5G前傳方案研究進展與發展趨勢

扶奉超 王鵬 毛宇 黃湧 梅謝 元寶

【摘? 要】5G商用，承載先行，需要對5G承載網絡進行規劃和部署。主要介紹了光纖直驅、無源WDM、OTN、WDM-PON四種主流5G前傳方案的技術特點、研究進展、行業動態以及標準化情況，并給出一些建議和思考。目前業內已開發出4種前傳方案的樣機，其中光纖直驅、無源WDM、OTN較成熟，WDM-PON不是很成熟。未來需要進一步降低前傳設備成本，推進產業鏈成熟和實現規模商用。

【摘? 要】5G;前傳;WDM-PON;OTN;CWDM

1? ?引言

5G作為國家戰略，成為十三五期間通信行業的重要建設任務[1-2]。5G作為新一代移動通信技術，其具有大帶寬、低時延和海量連接等特點，可為用戶帶來革命性的業務體驗和新型商業模式，成為目前通信業界最熱的課題之一。

前傳為移動承載網的一部分，5G前傳方案的選擇將直接影響運營商的投資和建設效率等。5G大規模建設將對基站光纜資源、投資、維護管理方面都造成巨大的壓力。在光纜資源方面，單4G基站一般需占用6/3芯基站光纖和主干光纖，5G前傳如僅采用光纖直驅方式有可能給現網光纜造成較大壓力。在成本方面，5G前傳設備成本均達萬元級，5G前傳將需要百億級投資。在維護方面，5G前傳涉及巨大數量DU/AAU的安裝、開通、升級等，對維護效率影響最大。根據5G無線接入網絡的部署策略，5G無線接入網絡的網絡架構和承載要求都有較大改變[3]。因此有必要研究5G前傳技術，降低5G前傳建設成本和維護成本，提高部署運營效率。

2? ?5G前傳承載網架構演進

2.1? 3G/4G前傳承載網架構和現狀

無線網絡承載網主要指承載無線信號從基站傳輸到移動核心網（EPC，Evolved Packet Core）的網絡，屬傳輸網范疇。如圖1所示，從RRU（Radio Remote Unit，遠端射頻單元）到BBU（Building Base band Unit，基帶處理單元）段為前傳，BBU段到核心網為回傳。

3G基本全為宏基站，RRU和BBU位于塔上塔下，用裸纖連接。為節約機房資源，加快部署效率，4G出現了C-RAN（Centralized Radio Access Network，集中式的無線接入網）的部署方式[4]。4G網絡C-RAN主要采用光纖直驅的方式，少部分光纖資源不足的區域采用無源粗波分方式。

2.2? 5G前傳承載網架構及性能指標

3GPP標準化組織提出了5G無線接入網功能重構方案，如圖2所示。5G的非實時功能在CU（Centralized Unit，集中單元）中實現，實時功能在DU（Distribute Unit，分布單元）中實現，另外一部分功能移入AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）來實現。無線接入網兩級架構演進到CU、DU和AAU三級架構，承載網因此分為前傳、中傳和回傳。5G的前傳架構整體與4G相同。

5G對前傳承載網的帶寬、時延等方面提出了更高要求。在大帶寬需求上，高頻段、寬頻譜使得5G基站的帶寬需求大幅提升。5G eCPRI（Enhanced Common Public Radio Interface，增強型通用公共無線電接口）速率為25 Gb/s，CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）速率達到100 Gb/s[5]?？紤]到成本和技術實現難度，目前5G前傳優先選用25 Gb/s eCPRI接口。在低時延要求上，3GPP等相關組織提出前傳時延要求為100 μs。前傳距離主要在10 km以內，其中大部分在3 km～5 km。4G和5G的頻率同步標準相同，均為50 ppb。5G基本業務時間同步標準與4G TDD相同，均為1.5 μs，協同業務同步需求待研究。

3? ?5G前傳方案及研究進展

5G前傳承載方案主要分為光纖直驅方案和波分設備承載方案。其中，波分設備承載方案又分為無源波分方案、OTN/WDM方案和WDM-PON方案這三種，其本質上都是利用波分技術對多個eCPRI鏈路采用不同的波長來承載，然后再復用到一根光纖中，以達到節省光纖資源的目的。本章將介紹以上四種承載方法的技術特點、技術進展及發展趨勢。

3.1? 光纖直驅方案

光纖直驅方案分為單纖單向和單纖雙向（Bidirec-tional，BIDI）兩種。AAU和DU設備上安裝的是白光模塊，單個5G S111站需要的光纖資源分別為6芯/3芯，如圖3所示。由于光纖直驅方案建設成本最低，時延等性能最好，因此已成為國內三大運營商5G前傳的首選方案，該方案將滿足大部分應用場景。5G采用的頻段高于4G，單基站覆蓋范圍小于4G，全覆蓋情況下站址數量將大于4G，因此5G將消耗巨大的基站光纖資源，可節約一半光纖的BIDI方案比單纖單向方案更有應用前景。

5G前傳光纖直驅方案的優勢是提升了光模塊速率，由4G的4.9G/10G提升到25G。目前業內一般采用單波長波特率提高到25G Baud的方式提升前傳光模塊速率。光纖直驅方案的技術難度低于波分設備承載方案。國內光模塊廠商具備研制BIDI光模塊核心器件的能力，跳過了依賴國外廠家以及外購光器件的過程。該項技術于2017年已趨于成熟，目前已具備大規模商業應用的能力，價格有望隨著應用規模的擴大而大幅降低。

3.2? 無源WDM方案

無源WDM方案已廣泛應用于需要節約光纖的場景，如4G前傳及其他配線光纜、主干光纜不足的場景。無源WDM方案根據波長間隔分為粗波分和密集波分兩種。由于密集波分系統實現單光路的成本為粗波分系統的數倍，而且用于前傳時密集波分方案波長分配復雜度大大增加，因此建議前傳采用粗波分方案。

25G固定波長彩光光模塊具備國產和自研能力，跳過了依賴國外廠家和外購光器件的過程，成本有望隨著應用規模的增大而大幅降低。未來提高光功率預算，降低彩光模塊成本是主要研究方向。

3.3? OTN方案

OTN（Optical Transport Network，光傳送網）為傳輸設備，可提供時分復用的硬管道，目前主要用于高品質政企專線產品中。由于其大帶寬硬管道、高可靠性、高安全性等優點，近年來，業界也探索將其用于無線承載網。

OTN方案如圖5所示，AAU站點和DU兩端設置有源OTN設備，支持多個AAU通過WDM技術共享光纖資源。AAU和DU設備上安裝的是白光模塊，兩端各設置1個有源OTN設備，一般占用2芯主干光纖，單站需要14塊光模塊。

用于移動前傳的OTN一般是由傳統OTN廠商開發，有較高的技術難度，與傳統的OTN設備具有較好的延續性。一般線路側100G，客戶側根據需要，一般至少支持接入5G的3個AAU設備和4G的3個RRU設備，有些可以支持4G、5G、政企混傳。OTN采用比傳統OTN（G.709）層次更少的映射路徑，時延小，并刪除了冗余開銷，實現成本更低。2018年廠商陸續開發出相應的測試產品。業內測試結果表明，OTN單設備時延可以達到10 μs級別，帶寬、時延、抖動、同步等可以滿足5G前傳的要求，此外還可以進行維護管理功能[7]。

OTN國際標準化進展較快，2018年2月ITU-T SG15啟動M-OTN標準項目《Application of OTN to 5G Transport》。該項目描述現有OTN技術在5G承載中的應用方式，同時將給出下一步標準化的方向[8]。在未來，降低成本，縮短與其他低成本前傳方案的價格差距是主要方向。

3.4? WDM-PON方案

WDM-PON（Wave-Division Multiplexing Passive Optical Network，波分復用無源光網絡）為寬帶接入網演進的一種技術。不同于現有的PON、10G PON的時分復用技術，WDM-PON采用波長復用技術，每個終端可獨享波長的帶寬，并具有高可靠性和高安全性等優點，近年來，業界也探索將WDM-PON用于無線承載網。

WDM-PON用于5G前傳承載的模型如圖6所示，AAU和DU兩端分別設置ONU和OLT，主干光纜占用1芯。ONU有SFP+型態及ONU型態兩種。ONU型態的WDM-PON系統要求AAU安裝白光模塊，然后接入ONU，消耗的光模塊較多。SFP+型態的ONU不需要白光模塊，直接將SFP+型態的彩光ONU插入AAU。SFP+形態的ONU更節約空間，但是要將原有PON芯片集成到光模塊，因此SFP+型態ONU將面臨集成難度高的問題。

25G WDM-PON系統業內一般可提供C波段20波/

40波可調諧，支持10路/20路AAU接入。目前業界已開發出樣機，業內測試結果表明，WDM-PON設備時延可以達到10 μs級別。帶寬、時延、穩定性、可靠性、同步等可以滿足5G前傳的要求，此外還可以進行維護管理功能[9]。在標準化方面，2018年國內CCSA立項了“面向5G承載的N×25G的波分復用無源光網絡（WDM-PON）”標準[10]，定義了物理層、收發器指標和性能指標等要求。

據了解，目前無色ONU收發器、可調諧WDM器件等難點技術難以短時間內取得重大突破，WDM-PON系統處于研發和論證階段，成熟度較其他方案低。且目前可調諧光模塊的核心光芯片主要依賴于國外外購，成本相當高。未來，突破可調諧光模塊技術，降低成本是實現WDM-PON大規模應用的關鍵因素，也是WDM-PON的發展方向。

3.5? 5G前傳建議

將光纖直驅方案和波分承載方案進行對比可知，光線直驅方案成本低、安裝及維護簡便，技術成熟度最高，因此建議光纖直驅方案作為光纖資源充足場景的5G前傳首選方案。在光纖資源緊張的場景，需要采用波分承載方案。由于WDM-PON和OTN方案成本較高，且OTN方案對光纖節約有限，而WDM-PON成熟度較低，因此建議選擇成本較低、成熟度較高的無源波分方案作為5G前傳設備承載方案。

4? ?結束語

5G前傳涉及的投資大，并將占用大量接入光纜。5G前傳方案的選擇將直接影響運營商投資和建設的難度。本文主要研究5G前傳主流關鍵技術，介紹5G前傳業界的研究進展、標準化情況以及行業動態?？傮w來說，廠商已陸續開發出波分設備承載方案產品，需要業界各方共同推動波分承載方案的標準化和產業鏈的成熟，實現大規模商用。同時如何降低成本是每種WDM方案面臨的技術難點，建議從技術突破、產業鏈和應用規模等角度綜合考慮。前傳方案的測試驗證工作將是今后工作的重點。

參考文獻：

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[8] ITU-T G. Application of OTN to 5G Transport[S]. 2018.

[9] 卞海川. 中國電信上海研究院蔣銘推動WDM-PON技術成熟和產業應用[J]. 通信世界， 2018（13）： 44.

[10] CCSA. 面向5G承載的N×25G的波分復用無源光網絡（WDM-PON）[S]. 2018.