無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)承載5G前傳信號(hào)可行性的研究概述

【摘要】為了明確PON承載5G前傳的適用場(chǎng)景，中興、華為、中國(guó)電信、AT&T等各標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營(yíng)商及設(shè)備公司正在進(jìn)行相關(guān)研究，因此綜合各方現(xiàn)有研究成果，列舉了5G無(wú)線(xiàn)前傳的各種要求，將其與當(dāng)前和未來(lái)的各類(lèi)PON光接入系統(tǒng)進(jìn)行比較，最后闡述了對(duì)應(yīng)5G前傳不同應(yīng)用場(chǎng)景的各類(lèi)PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；前傳；無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；基帶處理單元；射頻拉遠(yuǎn)單元

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：賈武,孫越,程海瑞. 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)承載5G前傳信號(hào)可行性的研究概述[J]. 移動(dòng)通信, 2017,42(1): 00-00.

An Introduction to Study on the Feasibility of PON Carrying 5G Fronthaul Signals

JIA Wu, SUN Yue, CHENG Hairui

(China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing 100048, China)

[Abstract] In order to clearly the application scenario of PON carrying 5G fronthaul signals, multiple standard organizations, operators and equipment vendors e.g. ZTE, Huawei, China Telecom and AT&T are conducting related research. Combined with existing research results, various requirements of 5G wireless fronghaul were listed and compared with different PON access systems. Besides, different types of PON network technology corresponding to different application scenarios of 5G fronghaul were elaborated.

[Key words] 5G fronthaul; PON; BBU; RRH

1 引言

從4G/LTE向5G新型無(wú)線(xiàn)（NR）傳輸架構(gòu)演進(jìn)，主要變化在于4G/LTE原有的BBU功能分為中央單元（CU）、分布式單元（DU）、遠(yuǎn)端單元（RU）。這種重新設(shè)計(jì)可以更好地促進(jìn)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）虛擬化[1]。它還可以降低前傳的線(xiàn)路速率，同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)延要求。

通常在4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，前傳鏈路定位在RF（射頻）與其余使用CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無(wú)線(xiàn)電接口）/OBSAI協(xié)議（Open Base Station Architecture Initiative，開(kāi)放式基站架構(gòu)，即選項(xiàng)8劃分點(diǎn)）的L1/L2/L3功能之間。這種劃分點(diǎn)選項(xiàng)允許集中所有高層處理功能，代價(jià)是對(duì)于前傳時(shí)延和帶寬有嚴(yán)格的要求。這種傳統(tǒng)的前傳是基于數(shù)字化時(shí)域IQ（正交矢量）數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)于諸如eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）等非常高容量的應(yīng)用或者具有多個(gè)獨(dú)立天線(xiàn)元件（多層MIMO）的無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)，這些方案需要非常高的高傳輸容量，同時(shí)允許傳輸時(shí)延僅為幾百微秒。

圖1是從4G到5G的劃分功能體系結(jié)構(gòu)演化的一個(gè)例子[2-3]：

圖1 由4G向5G劃分結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

4G中的RAN架構(gòu)由演進(jìn)分組核心（EPC）、基帶單元（BBU）和遠(yuǎn)程射頻頭（RRH）組成。當(dāng)演進(jìn)到5G時(shí)，在這個(gè)例子中，部分用戶(hù)平面（UP）功能從EPC移動(dòng)到CU和DU，L2非實(shí)時(shí)和L3功能從BBU移動(dòng)到CU，L1/L2實(shí)時(shí)功能從BBU到DU，其余的L1功能從BBU到RU。EPC功能在下一代核心（NGC）、CU和DU之間重新分配，所創(chuàng)建的兩個(gè)新接口通常被稱(chēng)為高層劃分點(diǎn)“前傳-2”（Fronthaul-II）和低層劃分點(diǎn)“前傳-1”（Fronthaul-I）,其中“前傳-2”又被稱(chēng)為“中傳”。駐留在CU和DU中的特定功能與部署有關(guān)，目前各方仍在討論中。圖2顯示了4G和5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的這些功能塊和潛在的劃分點(diǎn)[4]。目前標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)開(kāi)始在無(wú)線(xiàn)信號(hào)處理鏈路中確定不同的分界點(diǎn)，與目前在用的方法相比，可顯著降低C-RAN架構(gòu)中的傳輸容量。

圖2 CU和DU功能劃分示意

5G數(shù)據(jù)速率的增加使得傳統(tǒng)的CPRI前傳難以被繼續(xù)使用。在更高層劃分時(shí)，可以放寬對(duì)于時(shí)延和帶寬的要求，同時(shí)也只需集中更少的處理功能。因此，新的功能劃分架構(gòu)需要綜合權(quán)衡吞吐量、時(shí)延和功能集中之間的技術(shù)和成本。最佳的5G NR劃分點(diǎn)取決于特定的部署方案。在2017年4月，3GPP宣布選擇選項(xiàng)2（PDCP/高RLC）作為高層劃分點(diǎn)（稱(chēng)為F1接口），同時(shí)推遲作出對(duì)于低層劃分點(diǎn)的決定（用于MAC/PHY的選項(xiàng)6劃分點(diǎn)和選項(xiàng)7內(nèi)部的PHY劃分與三個(gè)不同的變種7-1、7-2、7-3）[3, 5]。

上圖中5G（a）為高層劃分（F1）、5G（b）為低層劃分（FX）、5G（c）為級(jí)聯(lián)劃分。選項(xiàng)8（CPRI或OBSAI協(xié)議）與傳統(tǒng)的前傳類(lèi)似，無(wú)論用戶(hù)流量是否存在都需要連續(xù)的比特率傳輸。當(dāng)使用其他劃分選項(xiàng)（1-7），則傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨用戶(hù)流量而變化。

3GPP目前僅考慮由CU和DU組成的劃分基站架構(gòu)。在本文中，采用由CU、DU和RU三個(gè)部分組成的劃分架構(gòu)，以更好地對(duì)應(yīng)到PON架構(gòu)。

2 5G前傳要求

2.1 RAN及業(yè)務(wù)等級(jí)

3GPP認(rèn)為RAN架構(gòu)包括將4G和5G這兩類(lèi)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)（RAT）共存和合作在一個(gè)共同的網(wǎng)絡(luò)[5]。除了這種混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之外，單獨(dú)的5G網(wǎng)絡(luò)將包括具有明顯不同的業(yè)務(wù)特性的多種應(yīng)用（如表1所示，其中nx、Nx表示計(jì)算具體帶寬時(shí)總帶寬與所建立的連接數(shù)n、N成正比關(guān)系），以及具有明顯不同的RF配置（低于6 GHz、高于6 GHz、MIMO、大規(guī)模MIMO）的各種無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。但是，并非所有這些技術(shù)都必須同時(shí)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用。例如，在許多情況下，mMTC應(yīng)用將被用于諸如生產(chǎn)車(chē)間等專(zhuān)用封閉網(wǎng)絡(luò)，并且不需要與eMBB應(yīng)用共存。在其他情況下，多個(gè)業(yè)務(wù)可使用相同的射頻硬件（天線(xiàn)和RF設(shè)備），但對(duì)于不同業(yè)務(wù)前傳的傳輸需求可能會(huì)不同，需具體取決于流量和時(shí)延要求。

表1 各種5G業(yè)務(wù)預(yù)期的流量特性（基于ITU-R M.2083和3GPP）

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)及其無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的許多規(guī)范細(xì)節(jié)仍有待定義。下一代前傳架構(gòu)的傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)將必須滿(mǎn)足各種帶寬和時(shí)延要求。考慮到無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)的基站大小和結(jié)構(gòu)，以及所提供的業(yè)務(wù)和無(wú)線(xiàn)鏈路上的聚合，預(yù)計(jì)將需要靜態(tài)的大型傳輸管道以及用于高度動(dòng)態(tài)的、具備可適應(yīng)性的傳輸鏈路，這將允許通過(guò)利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益來(lái)更高效地實(shí)現(xiàn)前傳信號(hào)的承載。

2.2 傳輸容量要求

從傳送能力的角度來(lái)看，高層劃分選項(xiàng)2以及低層劃分選項(xiàng)6和/或7的最重要特征是要傳送的數(shù)據(jù)量與用戶(hù)流量成比例。相比之下，選項(xiàng)8（使用CPRI或OBSAI協(xié)議）需要持續(xù)的比特率傳輸，無(wú)論用戶(hù)流量是否存在。隨著5G所需的更高容量（由于更高的QAM編碼、更高的MIMO層數(shù)和更多的天線(xiàn)），所產(chǎn)生的選項(xiàng)8的傳輸將要求非常高且連續(xù)的帶寬保證。除了與劃分選項(xiàng)8相比所需的傳送能力明顯降低之外，這些接口處的業(yè)務(wù)流量也允許采用能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同流量狀況的傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而能夠匯聚多個(gè)基站的業(yè)務(wù)并利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用收益。

表2顯示了針對(duì)特定高容量基站場(chǎng)景計(jì)算的不同劃分點(diǎn)處的傳輸數(shù)據(jù)速率，目前3GPP目前較為重視劃分選項(xiàng)2、6、7。用于評(píng)估的參數(shù)是：100 MHz射頻帶寬、256-QAM調(diào)制、8個(gè)MIMO層、32個(gè)天線(xiàn)端口（上、下行鏈路相同）等[4]。表中的上/下行（UL/DL）方向的帶寬速率中各有一部分用于控制信令、隊(duì)列等。

表2中的數(shù)字表示無(wú)線(xiàn)信道上在最佳條件下所需的傳輸速率的峰值，它們使用如上所述的4G模型配置來(lái)針對(duì)一個(gè)特定基站進(jìn)行計(jì)算。注意劃分選項(xiàng)2、6和7，這個(gè)例子的傳輸比特率與選項(xiàng)1（回傳）相比，劃分選項(xiàng)2（F1-接口）僅增加幾個(gè)百分點(diǎn)，而與選項(xiàng)8（傳統(tǒng)前傳）相比，劃分選項(xiàng)7.x減少了2~15倍，而選項(xiàng)6則為30~40倍。

表2 不同的功能劃分點(diǎn)的速率要求

在實(shí)際部署中，MIMO層通常不會(huì)全部是獨(dú)立的，可通過(guò)天線(xiàn)分組來(lái)提高無(wú)線(xiàn)信道吞吐量，同時(shí)空口的吞吐量隨著無(wú)線(xiàn)信道的實(shí)際情況而變化。這些將要求在不同的選項(xiàng)/接口（除了選項(xiàng)8）之外改變傳送能力。表2中的分析主要是提供了一個(gè)有用的定性指標(biāo)，說(shuō)明所選的功能拆分方式將如何影響傳輸層所需的比特率。

2.3 時(shí)延要求

關(guān)于等待時(shí)間，對(duì)應(yīng)劃分選項(xiàng)1~8可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是時(shí)延在幾毫秒范圍內(nèi)的“非實(shí)時(shí)”傳輸（選項(xiàng)1~3），另一類(lèi)是時(shí)延在幾百微秒范圍內(nèi)的“實(shí)時(shí)”傳輸（選項(xiàng)4~8）。各類(lèi)別之間的區(qū)別關(guān)鍵在于HARQ環(huán)路（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求）是否跨越劃分接口。如果是，則微秒級(jí)要求適用；否則傳輸時(shí)延僅由通常在毫秒范圍的應(yīng)用層要求來(lái)指定。

在4G網(wǎng)絡(luò)中，HARQ環(huán)路是同步過(guò)程，其持續(xù)時(shí)間與1 ms的TTI長(zhǎng)度（傳輸時(shí)間間隔）相關(guān)聯(lián)。在這種情況下，考慮到目前典型的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)情況，在選項(xiàng)8接口上僅剩幾百微秒的往返時(shí)間（RTT）用于傳輸。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)，將指定不同的TTI持續(xù)時(shí)間：500 ms、250 ms和125 ms。除此之外，3GPP正在討論將HARQ過(guò)程從同步HARQ改為異步HARQ。

eCPRI小組已經(jīng)發(fā)布了文件草案[6]，為7.x劃分選項(xiàng)指定了用于快速用戶(hù)平面業(yè)務(wù)的最大單向等待時(shí)間為100 ms，這個(gè)值被IEEE 1914.1組接受[7]。

2.4 同步及抖動(dòng)要求

對(duì)于4G，基本的頻率同步要求是例如通過(guò)以太網(wǎng)物理層同步（SyncE）的傳統(tǒng)傳輸?shù)?plusmn;50 ppb和對(duì)于一些相干的CoMP方案的±5 ppb[8]。

使用CPRI協(xié)議時(shí)鐘頻率誤差必須在±2 ppb以?xún)?nèi)，抖動(dòng)要求為±8.138 ns[9]。

3 PON承載5G前傳架構(gòu)

3.1 架構(gòu)劃分

對(duì)于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）如何支持5G NR前傳以及如何將射頻網(wǎng)元（CU、DU和RU）映射到PON（OLT和ONU）中的傳輸網(wǎng)元，3GPP和IEEE都分別描述了分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念[10-11]。根據(jù)它們的定義，CU/DU/RU屬于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層（RNL），而OLT/ONU屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)層（TNL）。

圖3顯示了將CU/DU/RU映射到OLT/ONU的三個(gè)示例場(chǎng)景。在圖3（a）中表示了在F1接口上的高層劃分，這適用于DU和RU之間非常低的時(shí)延。在圖3（b）中表示了在Fx接口上的低層分層。此場(chǎng)景適用于通用云網(wǎng)絡(luò)。圖3（c）表示級(jí)聯(lián)劃分場(chǎng)景，這對(duì)于密集城區(qū)的小型基站部署非常有用。合適架構(gòu)的具體選擇取決于特定的部署場(chǎng)景，以及基于業(yè)務(wù)的時(shí)延和性能要求。圖3中ODN可以進(jìn)一步擴(kuò)展為包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PtP）、星形、樹(shù)形或鏈形拓?fù)洹?/p>

圖3 光前傳CU/DU/RU到PON的映射[3]

3.2 實(shí)際PON系統(tǒng)解決方案

如表3所示，根據(jù)各運(yùn)營(yíng)商的部署要求，在某些情況下，5G天線(xiàn)站點(diǎn)已用于承載2G/3G/4G信號(hào)，所以同一條接入光纖（系統(tǒng)）必須支持多個(gè)F1和FX接口，一種情況是5G的多個(gè)F1（按順序部署的每個(gè)5G“運(yùn)營(yíng)商”）和2G/3G/4G的多個(gè)以太網(wǎng)回傳；另一種則是幾個(gè)FX（每個(gè)5G RU一個(gè)）加2G/3G/4G（或4G CPRI前傳）的多個(gè)以太網(wǎng)回傳。

在其他情況下，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)使用來(lái)自傳統(tǒng)RAN的獨(dú)立光纖系統(tǒng)和前傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)，上述情況不適用。

ITU-T SG15Q2的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文稿對(duì)潛在的PON使用場(chǎng)景進(jìn)行了分析[3, 12]。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)還需進(jìn)一步深化研究。

表3 使用場(chǎng)景摘要

“傳統(tǒng)PON疊加WDM”方式即PON同時(shí)承載著家庭客戶(hù)以FTTH方式接入時(shí)的相關(guān)業(yè)務(wù)信號(hào)與5G前傳信號(hào)，為了避免固定用戶(hù)業(yè)務(wù)的惡化，也可建立專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)前傳的專(zhuān)用PON。

（1）低層劃分

低層劃分對(duì)應(yīng)圖3（a），即PON（包括OLT、ODN和ONU）位于DU與RU之間，同時(shí)多個(gè)OLT之間可以通過(guò)粗波分復(fù)用器件WM和密集波分復(fù)用器件CEx來(lái)共用OLT和光分路器之間的主干光纖。由于低層劃分具有非常嚴(yán)格的時(shí)延要求，因此需要更多的波長(zhǎng)資源來(lái)減少各RU之間的共享帶寬。

由于低層劃分具有嚴(yán)格的時(shí)延要求，所以WDM-PON是該應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇，否則需要修改DBA以使用TDM-PON。

（2）高層劃分

高層功能拆分能夠更好地容忍時(shí)延和帶寬共享。高層劃分對(duì)應(yīng)圖3（b），即PON（包括OLT、ODN和ONU）位于CU與DU之間，同時(shí)多個(gè)OLT之間可以通過(guò)粗波分復(fù)用器件WM和密集波分復(fù)用器件CEx來(lái)共用OLT和光分路器之間的主干光纖。當(dāng)附加第2個(gè)ODN在DU和RU之間時(shí)，則為級(jí)聯(lián)劃分（對(duì)應(yīng)圖3（c））。與低層劃分相比，這種方式預(yù)計(jì)需要更少的波長(zhǎng)資源，同時(shí)局端集中處理的功能也較少。

（3）高層和低層混合劃分

通過(guò)疊加WDM既可以實(shí)現(xiàn)低層劃分，也可以實(shí)現(xiàn)高層劃分，即同一段PON同時(shí)分別為CU-DU和DU-RU之間的連接所應(yīng)用，這種方式對(duì)應(yīng)圖3（d）。這種異構(gòu)設(shè)置允許分布式的RAN具有從中心臺(tái)站連接到各分支的RU，其主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何適應(yīng)同一PON承載的各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延和帶寬需求的巨大變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前各級(jí)網(wǎng)絡(luò)如何承載5G成為研究熱點(diǎn)，本文對(duì)中興、華為、中國(guó)電信、AT&T等各標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營(yíng)商及設(shè)備公司正在進(jìn)行的PON承載5G前傳的適用場(chǎng)景的相關(guān)研究進(jìn)行了介紹，列舉了5G無(wú)線(xiàn)前傳的各種要求，將其與當(dāng)前和未來(lái)的各類(lèi)PON光接入系統(tǒng)進(jìn)行比較，提出對(duì)應(yīng)不同場(chǎng)景下5G前傳應(yīng)用的各類(lèi)PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

目前5G標(biāo)準(zhǔn)尚在發(fā)展中，它對(duì)于OAM等功能的要求尚未明確。5G業(yè)務(wù)的預(yù)期目標(biāo)場(chǎng)景也包括本地服務(wù)熱點(diǎn)、普通站點(diǎn)、微基站等多種應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)目前的5G標(biāo)準(zhǔn)及各類(lèi)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)于5G的承載網(wǎng)絡(luò)需求、對(duì)于PON的物理層要求（包括容量、光纖傳輸距離、分光比、光頻譜劃分等）以及PON系統(tǒng)的要求（包括時(shí)延、定時(shí)、同步和抖動(dòng)、復(fù)用方案、流量管理、傳輸聚合、保護(hù)、OAM功能等），均需進(jìn)一步深入進(jìn)行研究。

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[12] ITU-T G.sup.5GP 171214_D43Rev1. Use cases for Sec. 9 of G.sup.5GP[S]. 2017. ★

作者簡(jiǎn)介

賈武：高級(jí)工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，研究方向?yàn)楣饨尤刖W(wǎng)、寬帶網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維與管理系統(tǒng)等。

孫越：碩士畢業(yè)于墨爾本大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，研究方向?yàn)楣鈱拵ЬW(wǎng)絡(luò)技術(shù)、接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源管理及接入網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展等。

程海瑞：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，研究方向?yàn)楣饨尤刖W(wǎng)、寬帶網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)等。

作者：賈武 孫越 程海瑞 來(lái)源：《移動(dòng)通信》2018年1月