光傳送網(wǎng)下的5G移動(dòng)通信前傳關(guān)鍵技術(shù)探析

張敦峰

（長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

結(jié)合當(dāng)前的5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)研究成果，5G前傳在5G傳輸中所發(fā)揮的作用越來(lái)越顯著。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，5G前傳的速率高、同步時(shí)鐘精度高，且時(shí)延低；從成本層面上來(lái)說(shuō)，5G前傳中的有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）數(shù)量是巨大的，會(huì)增加成本。另外，若是使用多天線技術(shù)，則5G前傳帶寬也會(huì)大幅度的增加，不利于成本的控制。基于5G移動(dòng)通信的發(fā)展要求和光纖基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，5G前傳增加了光纖資源消耗，這就要求借助5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(dòng)通信前傳關(guān)鍵技術(shù)。

1 前傳與5G前傳主體光傳輸方式

1.1 前傳的定義與應(yīng)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(luò)體系結(jié)構(gòu)）連接到5G移動(dòng)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程獨(dú)立射頻拉遠(yuǎn)頭，屬于一種新型技術(shù)。隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(chǔ)的前傳通信得到了高度重視。在當(dāng)前的5G移動(dòng)通信技術(shù)中，基帶處理單元（Base Bunl Unit，BBU）可以被分解為兩個(gè)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(lái)說(shuō)，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(guò)20 km，而實(shí)際的前傳覆蓋距離主要是取決于網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)延的要求。具體來(lái)說(shuō)，若是處于低時(shí)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(shí)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(dá)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(dāng)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(wú)源波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方案、光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）方案，均有較好的應(yīng)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(shè)備連接中，與5G站連接時(shí)所需要的光纖資源分別為3芯、6芯。因?yàn)楫?dāng)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(shì)，尤其是成本優(yōu)勢(shì)，所以很多的運(yùn)營(yíng)商均將光纖直連方案作為5G前傳的首選，在長(zhǎng)時(shí)間的光纖直連方案應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一方面能夠適用于多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，另一方面因?yàn)槭褂玫?G前傳能夠大大提升光模塊速率，這也是5G移動(dòng)通信技術(shù)整體優(yōu)勢(shì)大于4G移動(dòng)通信技術(shù)的原因之一[2]。但也應(yīng)該考慮一點(diǎn)，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(shì)。

1.3 5G前傳場(chǎng)景化的光纖連接與管理技術(shù)

與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景更為寬泛，光纖連接與管理技術(shù)也有著較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，在光纖連接和管理技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮以下的要素。

（1）光纖系統(tǒng)必須靈活適應(yīng)各種場(chǎng)景，可以考慮采用模塊化組合方式，這能夠?qū)崿F(xiàn)光纖系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

（2）考慮到5G前傳的站點(diǎn)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(shí)間完成規(guī)模化部署任務(wù)。

（3）因?yàn)?G的預(yù)期生命周期要長(zhǎng)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(yīng)對(duì)室外的一些不利因素，通常情況下室外應(yīng)用時(shí)間應(yīng)達(dá)到10年以上。

（4）前傳距離不同時(shí)，光傳送網(wǎng)的長(zhǎng)度也會(huì)有所不同，一些距離可以達(dá)到10km以上。因此，對(duì)于整個(gè)光纖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光鏈路的衰減應(yīng)控制在最小的范圍內(nèi)，這樣方可確保移動(dòng)通信的穩(wěn)定與安全。

2 光傳送網(wǎng)下的5G移動(dòng)通信前傳關(guān)鍵技術(shù)

2.1 WDM前傳技術(shù)

WDM前傳技術(shù)是當(dāng)前5G移動(dòng)通信前傳的一種常用技術(shù)，應(yīng)用較為廣泛，既有優(yōu)勢(shì)也有一定的劣勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，WDM前傳技術(shù)建立在2.5 b/s的基礎(chǔ)上，可以快速地向外界發(fā)出設(shè)置信息，顯著優(yōu)勢(shì)是成本低和可靠性強(qiáng)。在傳輸鏈路方面，波分復(fù)用前傳技術(shù)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(shì)，WDM前傳技術(shù)能夠很好地滿足光纖需要[3]。另外，在使用波分復(fù)用前傳技術(shù)的同時(shí)，為了更好地發(fā)揮無(wú)色光收發(fā)機(jī)的功能，往往需要使用放射式半導(dǎo)體放大器。波分復(fù)用前傳技術(shù)的劣勢(shì)是一定程度上增加了網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)的壓力。

2.2 時(shí)分復(fù)用前傳技術(shù)

WDM前傳技術(shù)因?yàn)樽陨韮?yōu)勢(shì)適合開(kāi)展5G移動(dòng)通信前傳工作，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)易受到多種不利因素的影響，此時(shí)需要使用以太網(wǎng)和時(shí)分復(fù)用（Time Division Multipexing，TDM）模式來(lái)解決不利因素所帶來(lái)的影響。在應(yīng)用以太網(wǎng)與TDM的過(guò)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(shù)進(jìn)入到光網(wǎng)絡(luò)單元中，最終傳輸至射頻拉遠(yuǎn)頭（Remote Rcalio Heacl，RRH）中。通過(guò)應(yīng)用依托TDM前傳技術(shù)，能夠?qū)⑵胀ňW(wǎng)變?yōu)橐蕴W(wǎng)，既可以方便運(yùn)輸，也可以很好地節(jié)約成本，且最大限度地發(fā)揮出了無(wú)源光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。有一點(diǎn)需要特別注意，在傳輸過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)傳輸時(shí)間與效率不能達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的情況，此時(shí)可以考慮處理MAC幀數(shù)據(jù)。TDM前傳技術(shù)的整體優(yōu)勢(shì)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(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。

2.3 物理層功能重構(gòu)前傳技術(shù)

在5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)的使用過(guò)程中，為了更好地節(jié)約成本，需要在通信傳輸時(shí)將帶寬控制在10Gb/s內(nèi)。以往多使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來(lái)控制帶寬，雖然在控制帶寬方面有著較顯著的優(yōu)勢(shì)，但通常情況下壓縮后的帶寬無(wú)法滿足傳輸?shù)囊蟆ａ槍?duì)這一方面，當(dāng)前有一種專門(mén)性的處理技術(shù)，即物理層功能重構(gòu)前傳技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，在使用物理層功能重構(gòu)前傳技術(shù)時(shí)，能有效切換RRH與BBU之間的分割點(diǎn)，同時(shí)較好地平衡模擬和數(shù)字，建立起一個(gè)新的結(jié)構(gòu)[4]。在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，物理層功能重構(gòu)前傳技術(shù)既可以增加傳輸站點(diǎn)，也可以最大限度減少光傳輸帶寬。

2.4 純模擬信號(hào)傳輸前傳技術(shù)

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(gè)扇區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)均需要考慮光載天線鏈路的相關(guān)要求。為了更好地掌握波長(zhǎng)數(shù)據(jù)信息的傳輸情況，需要結(jié)合實(shí)際要求對(duì)波長(zhǎng)做相應(yīng)的處理，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，若是未能處理好勢(shì)必會(huì)影響到5G移動(dòng)通信的效果。具體來(lái)說(shuō)，在波長(zhǎng)處理時(shí)要重點(diǎn)做好兩個(gè)方面的工作：一是提前設(shè)定解決問(wèn)題的方案，并在模擬環(huán)境下進(jìn)行波長(zhǎng)處理，確保處理方法與技術(shù)的可行性；二是在波長(zhǎng)調(diào)整時(shí)要考慮非線性因素，目的之一是確保演進(jìn)增強(qiáng)系統(tǒng)的信息高于峰均功率的信號(hào)，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(shù)的5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)

在光載射頻技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展背景下，有較多的5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)得到了應(yīng)用，尤其是光載射頻技術(shù)的中心站、基站、光纖鏈路有著更好的應(yīng)用效果。光載射頻技術(shù)是指將射頻信息放在光波上使用，信號(hào)可以借助光纖完成傳送，接收設(shè)置是光電探測(cè)器，可以將光纖傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號(hào)，最后發(fā)送至每一個(gè)用戶端處。在長(zhǎng)時(shí)間的光載射頻技術(shù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，技術(shù)本身有著多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，為5G移動(dòng)通信前傳提供了良好的條件。

具體來(lái)說(shuō)，光載射頻技術(shù)使用時(shí)的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在5個(gè)方面：一是帶寬大，移動(dòng)通信過(guò)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(zhuǎn)換均可以在廣域內(nèi)有效進(jìn)行；三是基站的大小與成本可以得到有效地控制，這對(duì)于光載射頻技術(shù)的使用是尤為有利的；四是可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)業(yè)務(wù)的共傳；五是不僅可以將光載射頻技術(shù)應(yīng)用在5G移動(dòng)通信中，而且還可以考慮將其應(yīng)用于智慧交通系統(tǒng)和軍事網(wǎng)絡(luò)中。

在光載射頻技術(shù)使用時(shí)，重點(diǎn)在于中心站、基站、光纖鏈路這3個(gè)部分。在中心站的調(diào)制中，需要結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的調(diào)制方式，當(dāng)前主要有兩種，一是直接調(diào)制，二是外調(diào)制。直接調(diào)制這一種方式可以促使驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號(hào)，此時(shí)由激光器精準(zhǔn)負(fù)責(zé)輸出的光波強(qiáng)度能夠產(chǎn)生光載射頻信號(hào)。外調(diào)制這一種方式在使用時(shí)不過(guò)度依賴激光器，可以直接在激光器的外部完成調(diào)制任務(wù)[5]。在基站探測(cè)方式的使用中，當(dāng)前主要是在光載射頻系統(tǒng)接收端使用光電探測(cè)器，其優(yōu)勢(shì)是噪音較小，且探測(cè)器數(shù)據(jù)的光電流與光功率可以始終控制在正比例關(guān)系。隨著光載射頻技術(shù)的發(fā)展，依托于光載射頻系統(tǒng)的前傳網(wǎng)絡(luò)有了較廣泛的應(yīng)用，主要有模擬前傳網(wǎng)絡(luò)和純數(shù)字信號(hào)通用公共無(wú)線接口協(xié)議前傳網(wǎng)絡(luò)。

在模擬前傳網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)通信的模擬信號(hào)可以在前傳網(wǎng)絡(luò)中有效傳輸，不過(guò)在傳輸過(guò)程中較容易受到一些不利因素的影響，此時(shí)需要多使用一些器件的幫助，以求將RRU的結(jié)構(gòu)變得足夠簡(jiǎn)單[6]。隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，光載射頻技術(shù)也在一定程度上獲得了良好的發(fā)展，能夠?qū)⒐廨d射頻技術(shù)加入到集中式網(wǎng)絡(luò)或云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中，這可以為用戶帶來(lái)良好的體驗(yàn)，值得推廣應(yīng)用。正是基于此，在前傳網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)中，會(huì)選擇集中性地將前傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在低于6 GHz的低頻波段中，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中會(huì)有更多的前傳網(wǎng)絡(luò)。

除模擬前傳網(wǎng)絡(luò)，純數(shù)字信號(hào)通用公共無(wú)線接口協(xié)議前傳網(wǎng)絡(luò)也有著較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，最大優(yōu)勢(shì)便是可靠性強(qiáng)，非常適合應(yīng)用在室外環(huán)境下。在前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐下，5G移動(dòng)通信前傳可以考慮使用公共無(wú)線接口，憑借公共無(wú)線接口協(xié)議的優(yōu)勢(shì)可以在一定程度上減少光纖的需求量，不過(guò)也有一定的不足，即使用過(guò)程中會(huì)增加維修負(fù)擔(dān)和難度，這一點(diǎn)需要后續(xù)不斷優(yōu)化。

4 結(jié) 論

在光傳送網(wǎng)下，5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)的應(yīng)用更為重要，必須認(rèn)真考慮5G前傳的傳輸網(wǎng)智能規(guī)劃，構(gòu)建以光傳送網(wǎng)為基礎(chǔ)的5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)體系。當(dāng)前所使用的5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)有著較好的優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用，但后續(xù)依然要加大研究力度，探究面向5G前傳網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)的需求及挑戰(zhàn)，掌握更多5G移動(dòng)通信前傳技術(shù)，從而促進(jìn)5G移動(dòng)通信的發(fā)展。