無源光網絡在5G前傳中的應用研究*

黃星輝，張 振

（廣州杰賽通信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著無線接入網絡的發展，移動數據內容正逐步通過光網絡進行傳輸。移動前傳網絡是5G網絡中的一個重要網絡段，它將集中式基帶單元（Building Base Band Unit，BBU）與云無線電接入網絡（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）中的遠程無線電單元（Radio Remote Unit，RRU）連接起來。它支持先進的無線技術，如協調多點和大規模輸入與輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術。C-RAN成為將來下一代移動網絡的重要發展方向，其綜合了實時云計算架構、集中化處理以及協作式無線電技術，是一種綠色的無線接入網構架，期望通過協調多點提高網絡性能，并通過容量共享和優化提高網絡能效。移動前傳網絡作為C-RAN的重要組成部分，是連接BBU池和RRU的高速光纖傳輸網[1]。

無源光網絡（Passive Optical Network，PON）[2]是光接入網絡的一種，在光線路終端（optical Line Terminal，OLT）與光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）之間采用無源光分路器。無源分路器的使用消除了環境中的電磁波以及雷雨天氣時的雷電對信號的干擾，同時降低了線路與外部設備之間的故障率，從而實現了減小運營成本的效果。另一方面，PON網絡承載的信號具有透明性，這便為用戶提供了充足的帶寬資源。目前，光接入網中為解決“最后一公里工程”瓶頸現象而提出的光纖到戶的最佳實現方案便是PON網絡架構。PON網絡架構采用的是點對多點的樹形網絡架構，這種特點與深度覆蓋C-RAN網絡架構類似。PON以其高帶寬，高速率，低時延的特點成為移動前傳網絡承載的主要方案。近些年來，隨著PON網絡架構的不斷發展，國內外越來越多的設備供應商和運營商逐步開始使用現有已經部署好的PON網絡系統來承載移動前傳網絡。

本文主要研究了移動前傳網絡以及無源光網絡在5G前傳網絡中的應用和前景。

1 移動前傳網絡及其承載方案

C-RAN一般有BBU池、RRU和前端光鏈路三部分組成，其結構圖如圖1所示。該結構集合了集中式處理，云計算構架，協調多點技術，為用戶提供更好的無線傳輸體驗，更好地實驗移動網絡的廣域深度覆蓋。

圖1 C-RAN架構

移動前傳網絡作為C-RAN架構中出現的新型網絡，是一種連接BBU池和RRU的高速光纖網絡。目前以C-RAN為基礎的移動前傳承載方案主要有以下幾種：無源彩光，光纖直驅，有源光傳送網（Optical Transport Network，OTN）/波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）， 波 分復用無源光網絡（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，WDM-PON）以及時分復用無源光網絡（Time Division Multiplexing Passive Optical Network，TDM-PON）[3]。

目前存在幾種基于C-RAN的移動前傳承載方案，主要有無源彩光，光纖直驅，有源OTN/WDM，TDM-PON以及WDM-PON[3]。其中光纖直驅是在光纖資源需求有限和供應充足下最理想的方案，但它建網成本高，經濟性差。

無源彩光方案使用波分復用技術，在每個BBU池和RRU中都分配WDM彩光模塊用以產生光源，該種方案的優點是成本效益高，能夠滿足通用公共無線電接口（Common Public Radio Interface，CPRI）中的傳輸要求，這便有利于在戶外部署；該種方案的不足之處是復用信道數太少，需要兩條光纖，無法滿足移動前傳網絡的大規模部署。有源OTN/WDM方案在BBU池和RRU上配備白光模塊，可以實現無色化，在管理數目龐大的RRU時，使系統變得簡單方便；該種方案的缺點是還未完善CPRI信號的封裝成幀標準，在OTN的成幀過程中系統可能會引入額外的傳輸時延，這便導致系統的時延性能隨之降低。TDM-PON承載方案結合時分復用和無源光網絡技術，是一種低成本方案，也引起了越來越多的關注，然而承載移動前傳網絡時在吞吐量，時延、抖動以及信息安全方面表現有所吃力。

WDM-PON有著與C-RAN網絡相之對應的點對多點樹形網絡結構，與TDM-PON相比，WDMPON在承載前傳網絡時能夠滿足前傳網絡CPRI中信號低時延抖動、高帶寬以及高安全性的要求，同時可以利用現有的PON資源進行升級搭建，從而可以節約大量的光纖資源，但其光器件成本昂貴，建網成本較高[4]。

目前，最主流的移動前傳承載網絡為WDMPON網絡。

2 WDM-PON移動前傳承載方案

圖2為移動前傳網絡WDM-PON承載方案架構圖，其中RRU與ONU端進行連接，BBU池與OLT端進行連接。WDN-PON技術可以實現ONU的無色化，無色化光模塊部署在ONU端，進而PON網絡可以在傳輸過程中根據OLT的調度請求從而進行動態調整分配波長資源，使得各ONU獲得合適的波長[4]。隨著近年來移動網絡用戶對帶寬需求的不斷增加，國內外運營商和研究機構逐漸選擇WDMPON作為移動前傳承載方案，其中以滿足CPRI信號在傳輸時的要求，會在信號封裝的過程中簡化相關規范。同時為了滿足傳輸時延抖動的要求，會采用直接透明的方式進行傳輸。

WDM-PON是采用點對點結構，同時基于波分復用技術的無源光網絡。WDM-PON在同一根光纖中采用波分復用技術復用多路信號實現上行接入，這便能夠使得OLT端與ONU端之實現點對點的虛擬連接。WDM-PON能夠節約成本的同時提供充足的工作帶寬，是光纖接入的重要發展方向并且在光網絡中具有良好的應用前景。

圖2 基于WDM-PON的承載方案

3 WDM-PON在移動前傳網絡中的優勢

WDM-PON主要有高容量和高帶寬，傳輸損耗小、傳輸距離遠，高安全性，良好的透明性，可重構性強、易擴容，業務靈活多變、支持多業務傳輸等6個特點。

高容量，高帶寬：

WDM-PON通過波長復用技術使得在一根光纖中能夠同時傳輸多個載波信號，從而實現了高帶寬的信號傳輸，進而在提高了系統的傳輸容量的同時獲得了較高的網絡傳輸速率。在ONU上/下行傳輸方面，對于WDM-PON系統中的每一個ONU都擁有其不同的專用波長，該方式提高了系統的傳輸帶寬，這使得WDM-PON在如今流量和帶寬需求飛速增加的移動前傳網絡中具有更大的應用優勢。

傳輸距離遠，傳輸損耗小：

在基于WDM-PON的移動前傳網絡C-RAN架構中，會將RRU部署在用戶處，從而滿移動網絡深度覆蓋的要求，這便增加了BBU池與RRU之間的傳輸距離，具有傳輸距離遠的特點。同時，WDM-PON的采用，使得系統各器件的插入損耗減小，從而具有傳輸損耗小的特點，因此該系統在傳輸距離以及網絡覆蓋范圍上面有著明顯優勢。

高安全性：

在用戶和中心局通信時，WDM-PON為每個用戶提供了一對專屬的波長從而實現了相互獨立的虛擬點對點鏈接，消除了TDM-PON中其他ONU信息對本ONU的影響，保證了數據傳輸時移動用戶數據的安全和私密。

良好的透明性：

WDM-PON在傳輸信號時，將傳輸信息直接映射到相應波長同道中，因此無需復雜的MAC協議即可實現數據在在不同信道速率以及各種協議下的透明傳輸。在傳輸CPRI信號時，WDM-PON可以在無需繁瑣的封裝處理過程下滿足CPRI的低時延信號傳輸要求[5]。并可以進一步實現無線接入網中的簡單網絡管理以及簡化網絡保護的實現方式，同時可以提高網絡系統的整體管理控制能力。

可重構性強，易擴容：

在WDM-PON系統中，由于OLT與ONU之間采用不同波長從而實現了點對點的虛擬連接，因此在對系統進行重構或擴容時，不用拆散整個網絡部署，只要在原有的系統基礎上增加或者減少系統波長資源和用戶端設備即可實現重構和擴容，具有可重構性強、易擴容的特點。

業務靈活多變，支持多業務傳輸：

在當前LTE的移動前傳網絡，在迎接未來5G時必將面對越來越多的增值業務，為此移動前傳網絡必須滿足移動用戶對綜合數據業務的高速率傳輸的需求，同時面對不同業務時要滿足誤碼率、帶寬以及時延/抖動等方面的需求。WDM-PON系統提供了充足的波長資源以此來滿足不同的業務服務，進而可以解決用戶對服務質量（Quality of Service，QOS）的要求[6]。從而使得WDM-PON具有業務靈活多變的特點，并可以支持多業務的傳輸。

4 國內外移動前傳WDM-PON研究現狀

國外搭建了基于反射式半導體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）的基礎上的WDM-PON系統，并使用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術構建了一個標準的光纖無線通信系統。同時在長期的演進系統中，相關學者研究了100 MHz射頻信號在超過20 km標準單模光纖的長距離PON系統信號傳輸場景下兩種不同調制編碼方式的上行傳輸性能。

國內，中國電信聯合烽火通信研發了一種實現基于長期演進的高級版（Long Term Evolution-Advanced，LTE-A）的C-RAN架構，該架構是一種使用波分復用技術的WDM-PON系統。在進行數據傳輸時，其正向傳輸數據可以滿足移動前傳網絡中CPRI協議對接口傳輸的要求。另外，中國聯通和華為聯合開發了基于WDM的移動前傳承載方案，解決了在部署移動前傳網絡時的光纖資源消耗和監管問題。

新一代N×25Gbps WDM PON技術標準化及產業化都在穩步的進行著，國際組織全業務接入網論壇（Full Service Access Networks，FSAN）已完成WDM-PON技術白皮書，包含架構和應用場景，基于運營商需求推動，國際標準中已納入前傳應用場景。隨著無源光網絡及WDM-PON的深入研究，無源光網絡以其顯著的優越性將完美承載5G前傳網絡。

5 結 語

5G中的前傳網絡具有高容量，低處理時延，低成本的特點。目前的基礎性資源難以達到承載的要求。光接入網具有高容量，大連接，低功耗，低時延，高可靠等特點，使其成為最關鍵的資源。本文描述了無源光網絡承載5G前傳網絡的架構方案，重點介紹了WDM-PON網絡承載方案及其優越性。