5G前传解决方案研究

田洪宁，李文华，尹祖新，杨 锐，张 智，王丽琼（.中国联通研究院，北京 0076； 北京电信规划设计院有限公司，北京 00048）

0 前言

随着5G 商用的到来，C-RAN 模式下的NR 站对于前传纤芯资源的压力日益突显，相比传统的D-RAN接入模式，C-RAN 架构具备明显的TCO优势，同时DU池组化亦是无线网络的重要发展趋势。5G RAN 侧的重构及网络架构的变化对前传网络提出了新的要求与挑战，为提高基础资源利用率、降低建网成本，业内提出了多种前传技术方案。本文结合5G 前传业务需求，分析比较了基于WDM 技术、电层汇聚技术等各类前传技术方案，从网络能力、OAM、成本预算等角度对比各类方案优劣，并给出5G前传承载建议。

1 5G前传业务需求

1.1 前传承载指标需求

5G 对RAN 网络协议功能的部署位置进行了重构，重新划分了BBU、RRU 功能，高层分割采用Option 2 方式，新定义的Centralized RAN 包含中央单元（CU）和分布单元（DU）。传统的RRU 与天线阵列以及上移的部分物理层功能被一体化为AAU 设备。DU 与AAU之间定义为5G 前传链路。其带宽需求与CU/DU 物理层功能分割位置、基站参数配置（天线端口、调制阶数等）等相关，对于100 MHz 带宽AAU 前传接口主流采用1×25 Gbit/s eCPRI 接口（Option7），支持统计复用。前传时延要求小于100 μs。

1.2 前传网络部署架构

ITU-T 明确了5G 网络CU 和DU 逻辑分离架构，CU 与DU 之间的接口命名为F1，在实际部署中存在分离与合设2 种形态。初期以CU/DU 合设形态为主，后期分设时，回传网络将增加中传链路。5G RAN 网络主要包括D-RAN 分布式部署、C-RAN 集中部署（CU/DU 一体化）、CU 云化部署（CU、DU 分离部署，初期合设暂不考虑）。

以D-RAN 方式部署时，AAU 与BBU 同址放置，此时不需考虑前传组网。其主要优点是部署简单，但对于末端机房及接入设备需求量大。

C-RAN 架构由分布式AAU 和集中式DU 池组成，DU 池部署在综合业务接入点或BBU 集中点，AAU 拉远接入，此时需要考虑前传网络建设。

对于无线侧，DU 的池组化便于实现DU 间的动态资源分配、多点协同、联合调度，有利于提升频谱利用率及网络容量。对于承载侧，C-RAN 组网可大幅减少末端机房及传输设备需求，具备明显的TCO 优势，按某区百个现网站点测算，TCO 平均节省35%～50%。因此5G 网络将以C-RAN 架构作为主要部署方式，但该方式对末端光纤资源的消耗极大。

1.3 共建共享对前传的影响

5G 共建共享包含接入网共享及异网漫游2 种模式，接入网共享方案指共享5G 基站及承载网，自建核心网。异网漫游方案指5G基站仅接入承建方核心网，双方核心网对接互通，用户通过类似于国际漫游的方式使用5G 服务。其中无线侧共享方式存在3 种技术模式。

模式1 为独立载波、独立AAU。配置2 个载波，在不同载波上广播各自的网络号，各自调度独立频率资源，不存在业务互抢的情况，不需考虑资源分配策略。前传共接入6个AAU，每AAU配置1×25G eCPRI接口。

模式2 为独立载波、共享AAU。接入3 个AAU，承建方+共享方总载波带宽可配置为100 或200 MHz，当采用200 MHz 带宽时，预计每AAU 配置2×25G eCPRI接口（尚无设备，业内预测）。

模式3为共享载波、共享AAU。配置1个或2个载波，实现频率资源的共享，共享载波带宽可配置为100或200 MHz，接口配置同模式2。

综上，基站共享模式下，其接口类型及速率不变，采用独立AAU或200 MHz载波带宽共享AAU方案时，接口数量将翻倍。

2 前传技术方案分析

当前针对C-RAN模式下的前传技术种类繁多，归纳起来主要包含3 类技术体制：光纤直驱、基于WDM技术、基于电层汇聚技术。其中光纤直驱方式按照光模块可选择Duplex 和Bidi 方式；基于WDM 技术按照激光器类型分为可调与非可调2 种方式，波段选择包括CWDM、DWDM、LAN-WDM、MWDM；按照设备形态可划分为有源、半有源、无源形态。

目前业内主流解决方案主要包括光纤直驱、无源CWDM、Open-WDM、有源OTN、PAB-WDM 和TSN 方案，各解决方案所对应的技术选择如图1所示。

图1 前传承载方案分类

2.1 光纤直驱

DU 集中在综合业务接入点或BBU 集中点，各无线站点的AAU 通过配线及主干光缆拉远接入至DU池，需在无线AAU 及DU 设备上配置25G Duplex 或Bidi 白光模块，模型如图2 所示。Duplex 光模块工作波长为1 310 nm，Bidi 光模块有WDM 和环形器2 种实现方式，因环形器方案对防尘要求较高，目前主流采用WDM 方案，CCSA 规定了1 270/1 330 nm 的双波长Bidi方案。

图2 光纤直驱前传示意图

光纤直驱为当前使用最普遍的前传方案，具备施工简便、造价低的特点，在业务需求不大且纤芯资源充足时可快速开站。缺点在于占用管线资源较多，考虑共享NR 站，DU 和AAU 间需要高达12 芯光纤，规模部署时对配线及主干光缆消耗极大，大量的叠加光缆也对管道造成压力，且新建光缆敷设工期长、造价高。采用Bidi 方式时可减少50%光纤消耗并满足时延对称性，但收敛能力有限。

2.2 无源CWDM

无源CWDM 系统由固定波长的CWDM 彩光模块与合分波2 个部分构成。组网方式如图3 所示，彩光模块直接安装在DU 和AAU 设备上替换原有白光模块，外置基于TFF 技术的CWDM 合分波器，采用单纤双向方式满足时延、同步的对称性。采用ITU-T G.694.2 标准规范的18 个波长。主流的无源CWDM 方案分为1∶6/1∶12，支持级联组网。

图3 无源CWDM前传方案示意图

无源CWDM 技术成熟，纤芯收敛能力强，对于共享站可采用叠加1∶6 或1∶12 方案，仅需1～2 芯主干及配线光缆，可大幅节省纤芯需求，降低开站配套成本。目前25G CWDM 彩光模块使用直调激光器DML+PIN方案，波长间隔20 nm，对于商业级温度应用场景，其具备足够的温度漂移空间，不需TEC 模块，成本较低。缺点是运维不便，一方面采用固定波长，波道规划相对复杂、光模块所需备件较多，另一方面维护界面不清，缺少OAM 机制。同时长波长色散产生的功率代价较高易导致功率预算不足影响传输距离，光模块可采用EML+APD 方案进行功率补偿，但将大幅提高光模块成本。

2.3 Open-WDM

Open-WDM 方案如图4 所示，局端部署有源WDM/OTN 设备，尾端为嵌入至无线设备的彩光模块，属半有源方案。

图4 Open-WDM方案示意图

Open-WDM 基于MWDM 技术，属波长创新方案，波长范围1 260～1 380 nm，重用了25G CWDM 的前6波，利用激光器波长随温度发生偏移的特性采用温度调谐将前6 波左右各偏移xnm 形成12 个波长。光模块技术方案采用DML +PIN/APD 方式，需要增加TEC模块。典型偏移波长x为3.5 nm，此时中心波长间距为7 和13 nm 非等间距交替。其最大优势在于理论上可重用CWDM 产业链，具有一定成本优势。尾端光模块采用光层调顶技术，具备一定的OAM 能力，利用调制信息传输中心频率、告警等，支持OLP 1+1保护。该技术方案标准尚未完善，且目前利用TEC 完成激光器波长偏移的产业链尚不成熟，暂不具备商用条件。

2.4 PAB-WDM

基于可调谐光模块的波长自适应接入型WDM（PAB-WDM——Port-Agnostic Bi-directional access WDM）技术方案如图5 所示，由头端、尾端及合分波设备构成。根据实际应用场景，PAB-WDM 系统具有灵活的设备形态，包括有源、半有源、无源形态。考虑到成本及OAM 问题，前传应用的主流形态将采用半有源方式，局端采用固定波长的有源设备，尾端采用可调光模块与合分波器。ITU-T 已发布PAB-WDM 标准，标准号为G.698.4。

图5 PAB-WDM技术方案

PAB-WDM 基于DWDM 技术，具备丰富的波长资源，最大支持40波。其特有的低成本宽范围可调激光器技术具备端口波长无关、自动适配能力，尾端设备（TEE）可自动将其光模块工作波长调节至所连OD/OM或OADM 端口简化配置、提高业务开通效率。同时PAB-WDM 设计了支持基于系统规范的消息通道（HTMC 和THMC）的OAM 功能，可实现对尾端无源光模块的管理。此外WDM 方案基于L0 传输，天然具备低时延特性。采用半有源形态安全性高，具备OLP 1+1 保护能力。但可调激光器成本稍高，商用进度仍有待推进。

2.5 有源OTN

有源OTN 组网方案如图6 所示，综合业务点部署1 套紧凑型WDM/OTN 设备，末端部署室外型OTN 设备。

图6 有源OTN方案示意图

有源OTN 采用基于M-OTN 技术实现对5G 前传信号的电层汇聚，采用OTN 封装方式，具备完善的OAM 机制，且相比G.709 简化了OTN 信号成帧方式，优化FEC 及信号处理流程，具备低时延特性。有源OTN 在客户侧支持以太/TDM/cPRI/eCPRI 等多类型业务，支持线路侧1+1 保护，但成本偏高，室外型OTN 设备功耗100～200 W，增加OPEX 成本。同时尾端设备类似于延伸的TMUX 板卡，采用代管方式与局端设备厂家强关联。

2.6 TSN

时延敏感型网络（TSN——time-sensitive network）的基本原理是将原来固定帧结构的CPRI 信号进行分组化，通过以太网进行传输，具备统计复用能力。组网结构如图7所示，两端采用有源分组交换设备，定义为时间敏感分组交换设备（TPS——Time-sensitive Packet Switch），满足IEEE802.1CM 及IEEE 1914.3 RoE标准，上联支持CWDM/DWDM 彩光口。

图7 TSN方案示意图

该方案特点是支持L2 切片，业务接入类型多样，具备网络级保护和OAM 监控。缺点是造价高，其特有的QoS 机制针对前传网络暂时缺少应用场景，且尾端暂无室外型产品。

3 前传承载方案比较

从业务需求的角度，各技术方案均能满足5G前传承载基本需求，但各有优劣，前传承载各技术方案比较如表1所示。

除光纤直驱外，在设备形态上，有源方案需在尾端增加室内或室外型设备，基站侧需要引电甚至提供末端机房，TCO 成本最高，但其安全性强、OAM 完善；无源方案成本最低，部分场景甚至优于光纤直驱，但缺少保护手段及OAM 机制，无法实现前传网络自动管控；半有源方案成本介于前两者之间，局端有源可管控，尾端通过光层调顶或消息通道机制实现管理，若采用可调光模块技术可简化运维及配置工作，但成本会稍有增加。

表1 前传方案比较

在技术体制上，基于电层汇聚技术方案采用电层处理技术（ODUk 汇聚、以太网汇聚等）来提高光纤利用率，均为有源方案，成本高。但其多业务接入能力强，OAM 及安全性高，因此此类方案更加适用于有专线业务接入需求的站点。基于WDM 技术方案对比如表2 所示，CWDM 采用DML+PIN 技术方案，成本最低，但长波段功率预算不足，传输距离受限，功率补偿成本提高；LAN-WDM 采用O 波段，色散代价低、成本适中，但目前波道资源有限，主要是日韩在用；DWDM 波长资源丰富、扩展性强，0.8 nm 间隔可调，成本最优；MWDM 利用TEC 调节波长扩展了CWDM 的前6 波，具有产业链优势，但其后4波成本仍较高。

表2 WDM技术方案比较

4 应用建议

5G 规模建设后，运营商前传承载需求接近百万量级，末端站任何一点的成本波动对整体投资都会产生较大影响。当前前传承载技术种类繁多，在考虑5G建设方案时，应在满足业务需求的前提下，尽量减少非必要功能并保留一定的可扩展性、可维护性，考虑TCO成本最优化。

对于5G 新建站址，需新建配线接入光缆，建议采用光纤直驱+25G Bidi 光模块方式，收敛50%纤芯资源。

5G 共站址建设时，无源CWDM 具备比较明显的价格优势，5G 初期可作为过渡方案进行前传承载，适用于城区等接入距离较短的场景。有源OTN、TSN 等有源方案安全性强、OAM 完善、具备多业务接入能力，建议在有专线或切片需求的站点采用，由于TCO 较高，不建议在只有2C 前传业务的站点中规模采用。PAB-WDM、Open-WDM 采用半有源方案时既降低了成本，又具备1+1 保护及OAM 等有源方案的优势，但设备仍处在开发测试阶段，可作为5G成熟期的备选方案。相比于LAN-WDM、MWDM 方案，基于DWDM 技术的PAB-WDM具有更高的波道容量、扩展性更强、组网更加灵活，可实现LTE/NR 站的前传综合承载，尾端采用可调光模块技术可极大简化运维、配置工作，降低TCO，应加快推进设备及产业链的成熟和成本的降低，在造价差异不大的情况下建议优选。

5 结束语

接入层作为承载网金字塔结构中的最底层，其建设规模最大，投资占比最高，因此合理选择前传技术方案对提高5G网络的建设效率和投资效能意义重大。

通过详细分析5G前传业务需求变化，针对现有前传技术多样化的状况，从技术体制、设备形态2个维度梳理归纳了各技术方案，从承载能力、维护能力、成本预算等角度进行分析，提出了5G 前传承载方案建议，为缓解前传资源消耗、降低5G 前传网络建设投资、提升前传承载效能提供了支撑和参考。