「唯」觀點 | 光纖在5G前傳中的角色演變和技術標準

光纖在5G中將無處不在

前傳/中傳/回傳

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

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

  為了使網絡建設更成功，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絡核心和云的射頻資源，其重要性也不亞于此。而在大多數情況下，射頻和5G云之間的連接將由光纖構成。

  事實上，5G 是促使服務提供商投資數十億來進行新光纖部署以及升級光纖基礎設施的關鍵原因之一。

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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，隨著復用技術的改進，可以適應在相同光纖基礎設施上的容量增長需求。

  除了商業(yè)和物流方面，以下5G網絡架構的變化將推動光纖基礎設施的發(fā)展和拓撲結構：

  ①5G對中頻和毫米波的支持將導致城市和郊區(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區(qū)域。

  ②網絡功能虛擬化(NFV)將允許分離控制面和用戶面，對于低延遲應用，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，以根據應用的需要優(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(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鍵用例——是光纖在接入網中的匯聚。在過去，光纖接入網是為單一的應用而設計的(即光纖入戶或光纖到天線)。現在，服務提供商正在設計能夠支持光纖到 x(即 FTTx，x = 任何東西)的光纖基礎設施。5G 分散架構將允許服務提供商利用現有和新的固定網絡資源，以降低管理多個網絡的總體成本，并實現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在可以通過對接入站點和光纖基礎設施的整體規(guī)劃和升級來實現。

  總之，5G服務的光纖網絡拓撲結構將根據暗光纖(不發(fā)光的可用光纖，也稱為灰纖)的數量和成本、網絡上支持不同 5G 應用的用例、光纖升級的業(yè)務案例，以及管理多個 FTTx 網絡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絡，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，不僅在核心網絡，而且在城域網和接入網中都是如此。同樣，移動網絡用戶對更高帶寬和更高容量服務的渴求，也推動著光纖在無線接入網絡 (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，無線電設備已經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字設備(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 與核心移動網絡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是通用公共無線接口 (CPRI)協議。

  CPRI 提供專為在 RRU 和 BBU 之間傳輸無線電波形設計的專用傳輸協議。CPRI 框架會隨著無線電信道帶寬和天線元件數的增加而擴展。CPRI 在統計多路復用方面效率不高，無法根據 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 網絡部署而言，這些帶寬分配將非常昂貴。3GPP、IEEE、ITU-T 等標準機構一直致力于：

  01研究 BBU 功能的不同拆分選項(如圖 2 所示)及其含義

  02確定針對不同應用和服務的最佳要求(吞吐量、延遲、抖動等)

  03確定劃分不同 BBU 功能以滿足應用和網絡需求的潛在挑戰(zhàn)和解決方案

  04針對靈活前傳拆分提供指導

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

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

  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 類型應用嚴格的延遲需求。

  c.優(yōu)化協調特性(例如協調多點 (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，根據應用類型，DU 可能非常接近 RU 或集中放置。例如，對于諸如移動性或協調多點 (CoMP) 之類的協調應用，DU 的集中放置更有意義。

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

  使用以太網在前傳上進行傳輸很有意義，因為它可以向后兼容，考慮到了商品設備，使接入網絡更加融合，并能實現統計多路復用，從而可幫助降低集合比特率要求。使用標準 IP/以太網網絡交換/路由也將使得功能虛擬化和整體網絡編排可以相對輕松完成。

eCPR

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

  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 通過前傳傳輸網絡連接 eCPRI 無線電設備控制 (eREC) 和 eCPRI 無線電設備 (eRE)。與 CPRI 相比，eCPRI 的目標是通過功能分解降低 eREC 和 eRE 之間的數據速率需求，同時限制 eRE 的復雜性。此外，eCPRI 設計為可通過基于分組的前傳傳輸網絡(比如 IP 或以太網)實現高效而靈活的無線電數據傳輸。