基于光纤传送网的5G移动通信前传关键技术

王凯辉，张俊文，迟 楠

（复旦大学通信科学与工程系电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433）

无线通信技术

基于光纤传送网的5G移动通信前传关键技术

王凯辉，张俊文，迟 楠

（复旦大学通信科学与工程系电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433）

移动前传网络是C-RAN（集中式/云无线接入网）技术中的重要部分。随着现代无线接入网络的发展演进，用户带宽需求的快速增长对网络的传输速率提出了更高的要求。文章回顾了移动前传网络的基本内容，分析了前传网络需要满足的各项需求，并对当前提出的各种前传网络的解决方案进行了详细的介绍。

移动前传网络；集中式/云无线接入网；波分复用；时分复用；光载中频；分割物理层处理

0　引 言

移动前传网络是近几年在C-RAN（集中式/云无线接入网）结构中出现的一种新技术。当前的移动前传网络大多基于CPRI（通用公共无线电接口）协议，考虑到5G（第五代移动通信技术）中的RRU（射频拉远单元）将更加复杂、需要更多的扇区和天线数量以及更高的信号带宽，单个RRU对数据速率的需求甚至会达到上百G，即使通过压缩技术也很难用一个CPRI连接满足当前的需求［1］。因此构建一种低成本且高效的前传结构迫在眉睫。

本文介绍了C-RAN和前传的基本结构，总结了当前较为主流的前传网络解决方案，为深入理解和进一步研究5G通信中前传网络的解决方案奠定了基础。

1　C-RAN基本结构

传统BS（基站）由两部分组成：提供数字信号处理功能的BBU（基带单元）和具有射频传输和接收功能的RRU。它们之间的接口关系由CPRI或OBSAI（开放式基站架构联盟）进行定义［2］，CPRI是当前网络供应商最常用的接口协议，包含物理层和数据链路层。

RAN（无线接入网）的结构历经了从一体化BS到分布式结构再到C-RAN的演进过程。C-RAN可被看作是分布式结构的演进版本，其利用开放平台和实时虚拟化技术以云计算为根基来实现动态共享资源分配和多功能环境，拥有极大的发展前景。

图1所示为一种C-RAN基本结构。传统BS被分为BBU和RRU两部分。其中，BBU池部分可以是虚拟的，RRU部分则与各发送接收天线相连，BBU和RRU之间的网络部分即为前传网络。

图1　C-RAN基本结构

2　前传网络的解决方案

2.1基于纯数字信号的CPRI协议的前传网络

2.1.1基于WDM（波分复用）的前传网络

短期来看，前传网络的部署仍然基于2.5 或5 Gbit/s的CPRI连接，无源CWDM（稀疏波分复用）方案是不错的选择。其不仅结构简单、成本低，而且适合户外部署，可靠性也具有保证。ITU-T（国际电信联盟）定义了一种18信道、信道间隔为20 nm的CWDM方案［2］，其中，一条链路用于信息的传输，另一条链路用于链路监控以保证传输的可靠性。该方案显著地减少了光纤的需求量，但却加重了网络管理维护的负担。图2所示为基于WDM-PON（波分复用无源光网络）的前传网络基本结构。

图2　基于WDM-PON的前传网络基本结构

基于WDM-PON的前传网络中的另一项重要技术是利用自种RSOA（反射式半导体光放大器）来实现无色收发机，至今为止已经实现了2.5和10 Gbit/s的传输实验［3-4］。5G网络中站点众多，由于光模块/设备种类繁多、波长规划和管理复杂等客观原因，简单的WDM方案难以实现。一种有效的解决方案是引入无色WDM技术，每个光模块仅作速率区分，不区分波长。

2.1.2基于TDM（时分复用）的前传网络

如果无法找到一种低成本的多信道WDM技术，那么利用TDM技术实现前传网络不失为一种好办法。但基于TDM的解决方案会受到数据传输时间及光带宽的限制，文献［5］中给出了一种基于以太网和TDM的前传网络实现方案，图3所示为基于TDM的前传系统结构图。由图可知，BBU集中池中发出的数据帧经过CPRI、以太网转换器传至OLT（光线路终端），通过前传网络将数据分发至各个ONU（光网络单元），再经过转换器转换之后送至RRH。

图3　基于TDM的前传系统结构

这种基于第二层的C-RAN使用了当前的以太网部分，降低了网络的整体成本。由于此种C-RAN在前传网络中传输的是第二层数据，因此比较适合采用TDM-PON（时分复用无源光网络）［6］。基于第二层的C-RAN与传统的C-RAN不同，它的基带处理在RRU中完成，故其数据传输时间受到极大的限制。这是由于中心局必须在无线调度完成后才能传输MAC帧数据，并且传输需在RRU开始基带处理之前完成。文献［5］中提出的解决办法是利用TDM-PON的广播特性在无线规划完成前先将数据传至ONU，规划完成后只需将各ONU中被选中的数据送至RRU即可，该方法延长了数据传输时间，并增大了前传网络的有效带宽。

2.2基于纯模拟信号传输的前传网络IFoF（光载中频）

如前文所述，5G中RRU的结构将会更加复杂，并且会与MIMO（多入多出）技术相结合。为了应对这种需求，一种基于WDM的IFoF技术的前传网络结构逐渐流行起来。文献［7］中给出了IFoF系统的结构，如图4所示。

假设RRU中有M个扇区，每个扇区有N根天线，则RoF（光载无线）链路中相应地有M×N个中频载波［8］。携带基带信息的各个中频载波通过WDM复用到一根光纤上，相比于简单的WDM系统，IFoF系统中每个单一波长上可以有多个传输中频，因此IFoF系统的优点是能够有效利用紧张的带宽资源，并能降低运营成本，方便对波长进行管理。但该系统的传输容量受系统中所用LD（半导体激光器）固有非线性的限制。另外，LTE-A（长期演进增强系统）信号由于其高PAPR（峰均功率比）的特性，相较于单载波调制的信号更易受到非线性失真的影响。

图4　IFoF系统结构图

2.3基于PHY功能重构的前传网络

为了使得移动前传网络更为经济有效，光传输带宽需要≤10 Gbit/s。尽管IQ数据压缩技术能够有效减少传输带宽，但1/2～1/3的压缩比无法满足未来的无线传输要求，因此另一种可能的办法是改变RRH和BBU之间的功能分割点［9］，该方案是模拟和数字解决方案之间的一种平衡。文献［9］中给出了一种SPP（分割物理层处理）的新结构，它既能有效地减少光传输带宽，又有着较好的COMP（协作多点传输）表现，其结构如图5所示。

图5　一种SPP结构

在这种SPP的结构中，BS的功能被分割成了无线信道编码和其他PHY结构（如无线调制和MIMO处理）。此时，移动前传网络的最大光传输带宽取决于下行链路的无线数据带宽，类似于MAC和PHY之间的分割。另外，尽管MIMO的处理功能被分散，这种SPP结构依然能够通过一些额外的信号处理过程实现联合传输和接收功能。

3　结束语

移动前传网络作为5G中C-RAN的重要组成部分已得到广泛的关注。随着对5G架构研究的不断深入，各种高速率、高性能的前传网络解决方案被不断提出。目前主流的解决方案仍旧是基于纯数字信号的CPRI协议的前传网络，但无论是WDM-PON还是TDM-PON，都存在谱效率低的问题，并且WDM-PON的部署成本较高，TDM-PON的传输时间又受到严格限制。基于纯模拟信号传输的前传网络IFoF解决方案相比于数字的方案有着较高的谱效率，但由于传输的是纯模拟信号，易受到传输过程中器件和光纤的非线性效应的影响，如何消除这些非线性效应是下一步亟待解决的课题。基于PHY功能重构的前传网络是一种在模拟和数字之间的平衡方案，有着很好的性价比。总的来说，对于前传网络的研究趋势主要为稳定的高信道容量、极低的时延以及高可靠性。

［1］ Pfeiffer T.Next generation mobile fronthaul architectures［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.7.

［2］ Pizzinat A，Chanclou P，Saliou F，et al.Things you should know about fronthaul［J］.Journal of Lightwave Technology，2015，33（5）：1077-1083.

［3］ Saliou F，Simon G，Chanclou P，et al.Self-Seeded RSOAs WDM PON Field Trial for Business and Mobile Fronthaul Applications［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2A.2.

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［5］ Shibata N，Tashiro T，Kuwano S，et al.Mobile fronthaul employing Ethernet-based TDM-PON system for small cells［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.1.

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［8］ Han C，Cho S H，Chung H S，et al.Linearity improvement of directly-modulated multi-IF-over-fibre LTE-A mobile fronthaul link using shunt diode predistorter［C］//ECOC 2015.Valencia，Spain：IEEE，2015：1-3.

［9］ Miyamoto K，Kuwano S，Terada J，et al.Split-PHY Processing Architecture to Realize Base Station Coordination and Transmission Bandwidth Reduction in Mobile Fronthaul［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：OSA，2015：M2J.4.

Critical Technology for Fronthaul Based on OTN in 5G Mobile Communication

WANG Kai-hui，ZHANG Jun-wen，CHI Nan
（The Ministry of Education Key Laboratory of Electromagnetic Wave Information Science，Department of Communication Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China）

Mobile fronthaul is an important part in C-RAN.With the development and evolution of modern radio access network，the rapid growth of user demand for bandwidth sets a higher requirements for network transmission rate.This paper firstly review the basic components of mobile fronthaul and C-RAN.Then the requirements of mobile fronthaul are analyzed in various aspects.Finally，we illustrate present different fronthaul solutions in detail.

mobile fronthaul network；C-RAN；WDM；TDM；IFo F；SPP

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0052-04

10.13756/j.gtxyj.2016.04.016

2016-03-20

国家自然科学基金资助项目（61571133）

王凯辉（1994-），男，浙江平湖人。本科，主要从事光纤通信系统研究。