黃星輝，張 振

（廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)內(nèi)容正逐步通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)是5G網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要網(wǎng)絡(luò)段，它將集中式基帶單元（Building Base Band Unit，BBU）與云無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）中的遠(yuǎn)程無(wú)線電單元（Radio Remote Unit，RRU）連接起來(lái)。它支持先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)，如協(xié)調(diào)多點(diǎn)和大規(guī)模輸入與輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)。C-RAN成為將來(lái)下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向，其綜合了實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)、集中化處理以及協(xié)作式無(wú)線電技術(shù)，是一種綠色的無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架，期望通過(guò)協(xié)調(diào)多點(diǎn)提高網(wǎng)絡(luò)性能，并通過(guò)容量共享和優(yōu)化提高網(wǎng)絡(luò)能效。移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)作為C-RAN的重要組成部分，是連接BBU池和RRU的高速光纖傳輸網(wǎng)[1]。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）[2]是光接入網(wǎng)絡(luò)的一種，在光線路終端（optical Line Terminal，OLT）與光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）之間采用無(wú)源光分路器。無(wú)源分路器的使用消除了環(huán)境中的電磁波以及雷雨天氣時(shí)的雷電對(duì)信號(hào)的干擾，同時(shí)降低了線路與外部設(shè)備之間的故障率，從而實(shí)現(xiàn)了減小運(yùn)營(yíng)成本的效果。另一方面，PON網(wǎng)絡(luò)承載的信號(hào)具有透明性，這便為用戶提供了充足的帶寬資源。目前，光接入網(wǎng)中為解決“最后一公里工程”瓶頸現(xiàn)象而提出的光纖到戶的最佳實(shí)現(xiàn)方案便是PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用的是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種特點(diǎn)與深度覆蓋C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類似。PON以其高帶寬，高速率，低時(shí)延的特點(diǎn)成為移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)承載的主要方案。近些年來(lái)，隨著PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的設(shè)備供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)商逐步開(kāi)始使用現(xiàn)有已經(jīng)部署好的PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)承載移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)。

本文主要研究了移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)在5G前傳網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和前景。

1 移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)及其承載方案

C-RAN一般有BBU池、RRU和前端光鏈路三部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)集合了集中式處理，云計(jì)算構(gòu)架，協(xié)調(diào)多點(diǎn)技術(shù)，為用戶提供更好的無(wú)線傳輸體驗(yàn)，更好地實(shí)驗(yàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的廣域深度覆蓋。

圖1 C-RAN架構(gòu)

移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)作為C-RAN架構(gòu)中出現(xiàn)的新型網(wǎng)絡(luò)，是一種連接BBU池和RRU的高速光纖網(wǎng)絡(luò)。目前以C-RAN為基礎(chǔ)的移動(dòng)前傳承載方案主要有以下幾種：無(wú)源彩光，光纖直驅(qū)，有源光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）/波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）， 波 分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，WDM-PON）以及時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Time Division Multiplexing Passive Optical Network，TDM-PON）[3]。

目前存在幾種基于C-RAN的移動(dòng)前傳承載方案，主要有無(wú)源彩光，光纖直驅(qū)，有源OTN/WDM，TDM-PON以及WDM-PON[3]。其中光纖直驅(qū)是在光纖資源需求有限和供應(yīng)充足下最理想的方案，但它建網(wǎng)成本高，經(jīng)濟(jì)性差。

無(wú)源彩光方案使用波分復(fù)用技術(shù)，在每個(gè)BBU池和RRU中都分配WDM彩光模塊用以產(chǎn)生光源，該種方案的優(yōu)點(diǎn)是成本效益高，能夠滿足通用公共無(wú)線電接口（Common Public Radio Interface，CPRI）中的傳輸要求，這便有利于在戶外部署；該種方案的不足之處是復(fù)用信道數(shù)太少，需要兩條光纖，無(wú)法滿足移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署。有源OTN/WDM方案在BBU池和RRU上配備白光模塊，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)色化，在管理數(shù)目龐大的RRU時(shí)，使系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單方便；該種方案的缺點(diǎn)是還未完善CPRI信號(hào)的封裝成幀標(biāo)準(zhǔn)，在OTN的成幀過(guò)程中系統(tǒng)可能會(huì)引入額外的傳輸時(shí)延，這便導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)延性能隨之降低。TDM-PON承載方案結(jié)合時(shí)分復(fù)用和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種低成本方案，也引起了越來(lái)越多的關(guān)注，然而承載移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)在吞吐量，時(shí)延、抖動(dòng)以及信息安全方面表現(xiàn)有所吃力。

WDM-PON有著與C-RAN網(wǎng)絡(luò)相之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與TDM-PON相比，WDMPON在承載前傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)能夠滿足前傳網(wǎng)絡(luò)CPRI中信號(hào)低時(shí)延抖動(dòng)、高帶寬以及高安全性的要求，同時(shí)可以利用現(xiàn)有的PON資源進(jìn)行升級(jí)搭建，從而可以節(jié)約大量的光纖資源，但其光器件成本昂貴，建網(wǎng)成本較高[4]。

目前，最主流的移動(dòng)前傳承載網(wǎng)絡(luò)為WDMPON網(wǎng)絡(luò)。

2 WDM-PON移動(dòng)前傳承載方案

圖2為移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)WDM-PON承載方案架構(gòu)圖，其中RRU與ONU端進(jìn)行連接，BBU池與OLT端進(jìn)行連接。WDN-PON技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)ONU的無(wú)色化，無(wú)色化光模塊部署在ONU端，進(jìn)而PON網(wǎng)絡(luò)可以在傳輸過(guò)程中根據(jù)OLT的調(diào)度請(qǐng)求從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整分配波長(zhǎng)資源，使得各ONU獲得合適的波長(zhǎng)[4]。隨著近年來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)帶寬需求的不斷增加，國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商和研究機(jī)構(gòu)逐漸選擇WDMPON作為移動(dòng)前傳承載方案，其中以滿足CPRI信號(hào)在傳輸時(shí)的要求，會(huì)在信號(hào)封裝的過(guò)程中簡(jiǎn)化相關(guān)規(guī)范。同時(shí)為了滿足傳輸時(shí)延抖動(dòng)的要求，會(huì)采用直接透明的方式進(jìn)行傳輸。

WDM-PON是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，同時(shí)基于波分復(fù)用技術(shù)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。WDM-PON在同一根光纖中采用波分復(fù)用技術(shù)復(fù)用多路信號(hào)實(shí)現(xiàn)上行接入，這便能夠使得OLT端與ONU端之實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的虛擬連接。WDM-PON能夠節(jié)約成本的同時(shí)提供充足的工作帶寬，是光纖接入的重要發(fā)展方向并且在光網(wǎng)絡(luò)中具有良好的應(yīng)用前景。

圖2 基于WDM-PON的承載方案

3 WDM-PON在移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)

WDM-PON主要有高容量和高帶寬，傳輸損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)，高安全性，良好的透明性，可重構(gòu)性強(qiáng)、易擴(kuò)容，業(yè)務(wù)靈活多變、支持多業(yè)務(wù)傳輸?shù)?個(gè)特點(diǎn)。

高容量，高帶寬：

WDM-PON通過(guò)波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)使得在一根光纖中能夠同時(shí)傳輸多個(gè)載波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了高帶寬的信號(hào)傳輸，進(jìn)而在提高了系統(tǒng)的傳輸容量的同時(shí)獲得了較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。在ONU上/下行傳輸方面，對(duì)于WDM-PON系統(tǒng)中的每一個(gè)ONU都擁有其不同的專用波長(zhǎng)，該方式提高了系統(tǒng)的傳輸帶寬，這使得WDM-PON在如今流量和帶寬需求飛速增加的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)中具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸損耗?。?/p>

在基于WDM-PON的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)C-RAN架構(gòu)中，會(huì)將RRU部署在用戶處，從而滿移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋的要求，這便增加了BBU池與RRU之間的傳輸距離，具有傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。同時(shí)，WDM-PON的采用，使得系統(tǒng)各器件的插入損耗減小，從而具有傳輸損耗小的特點(diǎn)，因此該系統(tǒng)在傳輸距離以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍上面有著明顯優(yōu)勢(shì)。

高安全性：

在用戶和中心局通信時(shí)，WDM-PON為每個(gè)用戶提供了一對(duì)專屬的波長(zhǎng)從而實(shí)現(xiàn)了相互獨(dú)立的虛擬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接，消除了TDM-PON中其他ONU信息對(duì)本ONU的影響，保證了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)移動(dòng)用戶數(shù)據(jù)的安全和私密。

良好的透明性：

WDM-PON在傳輸信號(hào)時(shí)，將傳輸信息直接映射到相應(yīng)波長(zhǎng)同道中，因此無(wú)需復(fù)雜的MAC協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在在不同信道速率以及各種協(xié)議下的透明傳輸。在傳輸CPRI信號(hào)時(shí)，WDM-PON可以在無(wú)需繁瑣的封裝處理過(guò)程下滿足CPRI的低時(shí)延信號(hào)傳輸要求[5]。并可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入網(wǎng)中的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理以及簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)可以提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體管理控制能力。

可重構(gòu)性強(qiáng)，易擴(kuò)容：

在WDM-PON系統(tǒng)中，由于OLT與ONU之間采用不同波長(zhǎng)從而實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的虛擬連接，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)或擴(kuò)容時(shí)，不用拆散整個(gè)網(wǎng)絡(luò)部署，只要在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加或者減少系統(tǒng)波長(zhǎng)資源和用戶端設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)重構(gòu)和擴(kuò)容，具有可重構(gòu)性強(qiáng)、易擴(kuò)容的特點(diǎn)。

業(yè)務(wù)靈活多變，支持多業(yè)務(wù)傳輸：

在當(dāng)前LTE的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)，在迎接未來(lái)5G時(shí)必將面對(duì)越來(lái)越多的增值業(yè)務(wù)，為此移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)必須滿足移動(dòng)用戶對(duì)綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速率傳輸?shù)男枨?，同時(shí)面對(duì)不同業(yè)務(wù)時(shí)要滿足誤碼率、帶寬以及時(shí)延/抖動(dòng)等方面的需求。WDM-PON系統(tǒng)提供了充足的波長(zhǎng)資源以此來(lái)滿足不同的業(yè)務(wù)服務(wù)，進(jìn)而可以解決用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QOS）的要求[6]。從而使得WDM-PON具有業(yè)務(wù)靈活多變的特點(diǎn)，并可以支持多業(yè)務(wù)的傳輸。

4 國(guó)內(nèi)外移動(dòng)前傳WDM-PON研究現(xiàn)狀

國(guó)外搭建了基于反射式半導(dǎo)體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）的基礎(chǔ)上的WDM-PON系統(tǒng)，并使用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光纖無(wú)線通信系統(tǒng)。同時(shí)在長(zhǎng)期的演進(jìn)系統(tǒng)中，相關(guān)學(xué)者研究了100 MHz射頻信號(hào)在超過(guò)20 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的長(zhǎng)距離PON系統(tǒng)信號(hào)傳輸場(chǎng)景下兩種不同調(diào)制編碼方式的上行傳輸性能。

國(guó)內(nèi)，中國(guó)電信聯(lián)合烽火通信研發(fā)了一種實(shí)現(xiàn)基于長(zhǎng)期演進(jìn)的高級(jí)版（Long Term Evolution-Advanced，LTE-A）的C-RAN架構(gòu)，該架構(gòu)是一種使用波分復(fù)用技術(shù)的WDM-PON系統(tǒng)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其正向傳輸數(shù)據(jù)可以滿足移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)中CPRI協(xié)議對(duì)接口傳輸?shù)囊?。另外，中?guó)聯(lián)通和華為聯(lián)合開(kāi)發(fā)了基于WDM的移動(dòng)前傳承載方案，解決了在部署移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)的光纖資源消耗和監(jiān)管問(wèn)題。

新一代N×25Gbps WDM PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化都在穩(wěn)步的進(jìn)行著，國(guó)際組織全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)論壇（Full Service Access Networks，F(xiàn)SAN）已完成WDM-PON技術(shù)白皮書(shū)，包含架構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景，基于運(yùn)營(yíng)商需求推動(dòng)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中已納入前傳應(yīng)用場(chǎng)景。隨著無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)及WDM-PON的深入研究，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)以其顯著的優(yōu)越性將完美承載5G前傳網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié) 語(yǔ)

5G中的前傳網(wǎng)絡(luò)具有高容量，低處理時(shí)延，低成本的特點(diǎn)。目前的基礎(chǔ)性資源難以達(dá)到承載的要求。光接入網(wǎng)具有高容量，大連接，低功耗，低時(shí)延，高可靠等特點(diǎn)，使其成為最關(guān)鍵的資源。本文描述了無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)承載5G前傳網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)方案，重點(diǎn)介紹了WDM-PON網(wǎng)絡(luò)承載方案及其優(yōu)越性。