无源光网络在5G前传中的应用研究*

黄星辉，张 振

（广州杰赛通信规划设计院有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

随着无线接入网络的发展，移动数据内容正逐步通过光网络进行传输。移动前传网络是5G网络中的一个重要网络段，它将集中式基带单元（Building Base Band Unit，BBU）与云无线电接入网络（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）中的远程无线电单元（Radio Remote Unit，RRU）连接起来。它支持先进的无线技术，如协调多点和大规模输入与输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术。C-RAN成为将来下一代移动网络的重要发展方向，其综合了实时云计算架构、集中化处理以及协作式无线电技术，是一种绿色的无线接入网构架，期望通过协调多点提高网络性能，并通过容量共享和优化提高网络能效。移动前传网络作为C-RAN的重要组成部分，是连接BBU池和RRU的高速光纤传输网[1]。

无源光网络（Passive Optical Network，PON）[2]是光接入网络的一种，在光线路终端（optical Line Terminal，OLT）与光网络单元（Optical Network Unit，ONU）之间采用无源光分路器。无源分路器的使用消除了环境中的电磁波以及雷雨天气时的雷电对信号的干扰，同时降低了线路与外部设备之间的故障率，从而实现了减小运营成本的效果。另一方面，PON网络承载的信号具有透明性，这便为用户提供了充足的带宽资源。目前，光接入网中为解决“最后一公里工程”瓶颈现象而提出的光纤到户的最佳实现方案便是PON网络架构。PON网络架构采用的是点对多点的树形网络架构，这种特点与深度覆盖C-RAN网络架构类似。PON以其高带宽，高速率，低时延的特点成为移动前传网络承载的主要方案。近些年来，随着PON网络架构的不断发展，国内外越来越多的设备供应商和运营商逐步开始使用现有已经部署好的PON网络系统来承载移动前传网络。

本文主要研究了移动前传网络以及无源光网络在5G前传网络中的应用和前景。

1 移动前传网络及其承载方案

C-RAN一般有BBU池、RRU和前端光链路三部分组成，其结构图如图1所示。该结构集合了集中式处理，云计算构架，协调多点技术，为用户提供更好的无线传输体验，更好地实验移动网络的广域深度覆盖。

图1 C-RAN架构

移动前传网络作为C-RAN架构中出现的新型网络，是一种连接BBU池和RRU的高速光纤网络。目前以C-RAN为基础的移动前传承载方案主要有以下几种：无源彩光，光纤直驱，有源光传送网（Optical Transport Network，OTN）/波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）， 波 分复用无源光网络（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，WDM-PON）以及时分复用无源光网络（Time Division Multiplexing Passive Optical Network，TDM-PON）[3]。

目前存在几种基于C-RAN的移动前传承载方案，主要有无源彩光，光纤直驱，有源OTN/WDM，TDM-PON以及WDM-PON[3]。其中光纤直驱是在光纤资源需求有限和供应充足下最理想的方案，但它建网成本高，经济性差。

无源彩光方案使用波分复用技术，在每个BBU池和RRU中都分配WDM彩光模块用以产生光源，该种方案的优点是成本效益高，能够满足通用公共无线电接口（Common Public Radio Interface，CPRI）中的传输要求，这便有利于在户外部署；该种方案的不足之处是复用信道数太少，需要两条光纤，无法满足移动前传网络的大规模部署。有源OTN/WDM方案在BBU池和RRU上配备白光模块，可以实现无色化，在管理数目庞大的RRU时，使系统变得简单方便；该种方案的缺点是还未完善CPRI信号的封装成帧标准，在OTN的成帧过程中系统可能会引入额外的传输时延，这便导致系统的时延性能随之降低。TDM-PON承载方案结合时分复用和无源光网络技术，是一种低成本方案，也引起了越来越多的关注，然而承载移动前传网络时在吞吐量，时延、抖动以及信息安全方面表现有所吃力。

WDM-PON有着与C-RAN网络相之对应的点对多点树形网络结构，与TDM-PON相比，WDMPON在承载前传网络时能够满足前传网络CPRI中信号低时延抖动、高带宽以及高安全性的要求，同时可以利用现有的PON资源进行升级搭建，从而可以节约大量的光纤资源，但其光器件成本昂贵，建网成本较高[4]。

目前，最主流的移动前传承载网络为WDMPON网络。

2 WDM-PON移动前传承载方案

图2为移动前传网络WDM-PON承载方案架构图，其中RRU与ONU端进行连接，BBU池与OLT端进行连接。WDN-PON技术可以实现ONU的无色化，无色化光模块部署在ONU端，进而PON网络可以在传输过程中根据OLT的调度请求从而进行动态调整分配波长资源，使得各ONU获得合适的波长[4]。随着近年来移动网络用户对带宽需求的不断增加，国内外运营商和研究机构逐渐选择WDMPON作为移动前传承载方案，其中以满足CPRI信号在传输时的要求，会在信号封装的过程中简化相关规范。同时为了满足传输时延抖动的要求，会采用直接透明的方式进行传输。

WDM-PON是采用点对点结构，同时基于波分复用技术的无源光网络。WDM-PON在同一根光纤中采用波分复用技术复用多路信号实现上行接入，这便能够使得OLT端与ONU端之实现点对点的虚拟连接。WDM-PON能够节约成本的同时提供充足的工作带宽，是光纤接入的重要发展方向并且在光网络中具有良好的应用前景。

图2 基于WDM-PON的承载方案

3 WDM-PON在移动前传网络中的优势

WDM-PON主要有高容量和高带宽，传输损耗小、传输距离远，高安全性，良好的透明性，可重构性强、易扩容，业务灵活多变、支持多业务传输等6个特点。

高容量，高带宽：

WDM-PON通过波长复用技术使得在一根光纤中能够同时传输多个载波信号，从而实现了高带宽的信号传输，进而在提高了系统的传输容量的同时获得了较高的网络传输速率。在ONU上/下行传输方面，对于WDM-PON系统中的每一个ONU都拥有其不同的专用波长，该方式提高了系统的传输带宽，这使得WDM-PON在如今流量和带宽需求飞速增加的移动前传网络中具有更大的应用优势。

传输距离远，传输损耗小：

在基于WDM-PON的移动前传网络C-RAN架构中，会将RRU部署在用户处，从而满移动网络深度覆盖的要求，这便增加了BBU池与RRU之间的传输距离，具有传输距离远的特点。同时，WDM-PON的采用，使得系统各器件的插入损耗减小，从而具有传输损耗小的特点，因此该系统在传输距离以及网络覆盖范围上面有着明显优势。

高安全性：

在用户和中心局通信时，WDM-PON为每个用户提供了一对专属的波长从而实现了相互独立的虚拟点对点链接，消除了TDM-PON中其他ONU信息对本ONU的影响，保证了数据传输时移动用户数据的安全和私密。

良好的透明性：

WDM-PON在传输信号时，将传输信息直接映射到相应波长同道中，因此无需复杂的MAC协议即可实现数据在在不同信道速率以及各种协议下的透明传输。在传输CPRI信号时，WDM-PON可以在无需繁琐的封装处理过程下满足CPRI的低时延信号传输要求[5]。并可以进一步实现无线接入网中的简单网络管理以及简化网络保护的实现方式，同时可以提高网络系统的整体管理控制能力。

可重构性强，易扩容：

在WDM-PON系统中，由于OLT与ONU之间采用不同波长从而实现了点对点的虚拟连接，因此在对系统进行重构或扩容时，不用拆散整个网络部署，只要在原有的系统基础上增加或者减少系统波长资源和用户端设备即可实现重构和扩容，具有可重构性强、易扩容的特点。

业务灵活多变，支持多业务传输：

在当前LTE的移动前传网络，在迎接未来5G时必将面对越来越多的增值业务，为此移动前传网络必须满足移动用户对综合数据业务的高速率传输的需求，同时面对不同业务时要满足误码率、带宽以及时延/抖动等方面的需求。WDM-PON系统提供了充足的波长资源以此来满足不同的业务服务，进而可以解决用户对服务质量（Quality of Service，QOS）的要求[6]。从而使得WDM-PON具有业务灵活多变的特点，并可以支持多业务的传输。

4 国内外移动前传WDM-PON研究现状

国外搭建了基于反射式半导体光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）的基础上的WDM-PON系统，并使用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术构建了一个标准的光纤无线通信系统。同时在长期的演进系统中，相关学者研究了100 MHz射频信号在超过20 km标准单模光纤的长距离PON系统信号传输场景下两种不同调制编码方式的上行传输性能。

国内，中国电信联合烽火通信研发了一种实现基于长期演进的高级版（Long Term Evolution-Advanced，LTE-A）的C-RAN架构，该架构是一种使用波分复用技术的WDM-PON系统。在进行数据传输时，其正向传输数据可以满足移动前传网络中CPRI协议对接口传输的要求。另外，中国联通和华为联合开发了基于WDM的移动前传承载方案，解决了在部署移动前传网络时的光纤资源消耗和监管问题。

新一代N×25Gbps WDM PON技术标准化及产业化都在稳步的进行着，国际组织全业务接入网论坛（Full Service Access Networks，FSAN）已完成WDM-PON技术白皮书，包含架构和应用场景，基于运营商需求推动，国际标准中已纳入前传应用场景。随着无源光网络及WDM-PON的深入研究，无源光网络以其显著的优越性将完美承载5G前传网络。

5 结 语

5G中的前传网络具有高容量，低处理时延，低成本的特点。目前的基础性资源难以达到承载的要求。光接入网具有高容量，大连接，低功耗，低时延，高可靠等特点，使其成为最关键的资源。本文描述了无源光网络承载5G前传网络的架构方案，重点介绍了WDM-PON网络承载方案及其优越性。