望本文能幫助運營商解決5G網絡建設中因前傳網絡資源緊張造成的困擾，更加高效實現(xiàn)5G網絡的建設規(guī)劃、提升5G網絡質量和用戶體驗滿意度。

作者單位：王四光? ? 中國移動通信集團山西有限公司運城分公司

王四光（1967.04-），男，漢族，山西臨猗，大學本科，通信工程師，研究方向：4G/5G通信。