【技术】5G 承载网光模块测试挑战

2019-08-08 Keysight

本文的主要内容有:

  • 5G承载网络的架构变化

  • 5G承载网的宽带需求

  • 5G承载网新型前传技术

  • ……


5G承载网络的架构变化

众所周知,5G无线移动通信技术已经成为我们国家的一个非常重要的战略方向和推动社会进步的革新技术。5G的商用化离不开一个成熟稳定的通信网络,因此,5G网络是商用化过程中非常重要的基础设施。

虽然称之为无线移动通信,实际上只有从终端到基站间的无线接入网(RAN:Radio Access Network)部分是走的无线信号,基站之后的数据传输都是依赖于一个稳定可靠的光承载网络(OTN:Optical Transport Network)。

5G技术需要同时兼顾高带宽(eMMB:Enhanced Mobile Broadband)、高可靠低时延(uRLLC:Ultra Reliable & Low Latency Communication)、大连接(mMTC:MassiveMachine Type Communication)等多种应用场景,这对网络建设提出了很多全新的要求。光承载网络的带宽、覆盖能力、时延、可靠性、定时精度、扩展能力等直接影响到5G网络能够提供的服务质量。下图是5G承载网相对于4G时代的架构变化以及不同业务对于时延的要求。

(来源:5G-Oriented OTN Technology,NGOF组织,2018.3)。


5G的光承载网络相对于4G来说有几个比较大的变化。首先,5G的网络带宽比4G高1~2个数量级,同时时延可以比4G小1个数量级,这是网络本身带宽和时延性能的提升。其次,5G承载网络的架构和4G也有一些比较大的区别, 比如说4G的时候,是BBU(基带单元)和RRU(射频拉远单元)之间用光纤通过CPRI协议来进行射频单元拉远的。

在5G时代的话,我们可能会把BBU的一些功能再做一些分配。比如说把一些跟波束成形和大规模MIMO有关的一些物理层底层功能和射频部分及天线放在一起,这在5G里面称为AAU(Active Antenna Unit,即有源天线单元)。另外,会把一部分对实时性要求比较高的业务(如无线链路控制、物理层高层功能等)放在DU(Distribute Unit,即分布单元)里面,并把一些跟时延不太敏感的业务(比如无线资源控制、分组数据汇聚等)放在CU(CentralizedUnit,即集中单元)里面。


因此,整个的5G的光纤承载网络就分为了前传(Fronthaul)、中传(Midhaul)和回传(Backhaul)几个部分。根据具体的组网需求,也可能把某些部分合并,比如可以把DU和CU合并在一起,这样就没有中传了;回传部分连接的是核心网,核心网这部分正在慢慢地云化,可能更多的会使用一些类似数据中心的技术。


5G承载网络跟4G网络相比一个比较大的变动在前传部分。在4G移动通信时代,普遍采用的前传技术是用6Gbps或10Gbps的光纤承载CPRI(CommonPublic RadioInterface)协议进行射频前端的拉远。CPRI是直接把射频前端数字化后的I/Q数据映射到数据帧里进行传输,由于有固定的帧结构,时延稳定性和定时特性都比较好。


但到了5G时代,由于更高带宽、更复杂调制方式及MIMO(大规模阵列天线)技术的采用,使得射频通道直接映射下来的I/Q数据量可能比4G增加了几十倍,直接采用光纤进行传输的实现成本太高。于是,CPRI组织在2017年发布了eCPRI的标准(CPRIOver Ethernet),这个标准中把原来BBU一部分物理层的底层功能和射频单元放在一起(合称 AAU),对射频的I/Q数据流进行一些预处理,把真正的业务数据提取出来再通过以太网协议进行传输,从而大大压缩了对于前传网络的带宽需求。


另外,由于以太网技术本身的组网和数据交换更加灵活,更适合大规模组网,网络架构调整的灵活性也更高,所以eCPRI逐渐并已经成为5G承载网前传拉远的主要协议。但同时,这也带来了AAU复杂度和功耗的增加,以及以太网传输需要解决的精确授时和时延抖动问题。


5G承载的宽带需求

由于5G移动通信带宽的提升,所以对光纤的传输带宽的要求是很高的,这里可以参考IMT-2020 5G推进组发布的白皮书里一些带宽需求的计算。可以看到,对于低频基站,一个基站本身的带宽需求可能在5Gbps左右,高频基站可能到15Gbps左右(参考资料:5G承载需求白皮书,IMT-2020 5G推进组,2018.6)。如果参数改变,比如低频的频谱资源变为160MHz,对带宽的需求量还有可能会增加。

由于5G承载网对于光传输带宽的要求是很高的,所以必然会采用一些更高速率的光连接技术和光模块。传统4G承载网的前传网络主要是采用10Gbps及以下的CPRI的拉远技术,而5G的前传对于与带宽的需求会以25Gbps的eCPRI为主,甚至会到50Gbps。前传部分除了需要提供更高的带宽和更小的时延以外,还需要考虑到5G由于采用更高频段,覆盖能力较差,所以基站密度会比4G更大。


2019年6月,工信部给正式发布了4张5G的商用牌照,分别是中国移动(2.6GHz/4.9GHz)、中国联通(3.5GHz)、中国电信(3.5GHz)、中国广电(700MHz/4.9GHz)。这些频点普遍比现有4G移动通信使用的2GHz左右的频点要高,未来如果采用毫米波技术,面临的覆盖问题会更加严峻。因此,如何更有效地利用现有的一些光纤技术去传输更高带宽和支持更多的用户,是对5G前传网络比较大的挑战。


考虑到前传网络的密集程度,25Gbps的光模块可能会是5G承载网上出货量最大的光模块。在中回传部分,考虑到流量的汇聚,光接口速率会以50Gbps和100Gbps为主;在回传或者核心网部分,其带宽的需求可能会到200Gbps或400Gbps以上。


大量高带宽的传输需求会直接增加光纤铺设和光模块购置成本,所以,一方面要有一些技术更有效的利用当前的光纤资源,另一方面也要通过一些技术去降低光模块的成本,以节省整体网络建设的费用。下表是对于5G承载网光模块速率需求的分析。

(参考资料:5G 承载需求白皮书,IMT-2020 5G 推进组,2018.6)

业内预计2020年5G网络会开始小规模商用,基站规模可以达到60万个以上;在未来5~10年大规模商用后,宏基站加上小基站的规模会达到千万级别以上。在建设的前期,考虑的主要是网络覆盖的问题;而在建设的后期,业务流量上来之后,需要考虑的是网络带宽的问题。因此,在承载技术的选择上也要考虑未来的扩容及升级能力。


5G承载网新型前传技术

5G承载网络要满足大带宽、低延时、广覆盖的要求,同时由于接入基站数量的增加又使得光纤资源和成本的压力非常大,这点在前传部分体现尤为明显。因此,更具不同的应用场景和不同运营商的现有网络特点,在5G承载网里出现了很多种不同的前传技术。下表列出了5G承载网里几种主要的前传技术。

可以看到,除了比较传统的双纤双向光纤直连以外,还有单纤双向、PON、无源WDM、有源WDM等多种前传接入方式。这些接入技术并不都是全新的,很多一直在其它领域存在,只是之前并没有广泛应用于无线基站的接入。下面逐一进行介绍。


BiDi(Bi-Direction)技术

BiDi就是单纤双向,即在一根光纤里用两个波长实现信号的双向传输,使用BiDi技术的主要优点是节省光纤资源,以及提高定时精度。传统的光模块都是双纤双向,就是两根光纤一根发一根收,采用BiDi技术后收发共用一根光纤,就节省了一半的光纤资源,这对于光纤资源稀缺的地方尤其重要。


另外,采用BiDi技术还有利于使用eCPRI协议时提高网络定时精度。eCPRI协议是用以太网数据包承载数据的,而以太网数据包的长度和时延具有不确定性,不象传统的 CPRI那样有固定的帧格式和定时信息,所以需要通过IEEE1588协议(IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol forNetworked Measurement and Control Systems)进行授时。

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而1588协议的时间同步机制要求进行通信的两个设备间的收发路径时延差异尽可能小。如果收发分别采用两根光纤,很难从长度上保证精确的等长,但如果收发是用同一根光纤,则时延的一致性就可以做得比较好。目前,市面上已经出现了一些25G和50G的BiDi模块,IEEE 802.3cp工作组也在制定相关规范。

PON(Passive optical network)?

PON即无源光网络,这个技术在FTTH(光纤到户)等接入网领域已经广泛应用。在5G承载网中,PON最大的好处是可以多个ONU(OpticalNetwork Unit)节点通过时分复用的方式共用一根光纤来和OLT(Optical LineTerminal)进行通信,所以说可以大大节省光纤资源解决一些分散用户接入的问题。但由于PON是通过时分复用共享网络带宽的,每个节点分配到的实际带宽是有限的,所以主要用于小基站接入或者解决建网初期的覆盖问题。下图是PON的典型工作原理。

无源波分复用(Passive WDM)

为了提高单根光纤的传输容量,还有一种常用的技术是WDM(Wavelength Division Multiplexing,即波分复用),就是用多个波长复用同一根光纤。

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WDM也有不同的方案,比如一种是无源WDM,就是说多个光模块使用不同的波长,通过无源的波长选择器件直接复用到一根光纤上去。用在无源WDM里的光模块有多种可能性,一种是把光模块的波长做成可调的,这样在组网的时候,每个光模块可以根据网络需要去配置波长,这从运维角度比较方便,但是25G速率的可调谐激光器成本比较高;另一种是采用一批不同固定波长的光模块,实际使用中人为做一些组合,这样光模块成本较低,但后续维护的难度和工作量比较大。

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无源波分复用可以是粗波分复用也可以是密集波分复用,如果采是粗波分复用,可以用4个波长8个波长或者稍微再多一些的多个O波段的信号去做波长复用。无源密集波分复用的代表是下图是由中国联通提出,并经ITU-T组织于2018年审议通过的G.698.4规范(原G.Metro规范,参看下图)。在其应用场景,通过AAU里的可调谐光模块(即TEE:Tail-EndEquipment),用DWDM技术实现几十个AAU复用1根光纤实现双向通信。

(参考资料:ITU-T G.698.4.Multichannel bi-directional DWDM applications withport agnostic single-channel optical interfaces,2018.3)

有源波分复用(Active WDM)

有源WDM就是通过传输网设备来接入基站,并基于传输网技术进行多个波长的复用。传输网的技术已经非常成熟,也有非常成熟的网管信息,维护比较简单。但这种技术需要增加传输网设备,用于前传部分的话组网成本会比较高。相比无源波分方案,有源波分/OTN方案有更加自由的组网方式,可以支持点对点及组环网两种场景。下图是有源WDM的典型接入场景。

?(参考资料:5G时代光传送网技术白皮书,中国电信,2017.9)

需要注意的一点是,以上介绍的几种技术并不一定是单一使用的,很多时候会组合使用。在5G网络的不同建设阶段,也可能会采用不同的技术。比如说初期、中期、后期的业务量是不一样的,要解决的覆盖问题也是不一样的,可能多种技术在比较长的一段时间内会共存。不同的运营商根据不同的用户接入场景,也会有不同的技术路线的选择,比如有些使用25G BiDi和50G BiDi+WDM,有些采用WDM+PON,还有些采用波长可调谐+无源WDM技术等。


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