工程師周亮 發表於 2018-09-13 11:13:58
5G已蓄勢待發，中國移動5G的中回傳解決方案已基本確定，但對於5G前傳的承載方案尚未進行深入研究，為此就前傳提出幾種解決方案，並分析其優劣和應用場景分析，為後期5G前傳網絡建設提供參考。
1 背景
5G已蓄勢待發，中國移動也開始了5G的現網試點測試。5G的架構相比4G有較大變化，如圖1所示：
圖1 4G與5G結構對比示意圖
5G時代的網絡結構相比4G有所調整，重構為AAU-DU-CU-核心網四部分，相應的承載也分為三段：AAU-DU間稱為前傳，DU-CU間稱為中傳，CU-核心網間稱為回傳。對於中回傳段落，目前中國移動已經基本確定其承載方案，但前傳解決方案直接影響未來機房、電源、管線等的規劃和建設，因此，有必要在5G正式商用之前進行前傳方案的研究和探討。
2 前傳的幾種解決方案
5G前傳目前公認的接口類型有CPRI接口和eCPRI接口兩種，其中CPRI接口速率為100GE，eCPRI接口速率為25GE，有以下幾種解決方案：
2.1 方案一：光纖直驅
前傳中CPRI和eCPRI接口一般的傳輸距離控制在10公裡內，因此可在BBU/DU與每個AAU的埠間全部採用點到點光纖直連。
該方案簡單易行，可滿足前傳承載需求。根據調研，目前各個無線設備廠家一個5G基站前傳需要2-12芯，一個BBU/DU考慮收斂10-20個AAU考慮，則需要消耗大量光纖資源，BBU/DU側光纖管理要求高，出口的管道、光纜資源成為此方案的瓶頸。從技術方案上來看，也可以通過AAU級聯來減少光纖資源的消耗，同時無線側設備通過前傳信號自身可完成光纖直驅線路的保護、OAM和網絡管理。因此，該方案的特點是部署成本比較低，但受限於末端光纖資源，適用於光纖資源豐富和BBU/DU小規模集中場景。
結合中國移動的實際網絡情況，大部分應用場景中現網光纖資源無法滿足5G前傳光纖資源需求，需要新建光纜，新建光纜時宜採用大芯數環網架構（類似綜合業務接入區的主幹光纜網），如圖2所示，根據規劃接入AAU數量選用144-288芯光纜，在每個節點終端12-24芯光纖，並通過聯絡光纜與匯聚機房相連。採用此部署方式，可避免BBU/DU機房大量小芯數光纜集中，對管道造成極大壓力；此方式要求提前對部署節點進行預測並進行大芯數光纜部署。
圖2 前傳光纜網建設方案示意圖
但在實際網絡建設時，AAU的建設是逐步進行，採用大芯數光纜環形組網仍存在一定的不確定性，也可採用星型光纜連接，為避免對機房出口管道的影響，可在BBU/DU機房出口部署大芯數光纜、在機房附近設置光纜分纖點方式，將大芯數光纜分成多條小芯數光纜，再按需連接至各個AAU。
2.2 方案二：WDM/OTN
對於現有光纖資源有限、且新建光纜有困難時，也可採用WDM/OTN方案。
（1）WDM承載方案
WDM技術已經非常成熟，採用無源合分波+彩光直驅方案，BBU/DU和AAU上的光模塊分別採用帶波長的彩光模塊，在BBU/DU前端配置光合分波器OMD，AAU節點配置光分插復用器OAD，採用WDM技術，可以大幅節約光纖資源的消耗。WDM設備對前傳業務採用純透傳處理，因而對時延特性影響極為有限。缺點在於：彩光光模塊會對AAU基站管理提出新的要求，無法採用信號復用技術提高波長利用率，業務的OAM管理功能有限。另外，每個BBU/DU與AAU波長連接在物理上是點對點的連接，因此功率預算是彩光直驅需要考慮的關鍵問題。目前CCSA正在討論制定「城域接入型波分復用（WDM）系統技術要求」，使其更適合無線基站前傳需求。
該方案要求BBU/DU與AAU間很好地規劃彩光波長，因此在實際部署和維護管理中相對複雜。
（2）OTN承載方案
為減少AAU和BBU/DU間波長規劃，也可通過OTN方式承載。接入OTN設備客戶側，映射和復用成高速的OTN信號並轉換成彩光接口，進行波分復用後在一根或一對光纖中傳輸，大幅節省光纖資源。
該方案採用OTN技術進行信號復用還可以提高波長利用率，利用OTN開銷字節提供更豐富的OAM功能和故障診斷能力，並可以支持網絡保護，同時AAU和BBU/DU設備不需要彩光光模塊，避免了無線設備進行波長分配和管理的複雜性。組網方面比較靈活，可支持環形、樹形和MESH型等多種網絡結構。
但採用OTN承載方式需要考慮到其不足之處：OTN設備是有源的，在前傳的場景中，絕大多數是無機房的應用，小型化的OTN設備需要採用工業級器件，增加溫控能力，考慮更為嚴苛的環境應用和複雜的安裝條件；另一方面，傳統OTN設備的成本較高，如果規模部署，OTN設備用量巨大，相關功能採用ASIC實現，可以大幅降低設備成本。
隨著大顆粒集客、家寬上聯等業務需求，中國移動OTN也在逐步向邊緣下沉，此時共用OTN可以進一步攤薄成本，並適應未來大業務量發展。
2.3 方案三：WDM-PON
PON星型組網結構契合5G前傳需求，是一種比較合適的解決方案，但由於WDM-PON技術不夠成熟，因此目前採用PON做前傳是考慮比較少的方式，在滿足5G前傳時，WDM PON需要具有以下特點：
（1）線路速率0.6~10GBps，單PON口支持多速率，用戶側支持多種接口類型。由於中國移動部分LTE基站也採用拉遠方式，5G建設初期基本與LTE同站址，因此存在多種制式基站共站址方式，此時要求WDM-PON具備多速率承載的能力，在同一個PON口下，不同波長可以對應不同的傳輸速率，以滿足不同無線制式基站承載的要求。
（2）傳輸距離10~40km。CPRI接口一般傳輸距離要求不小於10公裡。根據中國移動實際網絡情況和BBU/DU集中規模，城區BBU/DU-AAU間的光纜傳輸距離一般在4公裡以內；農村地區BBU/DU-AAU間的光纜傳輸距離一般在10公裡以內。
（3）傳輸時延<200us，頻率抖動<0.002ppm，頻率同步±0.05ppm，時間同步<±8.138ns。WDM-PON設備應具備完善的同步接口，支持時間和頻率同步功能。
（4）此外，WDM PON系統用於移動前傳，還需要具備轉發功能、糾錯功能、成幀功能、保護功能和光鏈路診斷功能。
總之，WDM PON 提供了豐富的帶寬、時延小並且安全性好，能很好的滿足5G基站前傳的帶寬需求，可作為未來前傳的主要技術選擇之一。但目前業界WDM-PON尚缺成熟商用技術，器件成本高昂，大規模應用需要降低系統成本和無色ONU技術。
2.4 方案四：IP+光
前傳網中也可採用IP+光方案，其大帶寬和低時延特點，可以很好滿足5G基站前傳需求：
在業務帶寬能力方面：IP+光方案為5G基站前傳提供了靈活的承載方案，一方面利用IP的特性適應各種帶寬需求場景，IP分組技術使BBU/DU和AAU之前的帶寬利用利更高，前傳網絡的資源得到高效應用；另一方面，用光層剛性管道的大帶寬提供能力適應前傳的大帶寬需求。
在業務時延保障方面：針對低時延的前傳要求，IP+光可分別在IP層和光層採用專屬低時延解決方案。在IP層採用設備級超低時延轉發技術，在設備轉發晶片內，通過以太幀的前導碼將報文分為普通和加速兩類，對加速類報文採用搶佔普通報文資源和Cut-through轉發方式，可將節點的電層處理時延從幾十毫秒減低到幾毫秒。在光層採用光層穿通的方式，僅對需要接入或落地的業務波長進行電層處理，其它波長直接在光層穿通，實現業務一跳直達。
IP+光方案可以很好地滿足帶寬和時延的需求，但該方案技術方面仍需進一步推動和研發，仍未有真正商用的產品，但卻給中國移動5G前傳部署提供了一種新的技術方案選擇。
2.5 方案對比
光纖直驅、WDM/OTN、WDM-PON、IP+光等各種技術方案各有優缺，中國移動必須結合現有實際網絡情況和未來業務發展需求、網絡部署規劃等多方面因此綜合考慮：
從滿足前傳的需求方面看，光纖直驅、WDM/OTN、WDM-PON方案較適合提供承載剛性管道的能力，而IP+光由於本身具體分組和光的能力，可以很好適應5G前傳的部分場景；另一方面，在時延滿足度上看，上述幾種方案都可以很好的滿足時延的要求，只不過由於光器件引入的時延略有差異會導致傳輸距離不完全相同，但是總體上說都在一個數量級別。
從組網靈活性上看，光纖直驅、WDM-PON方案適合點到點組網、鏈型組網，而WDM/OTN、IP+光方案適合點到點組網、鏈型組網和環型組網等多種組網方式，同時支持單纖雙向和雙纖雙向傳輸方式，滿足無線網絡各種組網方式的需求。同時，環型組網時能夠實現線路側1+1保護，提高了業務的安全性。
從光纖資源消耗上看，直驅光纖消耗資源最多，其它方案相當。但如何部署需要結合現有網絡光纖及系統建設情況，如：對於規模部署了PON網絡的區域來說，合理利用現網的資源加以改造，WDM-PON也是一個很好的選擇；而對規模部署了LTE基站前傳的區域來說，結合當前的前傳方案開展4G/5G前傳的規劃則是更加明智的選擇。
從前傳網管理上看，光纖直驅和WDM方式的前傳管理只能依賴AAU和BBU/DU單元本身，相關的故障檢測也只能依賴於AAU和BBU/DU有限的監控管理欄位，其它幾種方案藉助相應的字節開銷、OSC、ESC等手段在網絡管理方面的能力則較強，在故障管理、性能管理、安全管理、配置管理、維護管理和系統管理等方面更加便捷。對比如表1所示。
表1 前傳方案對比表
總之，以上方案各有優缺，適用的場景也各不相同；從目前階段來看，光纖直驅更合適；但隨著規模部署，WDM、OTN方案也具有一定優勢；隨著WDM-PON技術成熟，採用WDM-PON也不失很好的一種方案選擇。中國移動現網實際情況多種多樣，在實際網絡部署時，宜根據實際場景選擇合適的技術和方案，達到性價比、運維管理等多方面合適的解決方案，滿足各種前傳承載需求。
3 小結
中國移動的5G網絡建設在即，如何合理的規劃部署前傳網絡，也是5G網絡建設的重要一環，以上方案僅根據目前的技術和網絡情況略作探討，僅供大家參考，未來隨著技術的進步和網絡的演進，前傳方案也許有更好的解決方案。
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