「唯」觀點 | 光纖在5G前傳中的角色演變和技術(shù)標準

光纖在5G中將無處不在

前傳/中傳/回傳

  與LTE不同，5G將影響網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點組件，并在不同的應(yīng)用上提供從增強移動寬帶到同一網(wǎng)絡(luò)上的超可靠低延遲。

  5G網(wǎng)絡(luò)將需要對資源進行優(yōu)化，使每個應(yīng)用都能滿足該應(yīng)用的特定SLA。但同時也存在著一些挑戰(zhàn)：射頻、光纖、硬件和網(wǎng)元等5G網(wǎng)絡(luò)資源雖然可在宏觀層面上共享，但需要為每個具體應(yīng)用提供單獨的顆粒級網(wǎng)絡(luò)。例如，用戶在聯(lián)網(wǎng)汽車中觀看視頻將需要更高的吞吐量、更大的射頻和網(wǎng)絡(luò)資源，而同一輛聯(lián)網(wǎng)汽車則需要超低延遲和可靠的連通性。

  為了使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更成功，所有資源都必須靈活而敏捷地以有效方式提供不同的 SLA。我們都知道將每個用戶連接到基站發(fā)射塔或接入點的射頻資源的價值，但對于5G的成功交付而言，將該接入點連接到網(wǎng)絡(luò)核心和云的射頻資源，其重要性也不亞于此。而在大多數(shù)情況下，射頻和5G云之間的連接將由光纖構(gòu)成。

  事實上，5G 是促使服務(wù)提供商投資數(shù)十億來進行新光纖部署以及升級光纖基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵原因之一。

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  光纖在 5G 中的角色

  雖然部署光纖的成本很高，但在大多數(shù)情況下，與部署所面臨的挑戰(zhàn)相比，它帶來的好處更大。光纖以更少的衰減提供更高的帶寬，可抵抗電磁干擾，能夠提供更低的延遲，并且，隨著復(fù)用技術(shù)的改進，可以適應(yīng)在相同光纖基礎(chǔ)設(shè)施上的容量增長需求。

  除了商業(yè)和物流方面，以下5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化將推動光纖基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和拓撲結(jié)構(gòu)：

  ①5G對中頻和毫米波的支持將導(dǎo)致城市和郊區(qū)環(huán)境中基站的顯著增長。毫米波使用大量的頻譜;然而，毫米波的覆蓋范圍是有限的。這將推動大量的基站部署在更小的服務(wù)區(qū)域。

  ②網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)將允許分離控制面和用戶面，對于低延遲應(yīng)用，分散的用戶面將更靠近終端。

  ③劃分基帶功能并創(chuàng)建稱為分配單元(DU)和集中單元(CU)的新節(jié)點實體，以根據(jù)應(yīng)用的需要優(yōu)化傳輸功能。

  ④支持大規(guī)模 MIMO 和波束成形的有源天線系統(tǒng)(AAS)需要更高的帶寬和直接光纖連接，這將使更多的光纖下移， 并創(chuàng)建額外的傳輸節(jié)點。

  光纖投資的另一個關(guān)鍵用例——是光纖在接入網(wǎng)中的匯聚。在過去，光纖接入網(wǎng)是為單一的應(yīng)用而設(shè)計的(即光纖入戶或光纖到天線)。現(xiàn)在，服務(wù)提供商正在設(shè)計能夠支持光纖到 x(即 FTTx，x = 任何東西)的光纖基礎(chǔ)設(shè)施。5G 分散架構(gòu)將允許服務(wù)提供商利用現(xiàn)有和新的固定網(wǎng)絡(luò)資源，以降低管理多個網(wǎng)絡(luò)的總體成本，并實現(xiàn)更敏捷和靈活的資源池。如前所述，固定和移動資源的共享現(xiàn)在可以通過對接入站點和光纖基礎(chǔ)設(shè)施的整體規(guī)劃和升級來實現(xiàn)。

  總之，5G服務(wù)的光纖網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)將根據(jù)暗光纖(不發(fā)光的可用光纖，也稱為灰纖)的數(shù)量和成本、網(wǎng)絡(luò)上支持不同 5G 應(yīng)用的用例、光纖升級的業(yè)務(wù)案例，以及管理多個 FTTx 網(wǎng)絡(luò)的成本而變化和演變。

5G 前傳的演變

  不久以前，光纖還只用于長途網(wǎng)絡(luò)，但隨著寬帶持續(xù)且穩(wěn)定地增長，光纖已成為主要的傳輸介質(zhì)，不僅在核心網(wǎng)絡(luò)，而且在城域網(wǎng)和接入網(wǎng)中都是如此。同樣，移動網(wǎng)絡(luò)用戶對更高帶寬和更高容量服務(wù)的渴求，也推動著光纖在無線接入網(wǎng)絡(luò) (RAN) 中更深、更高層次的采用。

  隨著無線電變得更強大和平均更換時間(MTTR)的逐步改善，供應(yīng)商也開始提供遠程無線電解決方案。為了避免長同軸電纜和連接器造成的大量損耗，無線電設(shè)備已經(jīng)移到離天線更近的地方。這一策略不僅有助于改善射頻足跡，還降低了位于或靠近發(fā)射塔底部的無線電設(shè)備外殼的冷卻成本。

  但是，為了支持遠程射頻單元(RRU)，引入了新的接口。這些接口將通過物理光纖鏈路將數(shù)字設(shè)備(也稱為基帶單元 (BBU))連接到 RRU。在 BBU 和 RRU 之間引入的新鏈路稱為前傳，這與將 BBU 與核心移動網(wǎng)絡(luò)連接的回傳形成了對比。用于通過光纖前傳傳遞射頻信息的最常用技術(shù)是通用公共無線接口 (CPRI)協(xié)議。

  CPRI 提供專為在 RRU 和 BBU 之間傳輸無線電波形設(shè)計的專用傳輸協(xié)議。CPRI 框架會隨著無線電信道帶寬和天線元件數(shù)的增加而擴展。CPRI 在統(tǒng)計多路復(fù)用方面效率不高，無法根據(jù) 5G 的需求進行擴展，尤其是對于大規(guī)模 MIMO 和更大的帶寬增量。5G 場景所需的帶寬和天線將使 CPRI 的帶寬需求超過 100 Gbps(下圖表 1)。

  對于規(guī)模更大的 5G 網(wǎng)絡(luò)部署而言，這些帶寬分配將非常昂貴。3GPP、IEEE、ITU-T 等標準機構(gòu)一直致力于：

  01研究 BBU 功能的不同拆分選項(如圖 2 所示)及其含義

  02確定針對不同應(yīng)用和服務(wù)的最佳要求(吞吐量、延遲、抖動等)

  03確定劃分不同 BBU 功能以滿足應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)需求的潛在挑戰(zhàn)和解決方案

  04針對靈活前傳拆分提供指導(dǎo)

  除了帶寬效率低的主要缺點外，CPRI 的延遲預(yù)算也非常有限。在實踐中，這意味著 BBU 和 RRU 之間的距離將非常有限，而距離由延遲預(yù)算以及前傳中部署的傳輸技術(shù)的類型決定。

  暗光纖是可實現(xiàn)最大距離的最簡單的光纖。包含一些處理元件的傳輸設(shè)備可以減少延遲預(yù)算，有時甚至可以大幅降低延遲預(yù)算，正如光傳輸網(wǎng)絡(luò) (OTN) 一樣。通常情況下，操作人員必須查看各個用例并進行權(quán)衡分析，以確定最佳傳輸技術(shù)。分析中的關(guān)鍵輸入包括光纖和機房的可用性，以及無線電端點的數(shù)量和位置。以下是對前傳供應(yīng)商和服務(wù)提供商的高級要求：

  a.減少前傳的比特率(容量使用)，特別是將前傳使用從天線端口容量中分離出來，如同 CPRI 的情況一樣。

  b.管理 URLLC 類型應(yīng)用嚴格的延遲需求。

  c.優(yōu)化協(xié)調(diào)特性(例如協(xié)調(diào)多點 (CoMP) 和載波聚合 (CA))的定時和抖動要求。

  d.減少間接成本和部署成本，因為光纖是一種昂貴的部署資源。

  為了滿足這些需求，下一代的 RAN 已經(jīng)取得了發(fā)展，BBU 執(zhí)行的功能分為了三個部分：

  1中央單元 (CU)

  2分配單元 (DU)

  3射頻單元 (RU)

  某些物理層無線電功能(例如資源映射)將遷移到 RU。RU 將監(jiān)督天線的 I/Q 信號和無線電載波的產(chǎn)生，這將大幅減少前傳上所需的比特率支持。

  CU 和 DU 之間的鏈路稱為中傳，中傳的特性類似于 4G 回傳。CU 帶有非實時功能，從而允許將它放置在遠離無線電的地方，根據(jù)應(yīng)用類型，DU 可能非常接近 RU 或集中放置。例如，對于諸如移動性或協(xié)調(diào)多點 (CoMP) 之類的協(xié)調(diào)應(yīng)用，DU 的集中放置更有意義。

  這種新的體系結(jié)構(gòu)有助于解決帶寬難題，并在延遲方面提供靈活性，從而驅(qū)動這些功能元素和網(wǎng)絡(luò)支持的應(yīng)用的位置。標準機構(gòu)正在推動的一件事是，提供一種更靈活的基于分組的技術(shù)，用于在前傳上傳輸用戶面。

  使用以太網(wǎng)在前傳上進行傳輸很有意義，因為它可以向后兼容，考慮到了商品設(shè)備，使接入網(wǎng)絡(luò)更加融合，并能實現(xiàn)統(tǒng)計多路復(fù)用，從而可幫助降低集合比特率要求。使用標準 IP/以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換/路由也將使得功能虛擬化和整體網(wǎng)絡(luò)編排可以相對輕松完成。

eCPR

  在討論光纖回傳、中傳和前傳拓撲結(jié)構(gòu)之前，我們可以回顧一下5G前傳接口的發(fā)展。eCPRI 技術(shù)以物理層 (PHY) 組件的功能拆分為基礎(chǔ)。

  eCPRI 規(guī)范建議將拆分選項 IU 用于上行鏈路，并建議為下行鏈路部署 IID 或 ID，后者對于 3GPP 將映射到 7.x 拆分(如圖 4 所示)。eCPRI 通過前傳傳輸網(wǎng)絡(luò)連接 eCPRI 無線電設(shè)備控制 (eREC) 和 eCPRI 無線電設(shè)備 (eRE)。與 CPRI 相比，eCPRI 的目標是通過功能分解降低 eREC 和 eRE 之間的數(shù)據(jù)速率需求，同時限制 eRE 的復(fù)雜性。此外，eCPRI 設(shè)計為可通過基于分組的前傳傳輸網(wǎng)絡(luò)(比如 IP 或以太網(wǎng))實現(xiàn)高效而靈活的無線電數(shù)據(jù)傳輸。