「唯」觀(guān)點(diǎn) | 光纖在5G前傳中的角色演變和技術(shù)標準

光纖在5G中將無(wú)處不在

前傳/中傳/回傳

  與LTE不同，5G將影響網(wǎng)絡(luò )的每一個(gè)節點(diǎn)組件，并在不同的應用上提供從增強移動(dòng)寬帶到同一網(wǎng)絡(luò )上的超可靠低延遲。

  5G網(wǎng)絡(luò )將需要對資源進(jìn)行優(yōu)化，使每個(gè)應用都能滿(mǎn)足該應用的特定SLA。但同時(shí)也存在著(zhù)一些挑戰：射頻、光纖、硬件和網(wǎng)元等5G網(wǎng)絡(luò )資源雖然可在宏觀(guān)層面上共享，但需要為每個(gè)具體應用提供單獨的顆粒級網(wǎng)絡(luò )。例如，用戶(hù)在聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)中觀(guān)看視頻將需要更高的吞吐量、更大的射頻和網(wǎng)絡(luò )資源，而同一輛聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)則需要超低延遲和可靠的連通性。

  為了使網(wǎng)絡(luò )建設更成功，所有資源都必須靈活而敏捷地以有效方式提供不同的 SLA。我們都知道將每個(gè)用戶(hù)連接到基站發(fā)射塔或接入點(diǎn)的射頻資源的價(jià)值，但對于5G的成功交付而言，將該接入點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò )核心和云的射頻資源，其重要性也不亞于此。而在大多數情況下，射頻和5G云之間的連接將由光纖構成。

  事實(shí)上，5G 是促使服務(wù)提供商投資數十億來(lái)進(jìn)行新光纖部署以及升級光纖基礎設施的關(guān)鍵原因之一。

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  光纖在 5G 中的角色

  雖然部署光纖的成本很高，但在大多數情況下，與部署所面臨的挑戰相比，它帶來(lái)的好處更大。光纖以更少的衰減提供更高的帶寬，可抵抗電磁干擾，能夠提供更低的延遲，并且，隨著(zhù)復用技術(shù)的改進(jìn)，可以適應在相同光纖基礎設施上的容量增長(cháng)需求。

  除了商業(yè)和物流方面，以下5G網(wǎng)絡(luò )架構的變化將推動(dòng)光纖基礎設施的發(fā)展和拓撲結構：

  ①5G對中頻和毫米波的支持將導致城市和郊區環(huán)境中基站的顯著(zhù)增長(cháng)。毫米波使用大量的頻譜;然而，毫米波的覆蓋范圍是有限的。這將推動(dòng)大量的基站部署在更小的服務(wù)區域。

  ②網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化(NFV)將允許分離控制面和用戶(hù)面，對于低延遲應用，分散的用戶(hù)面將更靠近終端。

  ③劃分基帶功能并創(chuàng )建稱(chēng)為分配單元(DU)和集中單元(CU)的新節點(diǎn)實(shí)體，以根據應用的需要優(yōu)化傳輸功能。

  ④支持大規模 MIMO 和波束成形的有源天線(xiàn)系統(AAS)需要更高的帶寬和直接光纖連接，這將使更多的光纖下移， 并創(chuàng )建額外的傳輸節點(diǎn)。

  光纖投資的另一個(gè)關(guān)鍵用例——是光纖在接入網(wǎng)中的匯聚。在過(guò)去，光纖接入網(wǎng)是為單一的應用而設計的(即光纖入戶(hù)或光纖到天線(xiàn))?，F在，服務(wù)提供商正在設計能夠支持光纖到 x(即 FTTx，x = 任何東西)的光纖基礎設施。5G 分散架構將允許服務(wù)提供商利用現有和新的固定網(wǎng)絡(luò )資源，以降低管理多個(gè)網(wǎng)絡(luò )的總體成本，并實(shí)現更敏捷和靈活的資源池。如前所述，固定和移動(dòng)資源的共享現在可以通過(guò)對接入站點(diǎn)和光纖基礎設施的整體規劃和升級來(lái)實(shí)現。

  總之，5G服務(wù)的光纖網(wǎng)絡(luò )拓撲結構將根據暗光纖(不發(fā)光的可用光纖，也稱(chēng)為灰纖)的數量和成本、網(wǎng)絡(luò )上支持不同 5G 應用的用例、光纖升級的業(yè)務(wù)案例，以及管理多個(gè) FTTx 網(wǎng)絡(luò )的成本而變化和演變。

5G 前傳的演變

  不久以前，光纖還只用于長(cháng)途網(wǎng)絡(luò )，但隨著(zhù)寬帶持續且穩定地增長(cháng)，光纖已成為主要的傳輸介質(zhì)，不僅在核心網(wǎng)絡(luò )，而且在城域網(wǎng)和接入網(wǎng)中都是如此。同樣，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)對更高帶寬和更高容量服務(wù)的渴求，也推動(dòng)著(zhù)光纖在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò ) (RAN) 中更深、更高層次的采用。

  隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電變得更強大和平均更換時(shí)間(MTTR)的逐步改善，供應商也開(kāi)始提供遠程無(wú)線(xiàn)電解決方案。為了避免長(cháng)同軸電纜和連接器造成的大量損耗，無(wú)線(xiàn)電設備已經(jīng)移到離天線(xiàn)更近的地方。這一策略不僅有助于改善射頻足跡，還降低了位于或靠近發(fā)射塔底部的無(wú)線(xiàn)電設備外殼的冷卻成本。

  但是，為了支持遠程射頻單元(RRU)，引入了新的接口。這些接口將通過(guò)物理光纖鏈路將數字設備(也稱(chēng)為基帶單元 (BBU))連接到 RRU。在 BBU 和 RRU 之間引入的新鏈路稱(chēng)為前傳，這與將 BBU 與核心移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )連接的回傳形成了對比。用于通過(guò)光纖前傳傳遞射頻信息的最常用技術(shù)是通用公共無(wú)線(xiàn)接口 (CPRI)協(xié)議。

  CPRI 提供專(zhuān)為在 RRU 和 BBU 之間傳輸無(wú)線(xiàn)電波形設計的專(zhuān)用傳輸協(xié)議。CPRI 框架會(huì )隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電信道帶寬和天線(xiàn)元件數的增加而擴展。CPRI 在統計多路復用方面效率不高，無(wú)法根據 5G 的需求進(jìn)行擴展，尤其是對于大規模 MIMO 和更大的帶寬增量。5G 場(chǎng)景所需的帶寬和天線(xiàn)將使 CPRI 的帶寬需求超過(guò) 100 Gbps(下圖表 1)。

  對于規模更大的 5G 網(wǎng)絡(luò )部署而言，這些帶寬分配將非常昂貴。3GPP、IEEE、ITU-T 等標準機構一直致力于：

  01研究 BBU 功能的不同拆分選項(如圖 2 所示)及其含義

  02確定針對不同應用和服務(wù)的最佳要求(吞吐量、延遲、抖動(dòng)等)

  03確定劃分不同 BBU 功能以滿(mǎn)足應用和網(wǎng)絡(luò )需求的潛在挑戰和解決方案

  04針對靈活前傳拆分提供指導

  除了帶寬效率低的主要缺點(diǎn)外，CPRI 的延遲預算也非常有限。在實(shí)踐中，這意味著(zhù) BBU 和 RRU 之間的距離將非常有限，而距離由延遲預算以及前傳中部署的傳輸技術(shù)的類(lèi)型決定。

  暗光纖是可實(shí)現最大距離的最簡(jiǎn)單的光纖。包含一些處理元件的傳輸設備可以減少延遲預算，有時(shí)甚至可以大幅降低延遲預算，正如光傳輸網(wǎng)絡(luò ) (OTN) 一樣。通常情況下，操作人員必須查看各個(gè)用例并進(jìn)行權衡分析，以確定最佳傳輸技術(shù)。分析中的關(guān)鍵輸入包括光纖和機房的可用性，以及無(wú)線(xiàn)電端點(diǎn)的數量和位置。以下是對前傳供應商和服務(wù)提供商的高級要求：

  a.減少前傳的比特率(容量使用)，特別是將前傳使用從天線(xiàn)端口容量中分離出來(lái)，如同 CPRI 的情況一樣。

  b.管理 URLLC 類(lèi)型應用嚴格的延遲需求。

  c.優(yōu)化協(xié)調特性(例如協(xié)調多點(diǎn) (CoMP) 和載波聚合 (CA))的定時(shí)和抖動(dòng)要求。

  d.減少間接成本和部署成本，因為光纖是一種昂貴的部署資源。

  為了滿(mǎn)足這些需求，下一代的 RAN 已經(jīng)取得了發(fā)展，BBU 執行的功能分為了三個(gè)部分：

  1中央單元 (CU)

  2分配單元 (DU)

  3射頻單元 (RU)

  某些物理層無(wú)線(xiàn)電功能(例如資源映射)將遷移到 RU。RU 將監督天線(xiàn)的 I/Q 信號和無(wú)線(xiàn)電載波的產(chǎn)生，這將大幅減少前傳上所需的比特率支持。

  CU 和 DU 之間的鏈路稱(chēng)為中傳，中傳的特性類(lèi)似于 4G 回傳。CU 帶有非實(shí)時(shí)功能，從而允許將它放置在遠離無(wú)線(xiàn)電的地方，根據應用類(lèi)型，DU 可能非常接近 RU 或集中放置。例如，對于諸如移動(dòng)性或協(xié)調多點(diǎn) (CoMP) 之類(lèi)的協(xié)調應用，DU 的集中放置更有意義。

  這種新的體系結構有助于解決帶寬難題，并在延遲方面提供靈活性，從而驅動(dòng)這些功能元素和網(wǎng)絡(luò )支持的應用的位置。標準機構正在推動(dòng)的一件事是，提供一種更靈活的基于分組的技術(shù)，用于在前傳上傳輸用戶(hù)面。

  使用以太網(wǎng)在前傳上進(jìn)行傳輸很有意義，因為它可以向后兼容，考慮到了商品設備，使接入網(wǎng)絡(luò )更加融合，并能實(shí)現統計多路復用，從而可幫助降低集合比特率要求。使用標準 IP/以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )交換/路由也將使得功能虛擬化和整體網(wǎng)絡(luò )編排可以相對輕松完成。

eCPR

  在討論光纖回傳、中傳和前傳拓撲結構之前，我們可以回顧一下5G前傳接口的發(fā)展。eCPRI 技術(shù)以物理層 (PHY) 組件的功能拆分為基礎。

  eCPRI 規范建議將拆分選項 IU 用于上行鏈路，并建議為下行鏈路部署 IID 或 ID，后者對于 3GPP 將映射到 7.x 拆分(如圖 4 所示)。eCPRI 通過(guò)前傳傳輸網(wǎng)絡(luò )連接 eCPRI 無(wú)線(xiàn)電設備控制 (eREC) 和 eCPRI 無(wú)線(xiàn)電設備 (eRE)。與 CPRI 相比，eCPRI 的目標是通過(guò)功能分解降低 eREC 和 eRE 之間的數據速率需求，同時(shí)限制 eRE 的復雜性。此外，eCPRI 設計為可通過(guò)基于分組的前傳傳輸網(wǎng)絡(luò )(比如 IP 或以太網(wǎng))實(shí)現高效而靈活的無(wú)線(xiàn)電數據傳輸。