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迎接5G前传网 光通信要有断代式创新发展魄力

发布时间:2018-01-01 点击数:190

当我们步入万物互联,5G改变社会的大连接时代,本期的硬科技观察让我们来看看为4G发明了PTN的徐荣博士是怎么看待5G的光前传的呢?



您认为5G光前传网对光通信的需求会带来什么样的变化?


迎接“光前传网”,光通信要有断代式创新发展的魄力!


5G各方面指标全面提高,主要表现在更快速率、更低时延、更多连接,峰值速率期望提升20倍至20Gbps,空口时延期望降低20倍至0.5ms,连接密度期望提高10倍至100万个/平方公里。5G将带来超高的频谱利用效率、超低的业务时延、超高的连接数密度、超低的功耗等,实现“信息随心至,万物触手及”的未来发展愿景。


1.1  5GNR断代式创新带来频谱效率显著提升,奠定了5G的核心竞争力


5G将采用更宽的无线频谱,并通过MassiveMIMO、高阶QAM等技术提升无线空口带宽,与4G网络相比,峰值带宽和用户体验带宽与4G网络相比提升了数10倍。MIMO同时使用了多个发射器和接收器,从而提高了数据速率要求。NR的性能增益主要来源于f-OFDMCRS freeSlot聚合、UCNC、新信道编码技术、控制信道资源共享等新技术的使用。

面向多样化的应用场景和通信需求,空口的无线资源也可以抽象为一类资源,实现无线资源与无线空口技术的解耦,包括频谱、功率、信道等,支持灵活无线网络能力调整,满足特定客户的定制化要求。

在引入网络功能虚拟化NFVNetwork Functions Virtualization)框架后,带来了无线资源灵活编排的可能。新框架可以实现无线网络能力的按需部署,新制式的快速部署,潜在的带来综合成本、无线协作化抗干扰、降低能耗等方面的明显优势。


1.2  5G核心网网元云化带来多级DC部署,切片与MEC下沉满足不同业务对时延/带宽的诉求


5G核心网络的架构相对于4G也发生了较大的变化。主要体现在核心网云化、转发和控制分离、网络切片、移动边缘计算MEC等方面。

采用基于软件定义网络/网络功能虚拟化(SDN/NFV)的虚拟化切片技术,可将核心网功能分布式部署为多个虚拟网元,切片化部署有利于5G的新业务开展,例如:URLLC业务的核心网切片将下沉到靠近基站的位置,从而满足对网络低时延的需求。网络切片可以将不同业务所需的网络资源灵活动态地分配和释放,并进一步动态优化网络连接,降低整网成本,提升效益。

5G将在移动网络上部署新的服务,包括处理密集型和延迟敏感的应用程序,如移动边缘计算、增强现实和智能交通等。将以前距终端较远的核心网用户面下沉,基于虚拟化技术将核心网物理实体分离成多个虚拟网元,分布在网络中,进行云化部署,地理位置上离终端更近,以减小时延。低时延要求将推动网络设备尽可能靠近网络边缘,集中式架构将增加对移动前端的要求,无线信号在公有点收集并处理,而不是完全在基站处理。多用途网络需要差异化,这种分化就是所谓的网络切片,将成为未来5G革命的重大关注点。



 


刚才您提到5G网络带宽会提升10倍,连接密度会提升10倍,具体会怎么实现呢?5G组网的标准是怎样的?



尽管带宽是5G的重要组成部分,但5G不仅仅是增加带宽。


2.1 带宽以10Gbit/s为最小单位,100Gbit/s是普遍


5G的峰值带宽是20Gbps,还需要使用6GHz以上的高频频段以及类似毫米波的更高频的频谱资源,由此带来对更高阶的MIMO天线阵的部署。相比4G LTE时代的4x88x8 MIMO5G时代可能是64x64,为此对于前传带来更高的带宽需求。另外,相比4G20GHz频带,5G需要100GHz频带,同样带来更高的带宽需求。

综合来看,5G前传的带宽需求在14-30Gbps之间。相对应于4G时代的1Gbps前传连接,5G将是10Gbps以上(可能是25Gbps)模块的天下,为了节省光纤资源,单纤双向的WDM系统也将成为必选技术。


2.2  5G走向高频段,短距离密集组网成为必然


5G不仅需要中低频段的频谱,还需要高频段频谱。在此情况下,5G基站数将增多,将是4G基站数的2倍乃至更多倍,这一来就有大量基站需要光互联。

集站密度也变得更大了。5G引入比现在3G/4G频段更高的3.5GHz6GHz+等新的频段后,理论上覆盖距离更短,为解决覆盖问题所需基站数量更多。另外,对于热点高容量地区,还会采用超密集组网。


2.3  高速大容量光传输才是超低时延的根本保证


5G时代,触觉互联网、自动驾驶等业务会逐渐引入和普及,这些uRLLC(超低时延)业务对时延要求为端到端1ms以内,分配给承载网的时延就更加苛刻。

WDM/OTN设备引入的时延相对其他技术来说要低很多,但5G前传网络对时延要求非常苛刻,前传光纤加传输设备总的时延要求在100μs左右。仅在组网方式上减少光纤路径缩短时延是不够的,设备引入的时延需要从以前的几十μs减少到10μs以内。可以通过减少缓存时间、自动调整缓存深度、内部若干处理步骤串行转并行、提升处理时钟频率、FEC模式优选、算法优化、光模块优化等多种技术,将设备引入的时延降到几μs量级。


2.4  5G接入网因CU/DU/AAU灵活设计,带来对基带池资源的高效率协同能力


3G/4G时代C-RAN在降低整体成本、无线协作化抗干扰、节能降耗、简化运维等方面就已经体现出一些优势。5G阶段采用C-RAN架构,将传统基站架构重构成为集中/分布单元CU/DUCentralized Unit/Distributed Unit)两级架构,更便于实现灵活的无线资源管理和功能灵活部署,满足移动边缘计算的需求,便于软硬件解耦,进一步增强无线网的软件化能力。

5G无线基站的密度更大,基站的协同和移动性切换问题驱动无线架构集中处理的无线接入网(C-RAN)化。在5GC-RAN架构下,RAN功能被重构为集中单元(CU)、分布单元(DU)和有源天线单元(AAU)这3个功能实体。CUDU之间按照RAN的高层功能划分。CU设备主要包括非实时的无线高层协议处理功能,采用通用平台实现,也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。DU设备主要处理物理层功能和实时HARQ流程、载波聚合等。对于大规模MIMO天线,部分物理层功能也可下移至RRU/AAU(有源天线单元)实现,以大幅减小RRU/AAUDU之间的传输带宽,降低传输成本。


2.5 云化协同的C-RAN设计,让BBU-AAU局内跳线连接升级为前传网络,并实现资源协同


为了实现更高的无线资源利用效率,业界提出了云无线接入网。其本质是将基带处理单元(BBU)从传统的无线基站中分离,仅剩下远端射频单元(RRU),并将BBU集中起来进行虚拟化处理,实现基带处理资源的高效利用。这样就创造出了一种全新的网络连接需求——前传网络,前传网络是连接RRUBBU之间的传输通道,需要满足大带宽和低时延的传输需求。而在以前还未云化拉远的基站中,BBURRU之间的连接充其量就是一种局方内部的跳线连接而已。

4G的射频拉远应用中普遍应用的通用公共无线电接口(CPRI接口)存在带宽需求量大、时延要求高、灵活性差、难以扩展、无法提供基带资源及空口资源的协同等问题。为解决上述问题,3GPP提出了基于基带功能分割的无线接入网架构,即重新划分BBURRU的基本功能,将BBU中的部分基带处理功能转移至RRU上,以减少前传网络带宽和时延的需求,并增强了BBURRU资源分配的灵活性。基于上述架构,业界提出了下一代无线前传接口(NGFI),其可变带宽速率与基于分组特性的传输功能使得5G前传网络具有更强的灵活性和更高的资源利用效率。通过灵活可重构的前传光网络将无线信号传送到不同的基带处理单元中,可实现无线信号与处理资源的高效适配。

为了应对前传对带宽的需求,今年8月推出的eCPRI标准将部分PHY信号处理能力从基带单元转移到远端射频单元,据称可以降低前传带宽需求10



对于如此大带宽大容量的传输网需求,具体到接入网、骨干网我们该如何建设5G传输网络呢?




3.1停止“小步快跑”,传输网要义不容辞地以断代式发展来迎合5G断代式进步


业界应立刻停止GPON、10GPON、2.5GPTN、10GPTN、100G PTN这样的小步快跑式逐代演进思路。在网络边缘、接入领域全面使用WDM系统,实现100G以上速率接口连接。

即使存在成本高昂的明显劣势,但是昂贵的光纤直驱依然因其简单便捷而成为了一个常用的选择,为了解决其成本劣势,完全可以通过大规模部署新型的微带微缆来增加光纤数量并削减光缆的安装成本。

很多人认为,PON作为FTTH的最佳解决方案,其点到多点的树形结构以及深度覆盖的特点可以满足无线网络异构组网的要求。BBFFSAN等国际标准组织都在进行PON支持无线网络回传和前传的标准化工作,同时,运营商和设备商已经做了很多PON支持无线业务的技术试点,尤其是在PON承载小基站业务的应用上,已经可以满足商业应用的要求。但是,本人以为无源光网络(PONs)只是为降低成本提供了更具战略意义的解决方案,5G回程之所以考虑PON的用例是因为PON的共享光纤优势以及其只使用无源组件的优势,只有不成帧的纯光连接是可以满足5G的延迟、数据速率和距离要求。


3.2学习5G技术4G化,将干线上已广泛使用的100GOTN/WDM传输技术裁剪优化后引入到光前传网


射频基站的高密度化和高带宽化,推动了基站网络架构由点到点向基站池演进,同时基站网络架构的多样化也需要射频基站支持级联。对于传输带宽在10G以上的数据传输,无论是点到点的OTN网络、点到多点的PON网络,还是基于WDMOTN网络,作为光前传解决方案,都缺乏成本上的优势。他们采用WDM/OTNMuxponder将多个RRU/AAU10Gbps25GbpsCPRIeCPRI信号复用到100/200Gbps高速信号后传送到DU,按照光纤路由可灵活组建点到点、链型、环形网络,节省光纤数量,在点到点组网的情况下还可采用单纤双向技术进一步减少光纤使用。可提供光通道保护,满足业务高可靠性要求。

由于LTE系统中BBURRU间的数据传输带宽较高,是影响BBURRU间网络化组网的主要因素,传统的点到点OTN网络将不适合BBURRU间数据的传输,随着WDM设备的灵活部署以及BBU集中化的趋势,基于WDM技术的OTN网络作为BBURRU间数据传输已成为一种重要的互连方案。

支持工业级应用的热插拔、小尺寸、低功耗的CWDMDWDM光模块产品应用于OTN网络做BBU-RRU互连,可支持以更少的光纤实现高效率、灵活性的高带宽连接。可以满足CPRI3-CPRI9不同速率的BBU-RRU互连要求,支持有源WDM的无线前传应用。


3.3 用于基站回程的传输成本考虑已不如家宽市场那么敏感,以集成化和规模化降低总体成本


从基站设备与家庭网关设备的价格上比较,基站互联的成本容忍度要高很多;另外,前面已经论述了,通过BBURRU的分离,无线侧获得了无线资源的巨大协调效益,因此,传输层面做出一些成本分担也是义不容辞的责任。

光通信界应该通盘考虑前传网络的端到端技术方案,通过集成化与规模化降低光前传网络的成本。


3.4以光传输的大带宽成本来获取基带池组资源的协同共享效率,是值得的!


随着无线网络的部署日趋深入,基站数量越来越多,站点越来越密,基站深度覆盖要求部署的位置更加靠近用户,因此BBU集中部署,基站异构组网等技术成为移动网络的发展趋势。当前,移动前传承载以点对点的光纤直接连接方式为主,存在光纤资源消耗严重、扩容困难等一系列难题。单纤WDM/OTN产品,可以在光纤资源紧张的场景下满足运营商基站深度覆盖和灵活扩容的要求,该类产品采用小型化热插拔的单纤双向同波长和单纤双向双波长技术,可满足10G以上速率的光纤回传,以及CPRI1-CPRI9不同速率等级的BBURRU互连应用要求。

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