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中国移动5G前传承载方案探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/9/12 17:33 )

摘要:5G已蓄势待发,中国移动5G的中回传解决方案已基本确定,但对于5G前传的承载方案尚未进行深入研究,为此就前传提出几种解决方案,并分析其优劣和应用场景分析,为后期5G前传网络建设提供参考。

1   背景

5G已蓄势待发,中国移动也开始了5G的现网试点测试。5G的架构相比4G有较大变化,如图1所示:

图1    4G与5G结构对比示意图

5G时代的网络结构相比4G有所调整,重构为AAU-DU-CU-核心网四部分,相应的承载也分为三段:AAU-DU间称为前传,DU-CU间称为中传,CU-核心网间称为回传。对于中回传段落,目前中国移动已经基本确定其承载方案,但前传解决方案直接影响未来机房、电源、管线等的规划和建设,因此,有必要在5G正式商用之前进行前传方案的研究和探讨。

2   前传的几种解决方案

5G前传目前公认的接口类型有CPRI接口和eCPRI接口两种,其中CPRI接口速率为100GE,eCPRI接口速率为25GE,有以下几种解决方案:

2.1  方案一:光纤直驱

前传中CPRI和eCPRI接口一般的传输距离控制在10公里内,因此可在BBU/DU与每个AAU的端口间全部采用点到点光纤直连。

该方案简单易行,可满足前传承载需求。根据调研,目前各个无线设备厂家一个5G基站前传需要2-12芯,一个BBU/DU考虑收敛10-20个AAU考虑,则需要消耗大量光纤资源,BBU/DU侧光纤管理要求高,出口的管道、光缆资源成为此方案的瓶颈。从技术方案上来看,也可以通过AAU级联来减少光纤资源的消耗,同时无线侧设备通过前传信号自身可完成光纤直驱线路的保护、OAM和网络管理。因此,该方案的特点是部署成本比较低,但受限于末端光纤资源,适用于光纤资源丰富和BBU/DU小规模集中场景。

结合中国移动的实际网络情况,大部分应用场景中现网光纤资源无法满足5G前传光纤资源需求,需要新建光缆,新建光缆时宜采用大芯数环网架构(类似综合业务接入区的主干光缆网),如图2所示,根据规划接入AAU数量选用144-288芯光缆,在每个节点终端12-24芯光纤,并通过联络光缆与汇聚机房相连。采用此部署方式,可避免BBU/DU机房大量小芯数光缆集中,对管道造成极大压力;此方式要求提前对部署节点进行预测并进行大芯数光缆部署。

图2    前传光缆网建设方案示意图

但在实际网络建设时,AAU的建设是逐步进行,采用大芯数光缆环形组网仍存在一定的不确定性,也可采用星型光缆连接,为避免对机房出口管道的影响,可在BBU/DU机房出口部署大芯数光缆、在机房附近设置光缆分纤点方式,将大芯数光缆分成多条小芯数光缆,再按需连接至各个AAU。

2.2  方案二:WDM/OTN

对于现有光纤资源有限、且新建光缆有困难时,也可采用WDM/OTN方案。

(1)WDM承载方案

WDM技术已经非常成熟,采用无源合分波+彩光直驱方案,BBU/DU和AAU上的光模块分别采用带波长的彩光模块,在BBU/DU前端配置光合分波器OMD,AAU节点配置光分插复用器OAD,采用WDM技术,可以大幅节约光纤资源的消耗。WDM设备对前传业务采用纯透传处理,因而对时延特性影响极为有限。缺点在于:彩光光模块会对AAU基站管理提出新的要求,无法采用信号复用技术提高波长利用率,业务的OAM管理功能有限。另外,每个BBU/DU与AAU波长连接在物理上是点对点的连接,因此功率预算是彩光直驱需要考虑的关键问题。目前CCSA正在讨论制定“城域接入型波分复用(WDM)系统技术要求”,使其更适合无线基站前传需求。

该方案要求BBU/DU与AAU间很好地规划彩光波长,因此在实际部署和维护管理中相对复杂。

(2)OTN承载方案

为减少AAU和BBU/DU间波长规划,也可通过OTN方式承载。接入OTN设备客户侧,映射和复用成高速的OTN信号并转换成彩光接口,进行波分复用后在一根或一对光纤中传输,大幅节省光纤资源。

该方案采用OTN技术进行信号复用还可以提高波长利用率,利用OTN开销字节提供更丰富的OAM功能和故障诊断能力,并可以支持网络保护,同时AAU和BBU/DU设备不需要彩光光模块,避免了无线设备进行波长分配和管理的复杂性。组网方面比较灵活,可支持环形、树形和MESH型等多种网络结构。

但采用OTN承载方式需要考虑到其不足之处:OTN设备是有源的,在前传的场景中,绝大多数是无机房的应用,小型化的OTN设备需要采用工业级器件,增加温控能力,考虑更为严苛的环境应用和复杂的安装条件;另一方面,传统OTN设备的成本较高,如果规模部署,OTN设备用量巨大,相关功能采用ASIC实现,可以大幅降低设备成本。

随着大颗粒集客、家宽上联等业务需求,中国移动OTN也在逐步向边缘下沉,此时共用OTN可以进一步摊薄成本,并适应未来大业务量发展。

2.3  方案三:WDM-PON

PON星型组网结构契合5G前传需求,是一种比较合适的解决方案,但由于WDM-PON技术不够成熟,因此目前采用PON做前传是考虑比较少的方式,在满足5G前传时,WDM PON需要具有以下特点:

(1)线路速率0.6~10GBps,单PON口支持多速率,用户侧支持多种接口类型。由于中国移动部分LTE基站也采用拉远方式,5G建设初期基本与LTE同站址,因此存在多种制式基站共站址方式,此时要求WDM-PON具备多速率承载的能力,在同一个PON口下,不同波长可以对应不同的传输速率,以满足不同无线制式基站承载的要求。

(2)传输距离10~40km。CPRI接口一般传输距离要求不小于10公里。根据中国移动实际网络情况和BBU/DU集中规模,城区BBU/DU-AAU间的光缆传输距离一般在4公里以内;农村地区BBU/DU-AAU间的光缆传输距离一般在10公里以内。

(3)传输时延<200us,频率抖动<0.002ppm,频率同步±0.05ppm,时间同步<±8.138ns。WDM-PON设备应具备完善的同步接口,支持时间和频率同步功能。

(4)此外,WDM PON系统用于移动前传,还需要具备转发功能、纠错功能、成帧功能、保护功能和光链路诊断功能。

总之,WDM PON 提供了丰富的带宽、时延小并且安全性好,能很好的满足5G基站前传的带宽需求,可作为未来前传的主要技术选择之一。但目前业界WDM-PON尚缺成熟商用技术,器件成本高昂,大规模应用需要降低系统成本和无色ONU技术。

2.4  方案四:IP+光

前传网中也可采用IP+光方案,其大带宽和低时延特点,可以很好满足5G基站前传需求:

在业务带宽能力方面:IP+光方案为5G基站前传提供了灵活的承载方案,一方面利用IP的特性适应各种带宽需求场景,IP分组技术使BBU/DU和AAU之前的带宽利用利更高,前传网络的资源得到高效应用;另一方面,用光层刚性管道的大带宽提供能力适应前传的大带宽需求。

在业务时延保障方面:针对低时延的前传要求,IP+光可分别在IP层和光层采用专属低时延解决方案。在IP层采用设备级超低时延转发技术,在设备转发芯片内,通过以太帧的前导码将报文分为普通和加速两类,对加速类报文采用抢占普通报文资源和Cut-through转发方式,可将节点的电层处理时延从几十毫秒减低到几毫秒。在光层采用光层穿通的方式,仅对需要接入或落地的业务波长进行电层处理,其它波长直接在光层穿通,实现业务一跳直达。

IP+光方案可以很好地满足带宽和时延的需求,但该方案技术方面仍需进一步推动和研发,仍未有真正商用的产品,但却给中国移动5G前传部署提供了一种新的技术方案选择。

2.5  方案对比

光纤直驱、WDM/OTN、WDM-PON、IP+光等各种技术方案各有优缺,中国移动必须结合现有实际网络情况和未来业务发展需求、网络部署规划等多方面因此综合考虑:

从满足前传的需求方面看,光纤直驱、WDM/OTN、WDM-PON方案较适合提供承载刚性管道的能力,而IP+光由于本身具体分组和光的能力,可以很好适应5G前传的部分场景;另一方面,在时延满足度上看,上述几种方案都可以很好的满足时延的要求,只不过由于光器件引入的时延略有差异会导致传输距离不完全相同,但是总体上说都在一个数量级别。

从组网灵活性上看,光纤直驱、WDM-PON方案适合点到点组网、链型组网,而WDM/OTN、IP+光方案适合点到点组网、链型组网和环型组网等多种组网方式,同时支持单纤双向和双纤双向传输方式,满足无线网络各种组网方式的需求。同时,环型组网时能够实现线路侧1+1保护,提高了业务的安全性。

从光纤资源消耗上看,直驱光纤消耗资源最多,其它方案相当。但如何部署需要结合现有网络光纤及系统建设情况,如:对于规模部署了PON网络的区域来说,合理利用现网的资源加以改造,WDM-PON也是一个很好的选择;而对规模部署了LTE基站前传的区域来说,结合当前的前传方案开展4G/5G前传的规划则是更加明智的选择。

从前传网管理上看,光纤直驱和WDM方式的前传管理只能依赖AAU和BBU/DU单元本身,相关的故障检测也只能依赖于AAU和BBU/DU有限的监控管理字段,其它几种方案借助相应的字节开销、OSC、ESC等手段在网络管理方面的能力则较强,在故障管理、性能管理、安全管理、配置管理、维护管理和系统管理等方面更加便捷。对比如表1所示。

表1    前传方案对比表

前传方案
时延
组网灵活性
光纤消耗
管理能力
技术成熟度
投资
光纤直驱
满足
点到点、星型
成熟
较低
WDM-PON
满足
点到点、星型
不成熟
一般
WDM
满足
点到点、星型
适中
成熟
较低
OTN
满足
点到点、星型、环形
适中
成熟
IP+光
满足
点到点、星型、环形
适中
成熟

总之,以上方案各有优缺,适用的场景也各不相同;从目前阶段来看,光纤直驱更合适;但随着规模部署,WDM、OTN方案也具有一定优势;随着WDM-PON技术成熟,采用WDM-PON也不失很好的一种方案选择。中国移动现网实际情况多种多样,在实际网络部署时,宜根据实际场景选择合适的技术和方案,达到性价比、运维管理等多方面合适的解决方案,满足各种前传承载需求。

3   小结

中国移动的5G网络建设在即,如何合理的规划部署前传网络,也是5G网络建设的重要一环,以上方案仅根据目前的技术和网络情况略作探讨,仅供大家参考,未来随着技术的进步和网络的演进,前传方案也许有更好的解决方案。★

作者:王迎春 李勇   来源:《移动通信》

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