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。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

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（車聯網、物聯網、智慧醫療、虛擬現實等）產業的發展，更好地滿足移動通信用戶的網絡需求，助力社會各行各業信息化、智能化的快速發展，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，以實現為移動用戶提供更加智能的應用體驗;uRLLC主要面向遠程醫療、車聯網、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應用領域;uRLLC主要面向智慧城市、智慧家庭、智慧農業、環境檢測、智慧道路、森林防火等通過大量終端設備進行數據采集及遠程監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網絡實現獨立的SA組網架構需要分階段實現，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5G數據業務承載，4G網絡提供連續覆蓋，NR實現熱點區域覆蓋;該方式通過現網改造升級具有建網快、投資少的優勢;缺點是不支持5G核心網相關新業務和新功能，僅支持部分eMBB類業務。

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

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5G網絡的社會效能，支撐5G應用產業的快速發展。

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，并且可實現向上層協議棧提供多種類型的數據業務，使得單個AAU和DU之間僅一個物理接口即可實現數據互通，實現高效靈活的5G網絡前傳數據傳輸，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接口技術可實現高效的數據傳輸，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議功能劃分，在5G網絡應用中建議優選支持eCPRI接口的設備。

（二）前傳傳輸承載技術方案分析

5G網絡無論是基站數量還是傳輸帶寬需求相比4G都提升了數倍，因此對光線資源的需求也會倍增，繼續采用纖直驅的方式會對現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連接數十個AAU設備的情況，對現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/分波器件實現一個DU到多個AAU之間數據傳輸，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DU至AAU之間的數據傳輸，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OAM管理。此方案可實現光線資源和較強的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是實現統一管控。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業務間的物理隔離，可實現按照不同的業務類型將同一物理平面切分為多個虛擬平面，方便業務部署和運維。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、光模塊技術發展的發展程度，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有宏站網絡中配置虛擬專網實現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，可實現數十波長的光信號在一根光纖中進行傳輸，大大減少OLT至AWG設備間的光纖數量，并具備交換、控制、管理功能;在AAU側部署ONU實現波長分配功能，為AAU提供特定的波長信號。WDM-PON承載方案可以充分利用現有的光纖傳輸資源，降低5G網絡建設成本實現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要求較高的業務場景中，建議根據半無源WDM技術的發展成熟度，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5G網絡的建設規劃、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。