無源光網(wǎng)絡承載5G前傳信號可行性的研究概述

【摘要】為了明確PON承載5G前傳的適用場景，中興、華為、中國電信、AT&T等各標準組織、運營商及設備公司正在進行相關研究，因此綜合各方現(xiàn)有研究成果，列舉了5G無線前傳的各種要求，將其與當前和未來的各類PON光接入系統(tǒng)進行比較，最后闡述了對應5G前傳不同應用場景的各類PON網(wǎng)絡技術。

【關鍵詞】第五代移動通信網(wǎng)絡；前傳；無源光網(wǎng)絡；基帶處理單元；射頻拉遠單元

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：賈武,孫越,程海瑞. 無源光網(wǎng)絡承載5G前傳信號可行性的研究概述[J]. 移動通信, 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新型無線（NR）傳輸架構演進，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）、遠端單元（RU）。這種重新設計可以更好地促進無線接入網(wǎng)絡（RAN）虛擬化[1]。它還可以降低前傳的線路速率，同時滿足時延要求。

通常在4G無線網(wǎng)絡中，前傳鏈路定位在RF（射頻）與其余使用CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）/OBSAI協(xié)議（Open Base Station Architecture Initiative，開放式基站架構，即選項8劃分點）的L1/L2/L3功能之間。這種劃分點選項允許集中所有高層處理功能，代價是對于前傳時延和帶寬有嚴格的要求。這種傳統(tǒng)的前傳是基于數(shù)字化時域IQ（正交矢量）數(shù)據(jù)的傳輸，對于諸如eMBB（增強型移動寬帶）等非常高容量的應用或者具有多個獨立天線元件（多層MIMO）的無線站點，這些方案需要非常高的高傳輸容量，同時允許傳輸時延僅為幾百微秒。

圖1是從4G到5G的劃分功能體系結構演化的一個例子[2-3]：

圖1 由4G向5G劃分結構的演進

4G中的RAN架構由演進分組核心（EPC）、基帶單元（BBU）和遠程射頻頭（RRH）組成。當演進到5G時，在這個例子中，部分用戶平面（UP）功能從EPC移動到CU和DU，L2非實時和L3功能從BBU移動到CU，L1/L2實時功能從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)建的兩個新接口通常被稱為高層劃分點“前傳-2”（Fronthaul-II）和低層劃分點“前傳-1”（Fronthaul-I）,其中“前傳-2”又被稱為“中傳”。駐留在CU和DU中的特定功能與部署有關，目前各方仍在討論中。圖2顯示了4G和5G無線網(wǎng)絡中的這些功能塊和潛在的劃分點[4]。目前標準組織已經開始在無線信號處理鏈路中確定不同的分界點，與目前在用的方法相比，可顯著降低C-RAN架構中的傳輸容量。

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，可以放寬對于時延和帶寬的要求，同時也只需集中更少的處理功能。因此，新的功能劃分架構需要綜合權衡吞吐量、時延和功能集中之間的技術和成本。最佳的5G NR劃分點取決于特定的部署方案。在2017年4月，3GPP宣布選擇選項2（PDCP/高RLC）作為高層劃分點（稱為F1接口），同時推遲作出對于低層劃分點的決定（用于MAC/PHY的選項6劃分點和選項7內部的PHY劃分與三個不同的變種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）為級聯(lián)劃分。選項8（CPRI或OBSAI協(xié)議）與傳統(tǒng)的前傳類似，無論用戶流量是否存在都需要連續(xù)的比特率傳輸。當使用其他劃分選項（1-7），則傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨用戶流量而變化。

3GPP目前僅考慮由CU和DU組成的劃分基站架構。在本文中，采用由CU、DU和RU三個部分組成的劃分架構，以更好地對應到PON架構。

2 5G前傳要求

2.1 RAN及業(yè)務等級

3GPP認為RAN架構包括將4G和5G這兩類無線接入技術（RAT）共存和合作在一個共同的網(wǎng)絡[5]。除了這種混合網(wǎng)絡架構之外，單獨的5G網(wǎng)絡將包括具有明顯不同的業(yè)務特性的多種應用（如表1所示，其中nx、Nx表示計算具體帶寬時總帶寬與所建立的連接數(shù)n、N成正比關系），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）的各種無線電技術。但是，并非所有這些技術都必須同時在同一個網(wǎng)絡中使用。例如，在許多情況下，mMTC應用將被用于諸如生產車間等專用封閉網(wǎng)絡，并且不需要與eMBB應用共存。在其他情況下，多個業(yè)務可使用相同的射頻硬件（天線和RF設備），但對于不同業(yè)務前傳的傳輸需求可能會不同，需具體取決于流量和時延要求。

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

未來5G網(wǎng)絡及其無線射頻技術的許多規(guī)范細節(jié)仍有待定義。下一代前傳架構的傳輸技術和網(wǎng)絡將必須滿足各種帶寬和時延要求�？紤]到無線站點的基站大小和結構，以及所提供的業(yè)務和無線鏈路上的聚合，預計將需要靜態(tài)的大型傳輸管道以及用于高度動態(tài)的、具備可適應性的傳輸鏈路，這將允許通過利用統(tǒng)計復用增益來更高效地實現(xiàn)前傳信號的承載。

2.2 傳輸容量要求

從傳送能力的角度來看，高層劃分選項2以及低層劃分選項6和/或7的最重要特征是要傳送的數(shù)據(jù)量與用戶流量成比例。相比之下，選項8（使用CPRI或OBSAI協(xié)議）需要持續(xù)的比特率傳輸，無論用戶流量是否存在。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），所產生的選項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)務流量也允許采用能夠動態(tài)地適應不同流量狀況的傳輸網(wǎng)絡，從而能夠匯聚多個基站的業(yè)務并利用統(tǒng)計復用收益。

表2顯示了針對特定高容量基站場景計算的不同劃分點處的傳輸數(shù)據(jù)速率，目前3GPP目前較為重視劃分選項2、6、7。用于評估的參數(shù)是：100 MHz射頻帶寬、256-QAM調制、8個MIMO層、32個天線端口（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、隊列等。

表2中的數(shù)字表示無線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模型配置來針對一個特定基站進行計算。注意劃分選項2、6和7，這個例子的傳輸比特率與選項1（回傳）相比，劃分選項2（F1-接口）僅增加幾個百分點，而與選項8（傳統(tǒng)前傳）相比，劃分選項7.x減少了2~15倍，而選項6則為30~40倍。

表2 不同的功能劃分點的速率要求

在實際部署中，MIMO層通常不會全部是獨立的，可通過天線分組來提高無線信道吞吐量，同時空口的吞吐量隨著無線信道的實際情況而變化。這些將要求在不同的選項/接口（除了選項8）之外改變傳送能力。表2中的分析主要是提供了一個有用的定性指標，說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 時延要求

關于等待時間，對應劃分選項1~8可分為兩類：一類是時延在幾毫秒范圍內的“非實時”傳輸（選項1~3），另一類是時延在幾百微秒范圍內的“實時”傳輸（選項4~8）。各類別之間的區(qū)別關鍵在于HARQ環(huán)路（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動重復請求）是否跨越劃分接口。如果是，則微秒級要求適用；否則傳輸時延僅由通常在毫秒范圍的應用層要求來指定。

在4G網(wǎng)絡中，HARQ環(huán)路是同步過程，其持續(xù)時間與1 ms的TTI長度（傳輸時間間隔）相關聯(lián)。在這種情況下，考慮到目前典型的硬件和軟件實現(xiàn)情況，在選項8接口上僅剩幾百微秒的往返時間（RTT）用于傳輸。對于5G網(wǎng)絡，將指定不同的TTI持續(xù)時間：500 ms、250 ms和125 ms。除此之外，3GPP正在討論將HARQ過程從同步HARQ改為異步HARQ。

eCPRI小組已經發(fā)布了文件草案[6]，為7.x劃分選項指定了用于快速用戶平面業(yè)務的最大單向等待時間為100 ms，這個值被IEEE 1914.1組接受[7]。

2.4 同步及抖動要求

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

使用CPRI協(xié)議時鐘頻率誤差必須在±2 ppb以內，抖動要求為±8.138 ns[9]。

3 PON承載5G前傳架構

3.1 架構劃分

對于無源光網(wǎng)絡（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)絡體系結構的概念[10-11]。根據(jù)它們的定義，CU/DU/RU屬于無線網(wǎng)絡層（RNL），而OLT/ONU屬于傳輸網(wǎng)絡層（TNL）。

圖3顯示了將CU/DU/RU映射到OLT/ONU的三個示例場景。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之間非常低的時延。在圖3（b）中表示了在Fx接口上的低層分層。此場景適用于通用云網(wǎng)絡。圖3（c）表示級聯(lián)劃分場景，這對于密集城區(qū)的小型基站部署非常有用。合適架構的具體選擇取決于特定的部署場景，以及基于業(yè)務的時延和性能要求。圖3中ODN可以進一步擴展為包括點對點（PtP）、星形、樹形或鏈形拓撲。

圖3 光前傳CU/DU/RU到PON的映射[3]

3.2 實際PON系統(tǒng)解決方案

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

在其他情況下，當5G網(wǎng)絡使用來自傳統(tǒng)RAN的獨立光纖系統(tǒng)和前傳網(wǎng)絡時，上述情況不適用。

ITU-T SG15Q2的相關標準文稿對潛在的PON使用場景進行了分析[3, 12]。具體的技術細節(jié)還需進一步深化研究。

表3 使用場景摘要

“傳統(tǒng)PON疊加WDM”方式即PON同時承載著家庭客戶以FTTH方式接入時的相關業(yè)務信號與5G前傳信號，為了避免固定用戶業(yè)務的惡化，也可建立專用于無線移動前傳的專用PON。

（1）低層劃分

低層劃分對應圖3（a），即PON（包括OLT、ODN和ONU）位于DU與RU之間，同時多個OLT之間可以通過粗波分復用器件WM和密集波分復用器件CEx來共用OLT和光分路器之間的主干光纖。由于低層劃分具有非常嚴格的時延要求，因此需要更多的波長資源來減少各RU之間的共享帶寬。

由于低層劃分具有嚴格的時延要求，所以WDM-PON是該應用場景的理想選擇，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延和帶寬共享。高層劃分對應圖3（b），即PON（包括OLT、ODN和ONU）位于CU與DU之間，同時多個OLT之間可以通過粗波分復用器件WM和密集波分復用器件CEx來共用OLT和光分路器之間的主干光纖。當附加第2個ODN在DU和RU之間時，則為級聯(lián)劃分（對應圖3（c））。與低層劃分相比，這種方式預計需要更少的波長資源，同時局端集中處理的功能也較少。

（3）高層和低層混合劃分

通過疊加WDM既可以實現(xiàn)低層劃分，也可以實現(xiàn)高層劃分，即同一段PON同時分別為CU-DU和DU-RU之間的連接所應用，這種方式對應圖3（d）。這種異構設置允許分布式的RAN具有從中心臺站連接到各分支的RU，其主要技術挑戰(zhàn)在于如何適應同一PON承載的各類業(yè)務對于時延和帶寬需求的巨大變化。

4 結束語

目前各級網(wǎng)絡如何承載5G成為研究熱點，本文對中興、華為、中國電信、AT&T等各標準組織、運營商及設備公司正在進行的PON承載5G前傳的適用場景的相關研究進行了介紹，列舉了5G無線前傳的各種要求，將其與當前和未來的各類PON光接入系統(tǒng)進行比較，提出對應不同場景下5G前傳應用的各類PON網(wǎng)絡技術。

目前5G標準尚在發(fā)展中，它對于OAM等功能的要求尚未明確。5G業(yè)務的預期目標場景也包括本地服務熱點、普通站點、微基站等多種應用場景。根據(jù)目前的5G標準及各類承載網(wǎng)絡技術的發(fā)展現(xiàn)狀，對于5G的承載網(wǎng)絡需求、對于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（包括時延、定時、同步和抖動、復用方案、流量管理、傳輸聚合、保護、OAM功能等），均需進一步深入進行研究。

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

作者簡介

賈武：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，研究方向為光接入網(wǎng)、寬帶網(wǎng)絡與業(yè)務、網(wǎng)絡運維與管理系統(tǒng)等。

孫越：碩士畢業(yè)于墨爾本大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，研究方向為光寬帶網(wǎng)絡技術、接入網(wǎng)網(wǎng)絡架構、接入網(wǎng)網(wǎng)絡資源管理及接入網(wǎng)業(yè)務發(fā)展等。

程海瑞：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，研究方向為光接入網(wǎng)、寬帶網(wǎng)絡與業(yè)務等。

作者：賈武 孫越 程海瑞 來源：《移動通信》2018年1月