光傳送網(wǎng)下的5G移動通信前傳關鍵技術探析

張敦峰

（長飛光纖光纜股份有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

結合當前的5G移動通信前傳技術研究成果，5G前傳在5G傳輸中所發(fā)揮的作用越來越顯著。從技術層面上來說，5G前傳的速率高、同步時鐘精度高，且時延低；從成本層面上來說，5G前傳中的有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）數(shù)量是巨大的，會增加成本。另外，若是使用多天線技術，則5G前傳帶寬也會大幅度的增加，不利于成本的控制?；?G移動通信的發(fā)展要求和光纖基礎設施建設完善，5G前傳增加了光纖資源消耗，這就要求借助5G移動通信前傳技術的優(yōu)勢提升5G通信水平。基于此，本文論述了光傳送網(wǎng)下的5G移動通信前傳關鍵技術。

1 前傳與5G前傳主體光傳輸方式

1.1 前傳的定義與應用范圍

前傳是指將C-RAN（一種新型的集中式基帶單元蜂窩網(wǎng)絡體系結構）連接到5G移動站點的遠程獨立射頻拉遠頭，屬于一種新型技術。隨著5G移動通信技術的發(fā)展，對C-RAN部署有了更高的要求、隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提升，以光傳送網(wǎng)為基礎的前傳通信得到了高度重視。在當前的5G移動通信技術中，基帶處理單元（Base Bunl Unit，BBU）可以被分解為兩個部分，一是分布式單元（Distributed Unit，DU），二是集中式單元（Centralied Unit，CU）[1]。就前傳覆蓋范圍來說，可以理解為AAU到DU之間的連接距離，通常情況下這一距離不超過20 km，而實際的前傳覆蓋距離主要是取決于網(wǎng)絡對時延的要求。具體來說，若是處于低時延，則AAU與DU之間的距離有很大的概率是小于100 m；但若是處于時延不敏感的狀態(tài)，且DU采用集中式的部署方法，則前傳覆蓋距離往往可以達到幾千米至十幾千米。如圖1所示，不同條件下前傳所覆蓋的范圍。

圖1 不同條件下前傳所覆蓋的范圍

1.2 5G前傳主體光傳輸方式

在當前的5G前傳主體光傳輸中，使用的傳輸方式較多，主要有光纖直連方案、無源波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方案、光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）方案，均有較好的應用效果。

光纖直連方案可以分為兩種，一是單纖雙向，二是單纖單向。在AAU與DU的設備連接中，與5G站連接時所需要的光纖資源分別為3芯、6芯。因為當前所使用的光纖直連方案有著其他方式所不具備的顯著優(yōu)勢，尤其是成本優(yōu)勢，所以很多的運營商均將光纖直連方案作為5G前傳的首選，在長時間的光纖直連方案應用過程中發(fā)現(xiàn)，一方面能夠適用于多數(shù)的應用場景，另一方面因為使用的5G前傳能夠大大提升光模塊速率，這也是5G移動通信技術整體優(yōu)勢大于4G移動通信技術的原因之一[2]。但也應該考慮一點，若是可以使用的光纖資源較為緊張，則可以考慮不使用光纖直連方案，而是選擇波分承載方案，這一方案具有成本較低和成熟度較高的優(yōu)勢。

1.3 5G前傳場景化的光纖連接與管理技術

與4G網(wǎng)絡相比，5G網(wǎng)絡技術的應用場景更為寬泛，光纖連接與管理技術也有著較好的應用優(yōu)勢。總的來說，在光纖連接和管理技術的應用過程中，需要重點考慮以下的要素。

（1）光纖系統(tǒng)必須靈活適應各種場景，可以考慮采用模塊化組合方式，這能夠實現(xiàn)光纖系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

（2）考慮到5G前傳的站點量較大，必須確保光纖系統(tǒng)有最為便捷的安裝方式，并且可以在短時間完成規(guī)?；渴鹑蝿?。

（3）因為5G的預期生命周期要長于3G和4G，所以使用的前傳光纖必須有著高度穩(wěn)定性，尤其是可以應對室外的一些不利因素，通常情況下室外應用時間應達到10年以上。

（4）前傳距離不同時，光傳送網(wǎng)的長度也會有所不同，一些距離可以達到10km以上。因此，對于整個光纖系統(tǒng)來說，光鏈路的衰減應控制在最小的范圍內，這樣方可確保移動通信的穩(wěn)定與安全。

2 光傳送網(wǎng)下的5G移動通信前傳關鍵技術

2.1 WDM前傳技術

WDM前傳技術是當前5G移動通信前傳的一種常用技術，應用較為廣泛，既有優(yōu)勢也有一定的劣勢。具體來說，WDM前傳技術建立在2.5 b/s的基礎上，可以快速地向外界發(fā)出設置信息，顯著優(yōu)勢是成本低和可靠性強。在傳輸鏈路方面，波分復用前傳技術主要有兩條鏈路，一是信息傳輸，二是信息傳輸監(jiān)控，基于鏈路支持和自身優(yōu)勢，WDM前傳技術能夠很好地滿足光纖需要[3]。另外，在使用波分復用前傳技術的同時，為了更好地發(fā)揮無色光收發(fā)機的功能，往往需要使用放射式半導體放大器。波分復用前傳技術的劣勢是一定程度上增加了網(wǎng)絡管理維護的壓力。

2.2 時分復用前傳技術

WDM前傳技術因為自身優(yōu)勢適合開展5G移動通信前傳工作，但是在實際應用時易受到多種不利因素的影響，此時需要使用以太網(wǎng)和時分復用（Time Division Multipexing，TDM）模式來解決不利因素所帶來的影響。在應用以太網(wǎng)與TDM的過程中，可以先將數(shù)據(jù)傳送至管線終端，而后借助前傳技術進入到光網(wǎng)絡單元中，最終傳輸至射頻拉遠頭（Remote Rcalio Heacl，RRH）中。通過應用依托TDM前傳技術，能夠將普通網(wǎng)變?yōu)橐蕴W(wǎng)，既可以方便運輸，也可以很好地節(jié)約成本，且最大限度地發(fā)揮出了無源光技術的優(yōu)勢。有一點需要特別注意，在傳輸過程中會不可避免地出現(xiàn)傳輸時間與效率不能達到預設標準的情況，此時可以考慮處理MAC幀數(shù)據(jù)。TDM前傳技術的整體優(yōu)勢是毋庸置疑的，能夠很好地提升帶寬，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間會較長。

2.3 物理層功能重構前傳技術

在5G移動通信前傳技術的使用過程中，為了更好地節(jié)約成本，需要在通信傳輸時將帶寬控制在10Gb/s內。以往多使用數(shù)據(jù)壓縮技術來控制帶寬，雖然在控制帶寬方面有著較顯著的優(yōu)勢，但通常情況下壓縮后的帶寬無法滿足傳輸?shù)囊蟆ａ槍@一方面，當前有一種專門性的處理技術，即物理層功能重構前傳技術，具體來說，在使用物理層功能重構前傳技術時，能有效切換RRH與BBU之間的分割點，同時較好地平衡模擬和數(shù)字，建立起一個新的結構[4]。在長時間的應用過程中發(fā)現(xiàn)，物理層功能重構前傳技術既可以增加傳輸站點，也可以最大限度減少光傳輸帶寬。

2.4 純模擬信號傳輸前傳技術

在遙控發(fā)射單元（Remote Radio Unit，RRU）系統(tǒng)中存在著很多扇區(qū)，在每一個扇區(qū)設計時均需要考慮光載天線鏈路的相關要求。為了更好地掌握波長數(shù)據(jù)信息的傳輸情況，需要結合實際要求對波長做相應的處理，此時會出現(xiàn)一些問題，若是未能處理好勢必會影響到5G移動通信的效果。具體來說，在波長處理時要重點做好兩個方面的工作：一是提前設定解決問題的方案，并在模擬環(huán)境下進行波長處理，確保處理方法與技術的可行性；二是在波長調整時要考慮非線性因素，目的之一是確保演進增強系統(tǒng)的信息高于峰均功率的信號，避免在不利條件下受到非線性因素的影響。

3 基于光載射頻技術的5G移動通信前傳技術

在光載射頻技術的應用與發(fā)展背景下，有較多的5G移動通信前傳技術得到了應用，尤其是光載射頻技術的中心站、基站、光纖鏈路有著更好的應用效果。光載射頻技術是指將射頻信息放在光波上使用，信號可以借助光纖完成傳送，接收設置是光電探測器，可以將光纖傳送的信號轉變?yōu)樯漕l信號，最后發(fā)送至每一個用戶端處。在長時間的光載射頻技術應用中發(fā)現(xiàn)，技術本身有著多個方面的優(yōu)勢，為5G移動通信前傳提供了良好的條件。

具體來說，光載射頻技術使用時的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在5個方面：一是帶寬大，移動通信過程中的損耗較低，且具有良好的抗電磁干擾能力；二是濾波處理與光電轉換均可以在廣域內有效進行；三是基站的大小與成本可以得到有效地控制，這對于光載射頻技術的使用是尤為有利的；四是可以同時進行多個業(yè)務的共傳；五是不僅可以將光載射頻技術應用在5G移動通信中，而且還可以考慮將其應用于智慧交通系統(tǒng)和軍事網(wǎng)絡中。

在光載射頻技術使用時，重點在于中心站、基站、光纖鏈路這3個部分。在中心站的調制中，需要結合實際情況選擇合理的調制方式，當前主要有兩種，一是直接調制，二是外調制。直接調制這一種方式可以促使驅動電流轉變?yōu)樯漕l信號，此時由激光器精準負責輸出的光波強度能夠產(chǎn)生光載射頻信號。外調制這一種方式在使用時不過度依賴激光器，可以直接在激光器的外部完成調制任務[5]。在基站探測方式的使用中，當前主要是在光載射頻系統(tǒng)接收端使用光電探測器，其優(yōu)勢是噪音較小，且探測器數(shù)據(jù)的光電流與光功率可以始終控制在正比例關系。隨著光載射頻技術的發(fā)展，依托于光載射頻系統(tǒng)的前傳網(wǎng)絡有了較廣泛的應用，主要有模擬前傳網(wǎng)絡和純數(shù)字信號通用公共無線接口協(xié)議前傳網(wǎng)絡。

在模擬前傳網(wǎng)絡中，移動通信的模擬信號可以在前傳網(wǎng)絡中有效傳輸，不過在傳輸過程中較容易受到一些不利因素的影響，此時需要多使用一些器件的幫助，以求將RRU的結構變得足夠簡單[6]。隨著5G移動通信技術的發(fā)展，光載射頻技術也在一定程度上獲得了良好的發(fā)展，能夠將光載射頻技術加入到集中式網(wǎng)絡或云無線接入網(wǎng)絡中，這可以為用戶帶來良好的體驗，值得推廣應用。正是基于此，在前傳網(wǎng)絡方案的設計中，會選擇集中性地將前傳網(wǎng)絡設置在低于6 GHz的低頻波段中，此時網(wǎng)絡結構中會有更多的前傳網(wǎng)絡。

除模擬前傳網(wǎng)絡，純數(shù)字信號通用公共無線接口協(xié)議前傳網(wǎng)絡也有著較好的應用優(yōu)勢，最大優(yōu)勢便是可靠性強，非常適合應用在室外環(huán)境下。在前傳網(wǎng)絡技術的支撐下，5G移動通信前傳可以考慮使用公共無線接口，憑借公共無線接口協(xié)議的優(yōu)勢可以在一定程度上減少光纖的需求量，不過也有一定的不足，即使用過程中會增加維修負擔和難度，這一點需要后續(xù)不斷優(yōu)化。

4 結 論

在光傳送網(wǎng)下，5G移動通信前傳技術的應用更為重要，必須認真考慮5G前傳的傳輸網(wǎng)智能規(guī)劃，構建以光傳送網(wǎng)為基礎的5G移動通信前傳技術體系。當前所使用的5G移動通信前傳技術有著較好的優(yōu)勢，值得推廣應用，但后續(xù)依然要加大研究力度，探究面向5G前傳網(wǎng)絡的傳送網(wǎng)的需求及挑戰(zhàn)，掌握更多5G移動通信前傳技術，從而促進5G移動通信的發(fā)展。