5G前传方案研究进展与发展趋势

扶奉超 王鹏 毛宇 黄湧 梅谢 元宝

【摘  要】5G商用，承载先行，需要对5G承载网络进行规划和部署。主要介绍了光纤直驱、无源WDM、OTN、WDM-PON四种主流5G前传方案的技术特点、研究进展、行业动态以及标准化情况，并给出一些建议和思考。目前业内已开发出4种前传方案的样机，其中光纤直驱、无源WDM、OTN较成熟，WDM-PON不是很成熟。未来需要进一步降低前传设备成本，推进产业链成熟和实现规模商用。

【摘  要】5G;前传;WDM-PON;OTN;CWDM

1   引言

5G作为国家战略，成为十三五期间通信行业的重要建设任务[1-2]。5G作为新一代移动通信技术，其具有大带宽、低时延和海量连接等特点，可为用户带来革命性的业务体验和新型商业模式，成为目前通信业界最热的课题之一。

前传为移动承载网的一部分，5G前传方案的选择将直接影响运营商的投资和建设效率等。5G大规模建设将对基站光缆资源、投资、维护管理方面都造成巨大的压力。在光缆资源方面，单4G基站一般需占用6/3芯基站光纤和主干光纤，5G前传如仅采用光纤直驱方式有可能给现网光缆造成较大压力。在成本方面，5G前传设备成本均达万元级，5G前传将需要百亿级投资。在维护方面，5G前传涉及巨大数量DU/AAU的安装、开通、升级等，对维护效率影响最大。根据5G无线接入网络的部署策略，5G无线接入网络的网络架构和承载要求都有较大改变[3]。因此有必要研究5G前传技术，降低5G前传建设成本和维护成本，提高部署运营效率。

2   5G前传承载网架构演进

2.1  3G/4G前传承载网架构和现状

无线网络承载网主要指承载无线信号从基站传输到移动核心网（EPC，Evolved Packet Core）的网络，属传输网范畴。如图1所示，从RRU（Radio Remote Unit，远端射频单元）到BBU（Building Base band Unit，基带处理单元）段为前传，BBU段到核心网为回传。

3G基本全为宏基站，RRU和BBU位于塔上塔下，用裸纤连接。为节约机房资源，加快部署效率，4G出现了C-RAN（Centralized Radio Access Network，集中式的无线接入网）的部署方式[4]。4G网络C-RAN主要采用光纤直驱的方式，少部分光纤资源不足的区域采用无源粗波分方式。

2.2  5G前传承载网架构及性能指标

3GPP标准化组织提出了5G无线接入网功能重构方案，如图2所示。5G的非实时功能在CU（Centralized Unit，集中单元）中实现，实时功能在DU（Distribute Unit，分布单元）中实现，另外一部分功能移入AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）来实现。无线接入网两级架构演进到CU、DU和AAU三级架构，承载网因此分为前传、中传和回传。5G的前传架构整体与4G相同。

5G对前传承载网的带宽、时延等方面提出了更高要求。在大带宽需求上，高频段、宽频谱使得5G基站的带宽需求大幅提升。5G eCPRI（Enhanced Common Public Radio Interface，增强型通用公共无线电接口）速率为25 Gb/s，CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口）速率达到100 Gb/s[5]。考虑到成本和技术实现难度，目前5G前传优先选用25 Gb/s eCPRI接口。在低时延要求上，3GPP等相关组织提出前传时延要求为100 μs。前传距离主要在10 km以内，其中大部分在3 km～5 km。4G和5G的頻率同步标准相同，均为50 ppb。5G基本业务时间同步标准与4G TDD相同，均为1.5 μs，协同业务同步需求待研究。

3   5G前传方案及研究进展

5G前传承载方案主要分为光纤直驱方案和波分设备承载方案。其中，波分设备承载方案又分为无源波分方案、OTN/WDM方案和WDM-PON方案这三种，其本质上都是利用波分技术对多个eCPRI链路采用不同的波长来承载，然后再复用到一根光纤中，以达到节省光纤资源的目的。本章将介绍以上四种承载方法的技术特点、技术进展及发展趋势。

3.1  光纤直驱方案

光纤直驱方案分为单纤单向和单纤双向（Bidirec-tional，BIDI）两种。AAU和DU设备上安装的是白光模块，单个5G S111站需要的光纤资源分别为6芯/3芯，如图3所示。由于光纤直驱方案建设成本最低，时延等性能最好，因此已成为国内三大运营商5G前传的首选方案，该方案将满足大部分应用场景。5G采用的频段高于4G，单基站覆盖范围小于4G，全覆盖情况下站址数量将大于4G，因此5G将消耗巨大的基站光纤资源，可节约一半光纤的BIDI方案比单纤单向方案更有应用前景。

5G前传光纤直驱方案的优势是提升了光模块速率，由4G的4.9G/10G提升到25G。目前业内一般采用单波长波特率提高到25G Baud的方式提升前传光模块速率。光纤直驱方案的技术难度低于波分设备承载方案。国内光模块厂商具备研制BIDI光模块核心器件的能力，跳过了依赖国外厂家以及外购光器件的过程。该项技术于2017年已趋于成熟，目前已具备大规模商业应用的能力，价格有望随着应用规模的扩大而大幅降低。

3.2  无源WDM方案

无源WDM方案已广泛应用于需要节约光纤的场景，如4G前传及其他配线光缆、主干光缆不足的场景。无源WDM方案根据波长间隔分为粗波分和密集波分两种。由于密集波分系统实现单光路的成本为粗波分系统的数倍，而且用于前传时密集波分方案波长分配复杂度大大增加，因此建议前传采用粗波分方案。

25G固定波长彩光光模块具备国产和自研能力，跳过了依赖国外厂家和外购光器件的过程，成本有望随着应用规模的增大而大幅降低。未来提高光功率预算，降低彩光模块成本是主要研究方向。

3.3  OTN方案

OTN（Optical Transport Network，光传送网）为传输设备，可提供时分复用的硬管道，目前主要用于高品质政企专线产品中。由于其大带宽硬管道、高可靠性、高安全性等优点，近年来，业界也探索将其用于无线承载网。

OTN方案如图5所示，AAU站点和DU两端设置有源OTN设备，支持多个AAU通过WDM技术共享光纤资源。AAU和DU设备上安装的是白光模块，两端各设置1个有源OTN设备，一般占用2芯主干光纤，单站需要14块光模块。

用于移动前传的OTN一般是由传统OTN厂商开发，有较高的技术难度，与传统的OTN设备具有较好的延续性。一般线路侧100G，客户侧根据需要，一般至少支持接入5G的3个AAU设备和4G的3个RRU设备，有些可以支持4G、5G、政企混传。OTN采用比传统OTN（G.709）层次更少的映射路径，时延小，并删除了冗余开销，实现成本更低。2018年厂商陆续开发出相应的测试产品。业内测试结果表明，OTN单设备时延可以达到10 μs级别，带宽、时延、抖动、同步等可以满足5G前传的要求，此外还可以进行维护管理功能[7]。

OTN国际标准化进展较快，2018年2月ITU-T SG15启动M-OTN标准项目《Application of OTN to 5G Transport》。该项目描述现有OTN技术在5G承载中的应用方式，同时将给出下一步标准化的方向[8]。在未来，降低成本，缩短与其他低成本前传方案的价格差距是主要方向。

3.4  WDM-PON方案

WDM-PON（Wave-Division Multiplexing Passive Optical Network，波分复用无源光网络）为宽带接入网演进的一种技术。不同于现有的PON、10G PON的时分复用技术，WDM-PON采用波长复用技术，每个终端可独享波长的带宽，并具有高可靠性和高安全性等优点，近年来，业界也探索将WDM-PON用于无线承载网。

WDM-PON用于5G前传承载的模型如图6所示，AAU和DU两端分别设置ONU和OLT，主干光缆占用1芯。ONU有SFP+型态及ONU型态两种。ONU型态的WDM-PON系统要求AAU安装白光模块，然后接入ONU，消耗的光模块较多。SFP+型态的ONU不需要白光模块，直接将SFP+型态的彩光ONU插入AAU。SFP+形态的ONU更节约空间，但是要将原有PON芯片集成到光模块，因此SFP+型态ONU将面临集成难度高的问题。

25G WDM-PON系统业内一般可提供C波段20波/

40波可调谐，支持10路/20路AAU接入。目前业界已开发出样机，业内测试结果表明，WDM-PON设备时延可以达到10 μs级别。带宽、时延、稳定性、可靠性、同步等可以满足5G前传的要求，此外还可以进行维护管理功能[9]。在标准化方面，2018年国内CCSA立项了“面向5G承载的N×25G的波分复用无源光网络（WDM-PON）”标准[10]，定义了物理层、收发器指标和性能指标等要求。

据了解，目前无色ONU收发器、可调谐WDM器件等难点技术难以短时间内取得重大突破，WDM-PON系统处于研发和论证阶段，成熟度较其他方案低。且目前可调谐光模块的核心光芯片主要依赖于国外外购，成本相当高。未来，突破可调谐光模块技术，降低成本是实现WDM-PON大规模应用的关键因素，也是WDM-PON的发展方向。

3.5  5G前传建议

将光纤直驱方案和波分承载方案进行对比可知，光线直驱方案成本低、安装及维护简便，技术成熟度最高，因此建议光纤直驱方案作为光纤资源充足场景的5G前传首选方案。在光纤资源紧张的场景，需要采用波分承载方案。由于WDM-PON和OTN方案成本較高，且OTN方案对光纤节约有限，而WDM-PON成熟度较低，因此建议选择成本较低、成熟度较高的无源波分方案作为5G前传设备承载方案。

4   结束语

5G前传涉及的投资大，并将占用大量接入光缆。5G前传方案的选择将直接影响运营商投资和建设的难度。本文主要研究5G前传主流关键技术，介绍5G前传业界的研究进展、标准化情况以及行业动态。总体来说，厂商已陆续开发出波分设备承载方案产品，需要业界各方共同推动波分承载方案的标准化和产业链的成熟，实现大规模商用。同时如何降低成本是每种WDM方案面临的技术难点，建议从技术突破、产业链和应用规模等角度综合考虑。前传方案的测试验证工作将是今后工作的重点。

参考文献：

[1] CTNet2025网络重构开放实验室. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.

[2] 李清华. 5G技术的研究现状及前景[J]. 通信电源技术， 2019，36（2）： 219-220.

[3] 赵春华. 5G承载网的架构演进及带宽分析[J]. 电信科学， 2019，35（2）： 79-83.

[4] 霍晓莉，荆瑞泉. BBU集中部署时CPRI链路承载方案[J]. 电信科学， 2015，31（8）： 167-171.

[5] 3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[R]. 2018.

[6] CCSA. 粗波分复用（CWDM）系统技术要求[S]. 2012.

[7] 荆瑞泉，李俊杰，唐建军. 基于OTN的5G承载技术和方案探讨[J]. 信息通信技术与政策， 2018（9）： 31-35.

[8] ITU-T G. Application of OTN to 5G Transport[S]. 2018.

[9] 卞海川. 中国电信上海研究院蒋铭推动WDM-PON技术成熟和产业应用[J]. 通信世界， 2018（13）： 44.

[10] CCSA. 面向5G承载的N×25G的波分复用无源光网络（WDM-PON）[S]. 2018.