无源光网络承载5G前传信号可行性的研究概述

贾武+孙越+程海瑞

【摘 要】为了明确PON承载5G前传的适用场景，中兴、华为、中国电信、AT&T等各标准组织、运营商及设备公司正在进行相关研究，因此综合各方现有研究成果，列举了5G无线前传的各种要求，将其与当前和未来的各类PON光接入系统进行比较，最后阐述了对应5G前传不同应用场景的各类PON网络技术。

【关键词】第五代移动通信网络；前传；无源光网络；基带处理单元；射频拉远头

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

从4G/LTE向5G新型无线（NR）传输架构演进，主要变化在于4G/LTE原有的BBU功能分为中央单元（CU）、分布式单元（DU）及远端单元（RU）。这种重新设计可以更好地促进无线接入网络（RAN）虚拟化[1]，还可以降低前传的线路速率，同时满足时延要求。

通常在4G无线网络中，前传链路定位在RF（射频）与其余使用CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口）/OBSAI协议（Open Base Station Architecture Initiative，开放式基站架构，即选项8划分点）的L1/L2/L3功能之间。这种划分点选项允许集中所有高层处理功能，代价是对于前传时延和带宽有严格的要求。这种传统的前传是基于数字化时域IQ（正交矢量）数据的传输，对于诸如eMBB（增强型移动宽带）等非常高容量的应用或者具有多个独立天线元件（多层MIMO）的无线站点，这些方案需要非常高的高传输容量，同时允许传输时延仅为几百微秒。

图1是从4G到5G的划分功能体系结构演化的一个例子[2-3]。

4G中的RAN架构由演进分组核心（EPC）、基带单元（BBU）和射频拉远头（RRH）组成。当演进到5G时，在这个例子中，部分用户平面（UP）功能从EPC移动到CU和DU，L2非实时和L3功能从BBU移动到CU，L1/L2实时功能从BBU到DU，其余的L1功能从BBU到RU。EPC功能在下一代核心（NGC）、CU和DU之间重新分配，所创建的两个新接口通常被称为高层划分点“前传-2”（Fronthaul-II）和低层划分点“前传-1”（Fronthaul-I），其中“前传-2”又被称为“中传”。驻留在CU和DU中的特定功能与部署有关，目前各方仍在讨论中。图2显示了4G和5G无线网络中的这些功能块和潜在的划分点[4]。目前标准组织已经开始在无线信号处理链路中确定不同的分界点，与目前在用的方法相比，可显著降低C-RAN架构中的传输容量。

5G數据速率的增加使得传统的CPRI前传难以被继续使用。在更高层划分时，可以放宽对于时延和带宽的要求，同时也只需集中更少的处理功能。因此，新的功能划分架构需要综合权衡吞吐量、时延和功能集中之间的技术和成本。最佳的5G NR划分点取决于特定的部署方案。在2017年4月，3GPP宣布选择选项2（PDCP/高RLC）作为高层划分点（称为F1接口），同时推迟作出对于低层划分点的决定（用于MAC/PHY的选项6划分点和选项7内部的PHY划分，及三个不同的变种7-1、7-2、7-3）[3， 5]。

图2中5G（a）为高层划分（F1）、5G（b）为低层划分（Fx）、5G（c）为级联划分。选项8（CPRI或OBSAI协议）与传统的前传类似，无论用户流量是否存在都需要连续的比特率传输。当使用其他划分选项（1-7），则传输的数据量随用户流量而变化。

3GPP目前仅考虑由CU和DU组成的划分基站架构。在本文中，采用由CU、DU和RU三个部分组成的划分架构，以更好地对应到PON架构。

2 5G前传要求

2.1 RAN及业务等级

3GPP认为RAN架构包括将4G和5G这两类无线接入技术（RAT）共存和合作在一个共同的网络[5]。除了这种混合网络架构之外，单独的5G网络将包括具有明显不同的业务特性的多种应用（如表1所示，其中nx、Nx表示计算具体带宽时总带宽与所建立的连接数n、N成正比关系），以及具有明显不同的RF配置（低于6 GHz、高于6 GHz、MIMO、大规模MIMO）的各种无线电技术。但是，并非所有这些技术都必须同时在同一个网络中使用。例如，在许多情况下，mMTC应用将被用于诸如生产车间等专用封闭网络，并且不需要与eMBB应用共存。在其他情况下，多个业务可使用相同的射频硬件（天线和RF设备），但对于不同业务前传的传输需求可能会不同，需具体取决于流量和时延要求。endprint

未来5G网络及其无线射频技术的许多规范细节仍有待定义。下一代前传架构的传输技术和网络将必须满足各种带宽和时延要求。考虑到无线站点的基站大小和结构，以及所提供的业务和无线链路上的聚合，预计将需要静态的大型传输管道以及用于高度动态的、具备可适应性的传输链路，这将允许通过利用统计复用增益来更高效地实现前传信号的承载。

2.2 传输容量要求

从传送能力的角度来看，高层划分选项2以及低层划分选项6和/或7的最重要特征是要传送的数据量与用户流量成比例。相比之下，选项8（使用CPRI或OBSAI协议）需要持续的比特率传输，无论用户流量是否存在。随着5G所需的更高容量（由于更高的QAM编码、更高的MIMO层数和更多的天线），所产生的选项8的传输将要求非常高且连续的带宽保证。除了与划分选项8相比所需的传送能力明显降低之外，这些接口处的业务流量也允许采用能够动态地适应不同流量状况的传输网络，从而能够汇聚多个基站的业务，并利用统计复用收益。

表2显示了针对特定高容量基站场景计算的不同划分点处的传输数据速率，目前3GPP目前较为重视划分选项2、6和7。用于评估的参数是：100 MHz射频带宽、256-QAM调制、8个MIMO层、32个天线端口（上、下行链路相同）等[4]。表中的上/下行（UL/DL）方向的带宽速率中各有一部分用于控制信令、队列等。

表2中的数字表示无线信道上在最佳条件下所需的传输速率的峰值，它们使用如上所述的4G模型配置来针对一个特定基站进行计算。注意划分选项2、6和7，这个例子的传输比特率与选项1（回传）相比，划分选项2（F1-接口）仅增加几个百分点，而与选项8（传统前传）相比，划分选项7.x减少了2～15倍，而选项6则为30～40倍。

在实际部署中，MIMO层通常不会全部是独立的，可通过天线分组来提高无线信道吞吐量，同时空口的吞吐量随着无线信道的实际情况而变化。这些将要求在不同的选项/接口（除了選项8）之外改变传送能力。表2中的分析主要是提供了一个有用的定性指标，说明所选的功能拆分方式将如何影响传输层所需的比特率。

2.3 时延要求

关于等待时间，对应划分选项1～8可分为两类：一类是时延在几毫秒范围内的“非实时”传输（选项1～3），另一类是时延在几百微秒范围内的“实时”传输（选项4～8）。各类别之间的区别关键在于HARQ环路（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重复请求）是否跨越划分接口。如果是，则微秒级要求适用；否则传输时延仅由通常在毫秒范围的应用层要求来指定。

在4G网络中，HARQ环路是同步过程，其持续时间与1 ms的TTI长度（传输时间间隔）相关联。在这种情况下，考虑到目前典型的硬件和软件实现情况，在选项8接口上仅剩几百微秒的往返时间（RTT）用于传输。对于5G网络，将指定不同的TTI持续时间：500 ms、250 ms和125 ms。除此之外，3GPP正在讨论将HARQ过程从同步HARQ改为异步HARQ。

eCPRI小组已经发布了文件草案[6]，为7.x划分选项指定了用于快速用户平面业务的最大单向等待时间为100 ms，这个值被IEEE 1914.1组接受[7]。

2.4 同步及抖动要求

对于4G，基本的频率同步要求是通过以太网物理层同步（SyncE）的传统传输的±50 ppb，和对于一些相干的CoMP方案的±5 ppb[8]。

使用CPRI协议时钟频率误差必须在±2 ppb以内，抖动要求为±8.138 ns[9]。

3 PON承载5G前传架构

3.1 架构划分

对于无源光网络（PON）如何支持5G NR前传以及如何将射频网元（CU、DU和RU）映射到PON（OLT和ONU）中的传输网元，3GPP和IEEE都分别描述了分层网络体系结构的概念[10-11]。根据它们的定义，CU/DU/RU属于无线网络层（RNL），而OLT/ONU属于传输网络层（TNL）。

图3显示了将CU/DU/RU映射到OLT/ONU的三个示例场景。在图3（a）中表示了在F1接口上的高层划分，这适用于DU和RU之间非常低的时延。在图3（b）中表示了在Fx接口上的低层分层，此场景适用于通用云网络。图3（c）表示级联划分场景，这对于密集城区的小型基站部署非常有用。合适架构的具体选择取决于特定的部署场景，以及基于业务的时延和性能要求。图3中ODN可以进一步扩展为包括点对点（PtP）、星形、树形或链形拓扑。

3.2 实际PON系统解决方案

如表3所示，根据各运营商的部署要求，在某些情况下，5G天线站点已用于承载2G/3G/4G信号，所以同一条接入光纤（系统）必须支持多个F1和FX接口，一种情况是5G的多个F1（按顺序部署的每个5G“运营商”）和2G/3G/4G的多个以太网回传；另一种则是几个Fx（每个5G RU一个）加2G/3G/4G（或4G CPRI前传）的多个以太网回传。

在其他情况下，当5G网络使用来自传统RAN的独立光纤系统和前传网络时，上述情况不适用。

ITU-T SG15Q2的相关标准文稿对潜在的PON使用场景进行了分析[3，12]，具体的技术细节还需进一步深化研究。

“传统PON叠加WDM”方式即PON同时承载着家庭客户以FTTH方式接入时的相关业务信号与5G前传信号，为了避免固定用户业务的恶化，也可建立专用于无线移动前传的专用PON。

（1）低层划分

低层划分对应图3（a），即PON（包括OLT、ODN和ONU）位于DU与RU之间，同时多个OLT之间可以通过粗波分复用器件WM和密集波分复用器件CEx来共用OLT和光分路器之间的主干光纤。由于低层划分具有非常严格的时延要求，因此需要更多的波长资源来减少各RU之间的共享带宽。endprint

由于低層划分具有严格的时延要求，所以WDM-PON是该应用场景的理想选择，否则需要修改DBA以使用TDM-PON。

（2）高层划分

高层功能拆分能够更好地容忍时延和带宽共享。高层划分对应图3（b），即PON（包括OLT、ODN和ONU）位于CU与DU之间，同时多个OLT之间可以通过粗波分复用器件WM和密集波分复用器件CEx来共用OLT和光分路器之间的主干光纤。当附加第2个ODN在DU和RU之间时，则为级联划分（对应图3（c））。与低层划分相比，这种方式预计需要更少的波长资源，同时局端集中处理的功能也较少。

（3）高层和低层混合划分

通过叠加WDM既可以实现低层划分，也可以实现高层划分，即同一段PON同时分别为CU-DU和DU-RU之间的连接所应用，这种方式对应图3（d）。这种异构设置允许分布式的RAN具有从中心台站连接到各分支的RU，其主要技术挑战在于如何适应同一PON承载的各类业务对于时延和带宽需求的巨大变化。

4 结束语

目前各级网络如何承载5G成为研究热点，本文对中兴、华为、中国电信、AT&T等各标准组织、运营商及设备公司正在进行的PON承载5G前传适用场景的相关研究进行了介绍，列举了5G无线前传的各种要求，将其与当前和未来的各类PON光接入系统进行比较，提出对应不同场景下5G前传应用的各类PON网络技术。

目前5G标准尚在发展中，它对于OAM等功能的要求尚未明确。5G业务的预期目标场景也包括本地服务热点、普通站点、微基站等多种应用场景。根据目前的5G标准及各类承载网络技术的发展现状，对于5G的承载网络需求、对于PON的物理层要求（包括容量、光纤传输距离、分光比和光频谱划分等）以及PON系统的要求（包括时延、定时、同步和抖动、复用方案、流量管理、传输聚合、保护和OAM功能等），均需进一步深入进行研究。

参考文献：

[1] NGMN Alliance. 5G End-to-End Architecture Framework v0.6.5[S]. 2017.

[2] China Mobile Research Institute. Toward 5G C-RAN： Requirements， Architecture and Challenges V. 1.0[Z]. 2016.

[3] ITU-T G.sup.5GP Draft_171218. 5G wireless fronthaul requirements in a PON context[S]. 2017.

[4] 3GPP TR 38.801 V2.0.0 （R14）. Technical Specification Group Radio Access Network； Study on New Radio Access Technology； Radio Access Architecture and Interfaces[S]. 2017.

[5] 3GPP TS 38.470. 475 series （NG-RAN； F1 interface）（R15）[S]. 2017.

[6] eCPRI. eCPRI Transport Network D0.1[S]. 2017.

[7] IEEE P1914.1/D0.1 Draft Standard for Packet-based Fronthaul Transport Networks[S]. 2016.

[8] ITU-T G.8261. Timing and synchronization aspects in packet networks[S]. 2013.

[9] CPR. CPRI Specification V7.0[S]. 2015.

[10] 3GPP TS 38.401 V0.2.0 （R15）. NG-RAN； Architecture description[S]. 2017.

[11] A Checko. IEEE 1914 NGFI （xhaul）： efficient and scalable fronthaul transport for 5G BackNets 2017[S]. 2017.

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