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        中國移動5G前傳承載方案探討

        http://www.rxbn.tw ( 2018/9/12 17:33 )

        摘要:5G已蓄勢待發,中國移動5G的中回傳解決方案已基本確定,但對于5G前傳的承載方案尚未進行深入研究,為此就前傳提出幾種解決方案,并分析其優劣和應用場景分析,為后期5G前傳網絡建設提供參考。

        1   背景

        5G已蓄勢待發,中國移動也開始了5G的現網試點測試。5G的架構相比4G有較大變化,如圖1所示:

        圖1    4G與5G結構對比示意圖

        5G時代的網絡結構相比4G有所調整,重構為AAU-DU-CU-核心網四部分,相應的承載也分為三段:AAU-DU間稱為前傳,DU-CU間稱為中傳,CU-核心網間稱為回傳。對于中回傳段落,目前中國移動已經基本確定其承載方案,但前傳解決方案直接影響未來機房、電源、管線等的規劃和建設,因此,有必要在5G正式商用之前進行前傳方案的研究和探討。

        2   前傳的幾種解決方案

        5G前傳目前公認的接口類型有CPRI接口和eCPRI接口兩種,其中CPRI接口速率為100GE,eCPRI接口速率為25GE,有以下幾種解決方案:

        2.1  方案一:光纖直驅

        前傳中CPRI和eCPRI接口一般的傳輸距離控制在10公里內,因此可在BBU/DU與每個AAU的端口間全部采用點到點光纖直連。

        該方案簡單易行,可滿足前傳承載需求。根據調研,目前各個無線設備廠家一個5G基站前傳需要2-12芯,一個BBU/DU考慮收斂10-20個AAU考慮,則需要消耗大量光纖資源,BBU/DU側光纖管理要求高,出口的管道、光纜資源成為此方案的瓶頸。從技術方案上來看,也可以通過AAU級聯來減少光纖資源的消耗,同時無線側設備通過前傳信號自身可完成光纖直驅線路的保護、OAM和網絡管理。因此,該方案的特點是部署成本比較低,但受限于末端光纖資源,適用于光纖資源豐富和BBU/DU小規模集中場景。

        結合中國移動的實際網絡情況,大部分應用場景中現網光纖資源無法滿足5G前傳光纖資源需求,需要新建光纜,新建光纜時宜采用大芯數環網架構(類似綜合業務接入區的主干光纜網),如圖2所示,根據規劃接入AAU數量選用144-288芯光纜,在每個節點終端12-24芯光纖,并通過聯絡光纜與匯聚機房相連。采用此部署方式,可避免BBU/DU機房大量小芯數光纜集中,對管道造成極大壓力;此方式要求提前對部署節點進行預測并進行大芯數光纜部署。

        圖2    前傳光纜網建設方案示意圖

        但在實際網絡建設時,AAU的建設是逐步進行,采用大芯數光纜環形組網仍存在一定的不確定性,也可采用星型光纜連接,為避免對機房出口管道的影響,可在BBU/DU機房出口部署大芯數光纜、在機房附近設置光纜分纖點方式,將大芯數光纜分成多條小芯數光纜,再按需連接至各個AAU。

        2.2  方案二:WDM/OTN

        對于現有光纖資源有限、且新建光纜有困難時,也可采用WDM/OTN方案。

        (1)WDM承載方案

        WDM技術已經非常成熟,采用無源合分波+彩光直驅方案,BBU/DU和AAU上的光模塊分別采用帶波長的彩光模塊,在BBU/DU前端配置光合分波器OMD,AAU節點配置光分插復用器OAD,采用WDM技術,可以大幅節約光纖資源的消耗。WDM設備對前傳業務采用純透傳處理,因而對時延特性影響極為有限。缺點在于:彩光光模塊會對AAU基站管理提出新的要求,無法采用信號復用技術提高波長利用率,業務的OAM管理功能有限。另外,每個BBU/DU與AAU波長連接在物理上是點對點的連接,因此功率預算是彩光直驅需要考慮的關鍵問題。目前CCSA正在討論制定“城域接入型波分復用(WDM)系統技術要求”,使其更適合無線基站前傳需求。

        該方案要求BBU/DU與AAU間很好地規劃彩光波長,因此在實際部署和維護管理中相對復雜。

        (2)OTN承載方案

        為減少AAU和BBU/DU間波長規劃,也可通過OTN方式承載。接入OTN設備客戶側,映射和復用成高速的OTN信號并轉換成彩光接口,進行波分復用后在一根或一對光纖中傳輸,大幅節省光纖資源。

        該方案采用OTN技術進行信號復用還可以提高波長利用率,利用OTN開銷字節提供更豐富的OAM功能和故障診斷能力,并可以支持網絡保護,同時AAU和BBU/DU設備不需要彩光光模塊,避免了無線設備進行波長分配和管理的復雜性。組網方面比較靈活,可支持環形、樹形和MESH型等多種網絡結構。

        但采用OTN承載方式需要考慮到其不足之處:OTN設備是有源的,在前傳的場景中,絕大多數是無機房的應用,小型化的OTN設備需要采用工業級器件,增加溫控能力,考慮更為嚴苛的環境應用和復雜的安裝條件;另一方面,傳統OTN設備的成本較高,如果規模部署,OTN設備用量巨大,相關功能采用ASIC實現,可以大幅降低設備成本。

        隨著大顆粒集客、家寬上聯等業務需求,中國移動OTN也在逐步向邊緣下沉,此時共用OTN可以進一步攤薄成本,并適應未來大業務量發展。

        2.3  方案三:WDM-PON

        PON星型組網結構契合5G前傳需求,是一種比較合適的解決方案,但由于WDM-PON技術不夠成熟,因此目前采用PON做前傳是考慮比較少的方式,在滿足5G前傳時,WDM PON需要具有以下特點:

        (1)線路速率0.6~10GBps,單PON口支持多速率,用戶側支持多種接口類型。由于中國移動部分LTE基站也采用拉遠方式,5G建設初期基本與LTE同站址,因此存在多種制式基站共站址方式,此時要求WDM-PON具備多速率承載的能力,在同一個PON口下,不同波長可以對應不同的傳輸速率,以滿足不同無線制式基站承載的要求。

        (2)傳輸距離10~40km。CPRI接口一般傳輸距離要求不小于10公里。根據中國移動實際網絡情況和BBU/DU集中規模,城區BBU/DU-AAU間的光纜傳輸距離一般在4公里以內;農村地區BBU/DU-AAU間的光纜傳輸距離一般在10公里以內。

        (3)傳輸時延<200us,頻率抖動<0.002ppm,頻率同步±0.05ppm,時間同步<±8.138ns。WDM-PON設備應具備完善的同步接口,支持時間和頻率同步功能。

        (4)此外,WDM PON系統用于移動前傳,還需要具備轉發功能、糾錯功能、成幀功能、保護功能和光鏈路診斷功能。

        總之,WDM PON 提供了豐富的帶寬、時延小并且安全性好,能很好的滿足5G基站前傳的帶寬需求,可作為未來前傳的主要技術選擇之一。但目前業界WDM-PON尚缺成熟商用技術,器件成本高昂,大規模應用需要降低系統成本和無色ONU技術。

        2.4  方案四:IP+光

        前傳網中也可采用IP+光方案,其大帶寬和低時延特點,可以很好滿足5G基站前傳需求:

        在業務帶寬能力方面:IP+光方案為5G基站前傳提供了靈活的承載方案,一方面利用IP的特性適應各種帶寬需求場景,IP分組技術使BBU/DU和AAU之前的帶寬利用利更高,前傳網絡的資源得到高效應用;另一方面,用光層剛性管道的大帶寬提供能力適應前傳的大帶寬需求。

        在業務時延保障方面:針對低時延的前傳要求,IP+光可分別在IP層和光層采用專屬低時延解決方案。在IP層采用設備級超低時延轉發技術,在設備轉發芯片內,通過以太幀的前導碼將報文分為普通和加速兩類,對加速類報文采用搶占普通報文資源和Cut-through轉發方式,可將節點的電層處理時延從幾十毫秒減低到幾毫秒。在光層采用光層穿通的方式,僅對需要接入或落地的業務波長進行電層處理,其它波長直接在光層穿通,實現業務一跳直達。

        IP+光方案可以很好地滿足帶寬和時延的需求,但該方案技術方面仍需進一步推動和研發,仍未有真正商用的產品,但卻給中國移動5G前傳部署提供了一種新的技術方案選擇。

        2.5  方案對比

        光纖直驅、WDM/OTN、WDM-PON、IP+光等各種技術方案各有優缺,中國移動必須結合現有實際網絡情況和未來業務發展需求、網絡部署規劃等多方面因此綜合考慮:

        從滿足前傳的需求方面看,光纖直驅、WDM/OTN、WDM-PON方案較適合提供承載剛性管道的能力,而IP+光由于本身具體分組和光的能力,可以很好適應5G前傳的部分場景;另一方面,在時延滿足度上看,上述幾種方案都可以很好的滿足時延的要求,只不過由于光器件引入的時延略有差異會導致傳輸距離不完全相同,但是總體上說都在一個數量級別。

        從組網靈活性上看,光纖直驅、WDM-PON方案適合點到點組網、鏈型組網,而WDM/OTN、IP+光方案適合點到點組網、鏈型組網和環型組網等多種組網方式,同時支持單纖雙向和雙纖雙向傳輸方式,滿足無線網絡各種組網方式的需求。同時,環型組網時能夠實現線路側1+1保護,提高了業務的安全性。

        從光纖資源消耗上看,直驅光纖消耗資源最多,其它方案相當。但如何部署需要結合現有網絡光纖及系統建設情況,如:對于規模部署了PON網絡的區域來說,合理利用現網的資源加以改造,WDM-PON也是一個很好的選擇;而對規模部署了LTE基站前傳的區域來說,結合當前的前傳方案開展4G/5G前傳的規劃則是更加明智的選擇。

        從前傳網管理上看,光纖直驅和WDM方式的前傳管理只能依賴AAU和BBU/DU單元本身,相關的故障檢測也只能依賴于AAU和BBU/DU有限的監控管理字段,其它幾種方案借助相應的字節開銷、OSC、ESC等手段在網絡管理方面的能力則較強,在故障管理、性能管理、安全管理、配置管理、維護管理和系統管理等方面更加便捷。對比如表1所示。

        表1    前傳方案對比表

        前傳方案
        時延
        組網靈活性
        光纖消耗
        管理能力
        技術成熟度
        投資
        光纖直驅
        滿足
        點到點、星型
        成熟
        較低
        WDM-PON
        滿足
        點到點、星型
        不成熟
        一般
        WDM
        滿足
        點到點、星型
        適中
        成熟
        較低
        OTN
        滿足
        點到點、星型、環形
        適中
        成熟
        IP+光
        滿足
        點到點、星型、環形
        適中
        成熟

        總之,以上方案各有優缺,適用的場景也各不相同;從目前階段來看,光纖直驅更合適;但隨著規模部署,WDM、OTN方案也具有一定優勢;隨著WDM-PON技術成熟,采用WDM-PON也不失很好的一種方案選擇。中國移動現網實際情況多種多樣,在實際網絡部署時,宜根據實際場景選擇合適的技術和方案,達到性價比、運維管理等多方面合適的解決方案,滿足各種前傳承載需求。

        3   小結

        中國移動的5G網絡建設在即,如何合理的規劃部署前傳網絡,也是5G網絡建設的重要一環,以上方案僅根據目前的技術和網絡情況略作探討,僅供大家參考,未來隨著技術的進步和網絡的演進,前傳方案也許有更好的解決方案。★

        作者:王迎春 李勇   來源:《移動通信》

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        本文關鍵字: 中國移動11, 網絡21, 移動11, 測試1, 4G4, 光纖25, 基站10, 光纜18, WDM28, OTN20, 光分插復用器1, CCSA1, ASIC1, PON20, LTE3, IP13, OSC1

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