面向5G网络前传承载方案提升网络质量的研究

摘要：随着近两年5G网络的大规模建设，通过采用D-RAN和C-RAN相结合的网络结构以降低能耗、减少网络建设和运维成本。然而5G网络的大带宽、高速率、低时延技术特性和基站高密度部署，给5G前传网络带来了新的困难和挑战。本文提出几种前传承载方案及相关建议，以解决运营商面临的前传光纤资源紧张的问题。

关键词：5G网络;技术特性;前传承载方案;困难和挑战

一、5G网络概述及应用前景

5G网络即第五代移动通信网络，5G网络并非是4G网络的简单升级，在设计理念、应用技术等方面都进行了升华和创新，采用了网络灵活部署（NFV）、网络性能自我感知（云网融合）、网络资源灵活配置（切片技术）等关键技术，具有高速率、低时延和大连接的技术特性，其传输速率时4G网络的十倍以上，在安全性、高效性和扩展性方面相对4G网络都有极大的提升，更加适应未来智能化新兴技术（车联网、物联网、智慧医疗、虚拟现实等）产业的发展，更好地满足移动通信用户的网络需求，助力社会各行各业信息化、智能化的快速发展，表1为5G网络与4G网络性能指标的对比。

5G网络的应用场景包括增强移动宽带eMBB、超高可靠低时延通信uRLLC和海量机器类通信mMTC三种类型，其中eMBB主要体现在云VR/AR、超高清视频、超高清全景直播、云游戏、全息视频/投影、可穿戴设备等领域的应用，以实现为移动用户提供更加智能的应用体验;uRLLC主要面向远程医疗、车联网、无人机、智能控制、智慧能源等对时延、可靠性要求极高的垂直行业应用领域;uRLLC主要面向智慧城市、智慧家庭、智慧农业、环境检测、智慧道路、森林防火等通过大量终端设备进行数据采集及远程监控为目标的应用场景，其应用设备终端需要具备低功耗、低成本的产品特点。

二、5G网络组网结构

目前5G NR网络建设主要有两种组网架构，即SA/NSA组网架构，中国移动综合考虑业务与应用场景、网络性能、网络改造与建设成本、设备成熟度与工程建设进度、国际漫游用户需求等因素，5G以SA为目标架构，然而5G网络实现独立的SA组网架构需要分阶段实现，一般分为以下三个阶段：

5G网络部署初期，5G核心网（5GC）投入商用前，使用4G核心网进行升级改造作为锚点，5G基站通过NSA双连接分流接入4G核心网实现5G数据业务承载，4G网络提供连续覆盖，NR实现热点区域覆盖;该方式通过现网改造升级具有建网快、投资少的优势;缺点是不支持5G核心网相关新业务和新功能，仅支持部分eMBB类业务。

5G网络部署中期引入5GC，以5GC为锚点承载4G、5G数据业务，4G网络覆盖面广，保障用户移动网络性能体验;5G基站主要实现其相关新业务和新功能，更好的支持eMBB、URLLC、mMTC类场景的业务应用。

5G网络部署后期，2/4G网络逐渐退网，5G基站占据市场，此时5GC已具备完备的5G网络功能，更高效地实现5G网络的社会效能，支撑5G应用产业的快速发展。

5G网络部署的关键在于解决前传承载问题，如何低成本、高效率的解决网络前传问题是本文研究的关键，本文主要提出几种基于5G网络的前传解决方案以提升网络传输速率和网络传输质量，更好地满足用户业务需求。

三、5G网络前传承载方案

（一）前传接口方案分析

目前5G网络建设主要采用C-RAN与D-RAN结合的方式进行网络部署，无论是哪种网络部署方式，其射频单元采用的传输接口主要是通用公共无线电接口CPRI和增强型通用公共无线电接口eCPRI。

CPRI接口基本可以满足传统2G、3G、4G网络的前传需求，而在面对5G网络高频段、Massive MIMO 技术，成本效益大大降低，CPRI通过降低采样率和比特位宽的压缩技术，压缩效率和质量难以满足5G大带宽高速率的网络需求，对基站的误差矢量幅度（EVM）指标也会造成影响，在5G网络中通过采用CPRI不压缩与1：2压缩接口带宽与接口数量的信息表如下表3所述。

eCPRI是基于分组化的以太网前传网络接口，相对于CPRI，eCPRI协议接口支持基站物理层内部灵活和分离的定位功能，eCPRI通过将BBU中的Low-PHY下沉到AAU模块中，大大降低BBU和AAU之间的接口速率要求，并且可实现向上层协议栈提供多种类型的数据业务，使得单个AAU和DU之间仅一个物理接口即可实现数据互通，实现高效灵活的5G网络前传数据传输，相对于CPRI接口传输大大降低了传输带宽。

在5G傳输网络中通过eCPRI接口技术可实现高效的数据传输，可将前传带宽速率降低到25Gbps以下，通过对比5G网络中单个AAU与DU之间，采用不同天线通道数的情况下，CPRI采用不同压缩比技术与eCPRI接口在传输带宽和需要的接口数量进行对比，如表2所示。

综合对比CPRI接口与eCPRI接口的功能特点和接口协议功能划分，在5G网络应用中建议优选支持eCPRI接口的设备。

（二）前传传输承载技术方案分析

5G网络无论是基站数量还是传输带宽需求相比4G都提升了数倍，因此对光线资源的需求也会倍增，继续采用纤直驱的方式会对现网的传输网络资源造成很大的压力，为此我们提出几种前传承载方案以解决5G前传网络中遇到的瓶颈问题，以确保5G网络的传输质量，更好地满足用户的业务需求。本文主要介绍以下六种前传承载方案：

1.光纤直驱承载方案

光纤直驱承载方案通过在DU/BBU、AAU设备上安装白光模块，设备间再通过光纤直接进行连接。此承载方案在D-RAN站点应用比较广泛，由于DU与AAU之间传输距离短，一般采用单纤单向传输。对于光线资源丰富的C-RAN站点，建议DU到AAU设备之间距离不超过10km。采用单纤双向BiDi技术可实现降低50%的光纤消耗，即使采用25Gbps BiDi技术，对于DU集中化部署的CRAN机房，DU连接数十个AAU设备的情况，对现网的传输管道线路造成很大的压力，还需要DU集中接入侧设备具备更高的光纤资源管理能力。

2.无源WDM承载方案

无源WDM方案是在DU和AAU上安装彩光模块，彩光模块之间通过无源的合/分波器件实现一个DU到多个AAU之间数据传输，合分波复用器之间通过一对甚至一根光纤进行连接;如S111配置的基站中，即使DU至AAU之间采用单纤双向BiDi技术，光纤直驱方案至少需要3根光纤，然而采用无源WDM方案，使用一根或者两根光纤即可实现DU至AAU之间的数据传输，与采用BiDi技术的光纤直驱方案相比，光纤资源还可减少2/3。WDM设备采用透传方式不会引入传播时延，但DU和AAU之间需要进行波长规划，还需要考虑彩光模块的备件问题。

3.半有源WDM承载方案

半有源WDM承载方案与无源WDM承载方案结构类似，相对无源WDM承载方案，半有源WDM承载方案在DU/BBU侧采用有源的波分复用设备，可对远端AAU设备侧的彩光模块实现OAM管理。此方案可实现光线资源和较强的OAM管理能力，但是彩光模块成本较高，需进行波长规划，还要考虑彩光模块的备件的问题。

4.有源WDM/OTN承载方案

有源WDM/OTN承载方案是通过在DU与AAU之间引入有源WDM/OTN设备，与半有源WDM的区别是将AAU侧的彩光模块换成有源的WDM/OTN设备，然后通过一根光纤将两个有源WDM/OTN设备直接相连，可有效地减少光纤数量从而降低光纤资源投资成本。无线设备DU、AAU之间引入有源WDM/OTN设备，可提供丰富的OAM能力和故障诊断功能，虽然AAU、DU至WDM/OTN设备需6根单纤单向光纤连接，但传输距离较短，纤芯资源布放简单，相对建设成本比较低。无线设备无需安装彩光模块，无需进行波长分配和管理。OTN设备具备较强的网络保护能力，但成本高，网络部署投资大。

5. SPN技术方案

SPN技术是中国移动提出的一种基于网络切片的传输承载方案，采用大容量接口、分組切片和分段路由（SR-TP）等关键技术，采用SDN是实现统一管控。SPN技术通过在L2（MAC）层和L1（PHY）层之间设立Flex-E Shim层，Shim层采用时分复用技术实现业务间的物理隔离，可实现按照不同的业务类型将同一物理平面切分为多个虚拟平面，方便业务部署和运维。采用时分复用技术可将时延控制在5us以内，受限于SPN相关的标准、设备、芯片、光模块技术发展的发展程度，SPN目前仅支持50 Gbps/100 Gbps的线路带宽，光纤复用能力有限，SPN前传承载主要适合在现有宏站网络中配置虚拟专网实现用户个性化需求或特定场景应用需求。

6.WDM-PON承载方案

WDM-PON通过采用在接入机房DU侧部署光线路终端（OLT）设备，在远端AAU所在机房侧提供阵列波导光栅（AWG）设备，可实现数十波长的光信号在一根光纤中进行传输，大大减少OLT至AWG设备间的光纤数量，并具备交换、控制、管理功能;在AAU侧部署ONU实现波长分配功能，为AAU提供特定的波长信号。WDM-PON承载方案可以充分利用现有的光纤传输资源，降低5G网络建设成本实现5G网络快速部署。目前WDM-PON相关技术标准还有待进一步完善，成熟度比较低，并且设备成本比较高。

本文提出几种前传承载方案以实现降低网络传输资源的建设成本，考虑前传承载方案在网络建设中应用场景、建设成本、运维效率、成熟程度等方面的综合优势，提出合理的前传承载建设方案，六种前传承载方案性能对比如表3所示。

四、前传承载方案的选择建议

综上所述六种前传承载方案的工作原理和建设成本，结合5G网络应用场景、运维效率、建设工期等综合因素，制定如下前传方案选择建议：

5G网络前传建议优选支持eCPRI接口的设备;

D-RAN站点采用光纤直驱的前传承载方案;

光纤资源丰富的C-RAN站点，拉远距离在2km内，优先考虑使用单纤双向的光纤直驱前传承载方案;

光线资源紧张的C-RAN站点，拉远距离在2km以上，结合现网管控、线路资源情况，按照单纤双向光纤直驱、无源WDM、半无源WDM、有源WDM/OTN的承载方案顺序进行选择;

由于有源波分设备成本高，目前有源WDM/OTN承载方案主要应用在对QOM要求较高的业务场景中，建议根据半无源WDM技术的发展成熟度，采用半无源WDM方案取代有源WDM/OTN方案。

五、结束语

本文主要提出了六种前传网络承载方案，并根据5G网络应用场景、建设成本、运维效率、建设工期等因素分析制定了五种前传承载方案的选择建议，希望本文能帮助运营商解决5G网络建设中因前传网络资源紧张造成的困扰，更加高效实现5G网络的建设规划、提升5G网络质量和用户体验满意度。

作者单位：王四光    中国移动通信集团山西有限公司运城分公司

王四光（1967.04-），男，汉族，山西临猗，大学本科，通信工程师，研究方向：4G/5G通信。