基于光传送网的5G前传承载技术研究

刘春林 张立祥

摘   要：随着5G网络建设在我国不断推进，如何利用一张统一的承载网来满足5G不同业务需求是5G承载网面临的巨大挑战。光传送网技术结合了光传输和电处理的优势，不仅可以提供点到点的管道连接和组网能力，而且可以承载远距离、大容量的数据传输。因此，光传送网技术在5G这场划时代的技术演进潮流中需不断创新，从而实现对5G前传、中传、回传3个部分的高效承载。文章旨在根据5G需求的典型前传组网场景，分析研究基于光传送网的光纤直连、无源WDM、有源WDM/OTN 3种5G前传承载方案的特点，并对5G前传承载网技术的演进趋势进行阐述。

关键词：光传送网;5G;前传承载技术;研究

1    光传送网作为5G前传承载网络的优势

5G承载网络由前传、中传、回传3个部分组成。5G承载网的不同部分，均以server-client流量为主，server-server流量占比较少。由于5G业务有高带宽、低时延、泛连接的需求，因此，光传送网天然地具备着承载高带宽、低时延、一跳直达的优势。

从前传部分来说，5G初期主要是增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）业务的应用，延续着4G时代一个基站配备3个有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）的方式。5G逐渐成熟后，可以根据实际应用业务所需的流量，灵活选择新建高频基站、扩展低频AAU、低频基站基础上增配高频AAU等方案，达到扩展网络容量的目的[1]。

2    典型的5G前传组网场景

根据分布单元（Distribute Unit，DU）部署位置，5G前传有两种典型场景—大集中和小集中。

（1）小集中：DU部署于网络拓扑较低层次，与4G宏站基带单元（Baseband Unit，BBU）部署层次差不多，一般与DU相连的5G AAU数量应不高于30个（不高于10个宏基站）。其特点是DU部署在某个基站机房内，可和该基站机房附近的AAU通过接入光纤实现连接，并且接入端可用光纤数量必须高于AAU的数量。

（2）大集中：DU部署于网络拓扑较高层次，放置在综合接入点机房，一般与DU相连的5G AAU数量高于30个（高于10个宏站）。进一步依据网络需求、光纤的资源、网络拓扑分布等，又可以将大集中的场景再细分为P2P大集中和环网大集中两种。P2P大集中的特点是接入骨干层的光纤拓扑为树型结构，适合采用点到点波分复用（Wave Division Multiplexing，WDM）组网。DU池放置在综合接入机房，便于集中维护;环网大集中的特点是为达到节省光纤资源的目的，接入骨干层的光纤拓扑为环形结构，适合采用WDM环形组网[2]。

3    光纤直连方案

采用光纤直连的方案，BBU与每个AAU的端口全部采用光纤点到点直连组网。优点是实现简单，但最大的问题就是光纤资源占用太多。因为在5G时代，基站数量、前传带宽和载频数量将会快速增加，应该注意选择该方案会促使对光纤占用量的增加。所以该方案比较适用在光纤资源非常富余的地区。在光纤资源紧缺的地区，为克服该问题，一般还是采用设备承载方案。

4    无源 WDM方案

无源WDM方案采用波分复用技术，把彩光模块安装在AAU和DU无线设备上，通过无源的合波/分波设备完成WDM功能，因此使用一对甚至一根光纤可以提供多个AAU到DU之间的连接[3]。

根据采用的波长属性，无源波分方案可以再细分为无源粗波分（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）和无源密集波分（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）。

与光纤直连方案比较，无源WDM方案优点是节省了光纤，但是在应用中也存在一定的局限性，包括：

（1）波长通道数受到限制，粗波分复用（CWDM）技术标准由于考虑到色散问题，虽然定义了16个通道，但能用于5G前传的无源CWDM方案只能利用前几个通常为1 271～1 371 nm的通道，波长数量有限，可扩展性较差。

（2）波长規划复杂，WDM方案需要每个AAU使用不同波长，因为可调谐彩光光模块成本较高，如果采用成本较低的固定波长的彩光光模块，则会增加光模块的管理、备品备件、波长规划等环节的工作量，所以前期必须要做好波长规划和管理[4]。

（3）运维困难，不易管理，由于无法监测误码，无法在线路性能劣化时执行倒换，出了故障后，难以具体定界出问题的责任方，并且带来运维工作量增加。另外，彩光光模块的使用可能导致安装和维护界面不够清晰，缺少运行、管理和维护（Operation Administration Maintenance，OAM）机制和保护机制。

相比无源CWDM方案，无源DWDM方案显然可以提供更多的波长。但是更多的波长也意味着更高的波长规划和管控复杂度，通常需要可调激光器，带来更高的成本。目前支持25 Gb/s速率的无源DWDM光模块还有待研究。

针对5G承载的需求，基于远端集中光源的新型无源DWDM方案在降低成本，特别是接入侧成本、提高性能和维护便利性方面具有一定的优势，不但继承了传统无源方案节省光纤、成本低、方便插入无线设备的优势，还补齐了其可靠性和运维管理上的短板，成为5G前传承载领域具有竞争力的一种方案。

对于无源WDM方案，线路侧可采用OTN封装，基于OTN的OAM能实现有效的维护管理和故障定位。

5    有源WDM/OTN方案

有源WDM方案在DU机房和AAU站点部署城域接入型的WDM/OTN设备，多路前传信号通过波分复用共享光纤资源，通过OTN的开销提供服务质量（Quality of Service，QoS），实现管理和保护。

接入型WDM/OTN设备与无线设备通过标准灰光接口连接，WDM/OTN设备内部完成端口汇聚、OTN承载、彩光拉远等功能。相比无源波分方案，有源WDM/OTN方案可以支持点对点和组环网，组网更加灵活。有源WDM/OTN方案除了节约光纤以外，还可进一步提供环网保护等功能，从而提高资源利用率和网络可靠性。但有源WDM/OTN方案目前造价比较高，未来可以通过采用低成本的可插拔光模块或非相干超频技术来降低造价。

6    结语

5G时代，考虑到基站密度的增加和潜在的多频点组网方案，光纤直连需要消耗大量的光纤，某些光纤资源紧张的地区难以满足光纤需求，需要设备承载方案作为补充。

无论是小集中还是P2P大集中，有源方案和下一代DWDM无源方案都能满足，需要综合考虑无线业务优化效果、机房资源和网络光纤，来选择性价比最佳的解决方案。对于环网大集中，有源DWDM方案具有明显的比较优势，在节约光纤的同时还可以提供环网保护等功能。

为了满足5G时代的超大带宽需求，在短距前传领域，通过非相干技术，目前已经能实现5倍速率扩展。未来随着数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）超频技术的发展，将进一步实现包括10倍以上的更高速率扩展。为了满足5G前传低成本和低时延的需求，需要对OTN技术进行简化，包括使用更大的支路时隙（TS）、简化开销、减少复用层级等。总之，实现5G高效承载，可以通过改进技术弥补短板，是一条能很好平衡成本和风险的技术演进路线。

[参考文献]

[1]荆瑞泉.5G时代，城域光传送网发展趋势探讨[J].通信世界，2019（19）：44-45.

[2]王永江.面向5G的光传送网（OTN）承载方案分析[J].中国新通信，2019（7）：72.

[3]贺石嘉，侯扬.基于OTN新技术在干线传输网中的应用[J].通信电源技术，2019（6）：245-246.

[4]舒文琼，刁兴玲.5G为光传送网带来新机遇NGOF新增两大工作组[J].通信世界，2019（3）：43.