「唯」观点 | 光纤在5G前传中的角色演变和技术标准

光纤在5G中将无处不在

前传/中传/回传

  与LTE不同，5G将影响网络的每一个节点组件，并在不同的应用上提供从增强移动宽带到同一网络上的超可靠低延迟。

  5G网络将需要对资源进行优化，使每个应用都能满足该应用的特定SLA。但同时也存在着一些挑战：射频、光纤、硬件和网元等5G网络资源虽然可在宏观层面上共享，但需要为每个具体应用提供单独的颗粒级网络。例如，用户在联网汽车中观看视频将需要更高的吞吐量、更大的射频和网络资源，而同一辆联网汽车则需要超低延迟和可靠的连通性。

  为了使网络建设更成功，所有资源都必须灵活而敏捷地以有效方式提供不同的 SLA。我们都知道将每个用户连接到基站发射塔或接入点的射频资源的价值，但对于5G的成功交付而言，将该接入点连接到网络核心和云的射频资源，其重要性也不亚于此。而在大多数情况下，射频和5G云之间的连接将由光纤构成。

  事实上，5G 是促使服务提供商投资数十亿来进行新光纤部署以及升级光纤基础设施的关键原因之一。

  本文来自VIAVI唯亚威知乎专栏，欢迎点击微信公众号菜单「技术支持-知乎专栏」，阅读5G和光纤检测更多精彩解读。

  光纤在 5G 中的角色

  虽然部署光纤的成本很高，但在大多数情况下，与部署所面临的挑战相比，它带来的好处更大。光纤以更少的衰减提供更高的带宽，可抵抗电磁干扰，能够提供更低的延迟，并且，随着复用技术的改进，可以适应在相同光纤基础设施上的容量增长需求。

  除了商业和物流方面，以下5G网络架构的变化将推动光纤基础设施的发展和拓扑结构：

  ①5G对中频和毫米波的支持将导致城市和郊区环境中基站的显著增长。毫米波使用大量的频谱;然而，毫米波的覆盖范围是有限的。这将推动大量的基站部署在更小的服务区域。

  ②网络功能虚拟化(NFV)将允许分离控制面和用户面，对于低延迟应用，分散的用户面将更靠近终端。

  ③划分基带功能并创建称为分配单元(DU)和集中单元(CU)的新节点实体，以根据应用的需要优化传输功能。

  ④支持大规模 MIMO 和波束成形的有源天线系统(AAS)需要更高的带宽和直接光纤连接，这将使更多的光纤下移， 并创建额外的传输节点。

  光纤投资的另一个关键用例——是光纤在接入网中的汇聚。在过去，光纤接入网是为单一的应用而设计的(即光纤入户或光纤到天线)。现在，服务提供商正在设计能够支持光纤到 x(即 FTTx，x = 任何东西)的光纤基础设施。5G 分散架构将允许服务提供商利用现有和新的固定网络资源，以降低管理多个网络的总体成本，并实现更敏捷和灵活的资源池。如前所述，固定和移动资源的共享现在可以通过对接入站点和光纤基础设施的整体规划和升级来实现。

  总之，5G服务的光纤网络拓扑结构将根据暗光纤(不发光的可用光纤，也称为灰纤)的数量和成本、网络上支持不同 5G 应用的用例、光纤升级的业务案例，以及管理多个 FTTx 网络的成本而变化和演变。

5G 前传的演变

  不久以前，光纤还只用于长途网络，但随着宽带持续且稳定地增长，光纤已成为主要的传输介质，不仅在核心网络，而且在城域网和接入网中都是如此。同样，移动网络用户对更高带宽和更高容量服务的渴求，也推动着光纤在无线接入网络 (RAN) 中更深、更高层次的采用。

  随着无线电变得更强大和平均更换时间(MTTR)的逐步改善，供应商也开始提供远程无线电解决方案。为了避免长同轴电缆和连接器造成的大量损耗，无线电设备已经移到离天线更近的地方。这一策略不仅有助于改善射频足迹，还降低了位于或靠近发射塔底部的无线电设备外壳的冷却成本。

  但是，为了支持远程射频单元(RRU)，引入了新的接口。这些接口将通过物理光纤链路将数字设备(也称为基带单元 (BBU))连接到 RRU。在 BBU 和 RRU 之间引入的新链路称为前传，这与将 BBU 与核心移动网络连接的回传形成了对比。用于通过光纤前传传递射频信息的最常用技术是通用公共无线接口 (CPRI)协议。

  CPRI 提供专为在 RRU 和 BBU 之间传输无线电波形设计的专用传输协议。CPRI 框架会随着无线电信道带宽和天线元件数的增加而扩展。CPRI 在统计多路复用方面效率不高，无法根据 5G 的需求进行扩展，尤其是对于大规模 MIMO 和更大的带宽增量。5G 场景所需的带宽和天线将使 CPRI 的带宽需求超过 100 Gbps(下图表 1)。

  对于规模更大的 5G 网络部署而言，这些带宽分配将非常昂贵。3GPP、IEEE、ITU-T 等标准机构一直致力于：

  01研究 BBU 功能的不同拆分选项(如图 2 所示)及其含义

  02确定针对不同应用和服务的最佳要求(吞吐量、延迟、抖动等)

  03确定划分不同 BBU 功能以满足应用和网络需求的潜在挑战和解决方案

  04针对灵活前传拆分提供指导

  除了带宽效率低的主要缺点外，CPRI 的延迟预算也非常有限。在实践中，这意味着 BBU 和 RRU 之间的距离将非常有限，而距离由延迟预算以及前传中部署的传输技术的类型决定。

  暗光纤是可实现最大距离的最简单的光纤。包含一些处理元件的传输设备可以减少延迟预算，有时甚至可以大幅降低延迟预算，正如光传输网络 (OTN) 一样。通常情况下，操作人员必须查看各个用例并进行权衡分析，以确定最佳传输技术。分析中的关键输入包括光纤和机房的可用性，以及无线电端点的数量和位置。以下是对前传供应商和服务提供商的高级要求：

  a.减少前传的比特率(容量使用)，特别是将前传使用从天线端口容量中分离出来，如同 CPRI 的情况一样。

  b.管理 URLLC 类型应用严格的延迟需求。

  c.优化协调特性(例如协调多点 (CoMP) 和载波聚合 (CA))的定时和抖动要求。

  d.减少间接成本和部署成本，因为光纤是一种昂贵的部署资源。

  为了满足这些需求，下一代的 RAN 已经取得了发展，BBU 执行的功能分为了三个部分：

  1中央单元 (CU)

  2分配单元 (DU)

  3射频单元 (RU)

  某些物理层无线电功能(例如资源映射)将迁移到 RU。RU 将监督天线的 I/Q 信号和无线电载波的产生，这将大幅减少前传上所需的比特率支持。

  CU 和 DU 之间的链路称为中传，中传的特性类似于 4G 回传。CU 带有非实时功能，从而允许将它放置在远离无线电的地方，根据应用类型，DU 可能非常接近 RU 或集中放置。例如，对于诸如移动性或协调多点 (CoMP) 之类的协调应用，DU 的集中放置更有意义。

  这种新的体系结构有助于解决带宽难题，并在延迟方面提供灵活性，从而驱动这些功能元素和网络支持的应用的位置。标准机构正在推动的一件事是，提供一种更灵活的基于分组的技术，用于在前传上传输用户面。

  使用以太网在前传上进行传输很有意义，因为它可以向后兼容，考虑到了商品设备，使接入网络更加融合，并能实现统计多路复用，从而可帮助降低集合比特率要求。使用标准 IP/以太网网络交换/路由也将使得功能虚拟化和整体网络编排可以相对轻松完成。

eCPR

  在讨论光纤回传、中传和前传拓扑结构之前，我们可以回顾一下5G前传接口的发展。eCPRI 技术以物理层 (PHY) 组件的功能拆分为基础。

  eCPRI 规范建议将拆分选项 IU 用于上行链路，并建议为下行链路部署 IID 或 ID，后者对于 3GPP 将映射到 7.x 拆分(如图 4 所示)。eCPRI 通过前传传输网络连接 eCPRI 无线电设备控制 (eREC) 和 eCPRI 无线电设备 (eRE)。与 CPRI 相比，eCPRI 的目标是通过功能分解降低 eREC 和 eRE 之间的数据速率需求，同时限制 eRE 的复杂性。此外，eCPRI 设计为可通过基于分组的前传传输网络(比如 IP 或以太网)实现高效而灵活的无线电数据传输。