眾所周知，5G無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為我們國(guó)家的一個(gè)非常重要的戰(zhàn)略方向和推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的革新技術(shù)。5G的商用化離不開(kāi)一個(gè)成熟穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，因此，5G網(wǎng)絡(luò)是商用化過(guò)程中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

雖然稱(chēng)之為無(wú)線移動(dòng)通信，實(shí)際上只有從終端到基站間的無(wú)線接入網(wǎng)(RAN:Radio Access Network)部分是走的無(wú)線信號(hào)，基站之后的數(shù)據(jù)傳輸都是依賴(lài)于一個(gè)穩(wěn)定可靠的光承載網(wǎng)絡(luò)(OTN:Optical Transport Network)。

5G技術(shù)需要同時(shí)兼顧高帶寬(eMMB:Enhanced Mobile Broadband)、高可靠低時(shí)延(uRLLC:Ultra Reliable & Low Latency Communication)、大連接(mMTC:MassiveMachine Type Communication)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出了很多全新的要求。光承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬、覆蓋能力、時(shí)延、可靠性、定時(shí)精度、擴(kuò)展能力等直接影響到5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供的服務(wù)質(zhì)量。下圖是5G承載網(wǎng)相對(duì)于4G時(shí)代的架構(gòu)變化以及不同業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延的要求。

5G的光承載網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于4G來(lái)說(shuō)有幾個(gè)比較大的變化。首先，5G的網(wǎng)絡(luò)帶寬比4G高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)時(shí)延可以比4G小1個(gè)數(shù)量級(jí)，這是網(wǎng)絡(luò)本身帶寬和時(shí)延性能的提升。其次，5G承載網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和4G也有一些比較大的區(qū)別， 比如說(shuō)4G的時(shí)候，是BBU(基帶單元)和RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)之間用光纖通過(guò)CPRI協(xié)議來(lái)進(jìn)行射頻單元拉遠(yuǎn)的。

在5G時(shí)代的話，我們可能會(huì)把BBU的一些功能再做一些分配。比如說(shuō)把一些跟波束成形和大規(guī)模MIMO有關(guān)的一些物理層底層功能和射頻部分及天線放在一起，這在5G里面稱(chēng)為AAU(Active Antenna Unit，即有源天線單元)。另外，會(huì)把一部分對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的業(yè)務(wù)(如無(wú)線鏈路控制、物理層高層功能等)放在DU(Distribute Unit，即分布單元)里面，并把一些跟時(shí)延不太敏感的業(yè)務(wù)(比如無(wú)線資源控制、分組數(shù)據(jù)匯聚等)放在CU(CentralizedUnit，即集中單元)里面。

因此，整個(gè)的5G的光纖承載網(wǎng)絡(luò)就分為了前傳(Fronthaul)、中傳(Midhaul)和回傳(Backhaul)幾個(gè)部分。根據(jù)具體的組網(wǎng)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，這樣就沒(méi)有中傳了；回傳部分連接的是核心網(wǎng)，核心網(wǎng)這部分正在慢慢地云化，可能更多的會(huì)使用一些類(lèi)似數(shù)據(jù)中心的技術(shù)。

5G承載網(wǎng)絡(luò)跟4G網(wǎng)絡(luò)相比一個(gè)比較大的變動(dòng)在前傳部分。在4G移動(dòng)通信時(shí)代，普遍采用的前傳技術(shù)是用6Gbps或10Gbps的光纖承載CPRI(CommonPublic RadioInterface)協(xié)議進(jìn)行射頻前端的拉遠(yuǎn)。CPRI是直接把射頻前端數(shù)字化后的I/Q數(shù)據(jù)映射到數(shù)據(jù)幀里進(jìn)行傳輸，由于有固定的幀結(jié)構(gòu)，時(shí)延穩(wěn)定性和定時(shí)特性都比較好。

但到了5G時(shí)代，由于更高帶寬、更復(fù)雜調(diào)制方式及MIMO(大規(guī)模陣列天線)技術(shù)的采用，使得射頻通道直接映射下來(lái)的I/Q數(shù)據(jù)量可能比4G增加了幾十倍，直接采用光纖進(jìn)行傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)成本太高。于是，CPRI組織在2017年發(fā)布了eCPRI的標(biāo)準(zhǔn)(CPRIOver Ethernet)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中把原來(lái)BBU一部分物理層的底層功能和射頻單元放在一起(合稱(chēng) AAU)，對(duì)射頻的I/Q數(shù)據(jù)流進(jìn)行一些預(yù)處理，把真正的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提取出來(lái)再通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行傳輸，從而大大壓縮了對(duì)于前傳網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求。

另外，由于以太網(wǎng)技術(shù)本身的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交換更加靈活，更適合大規(guī)模組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整的靈活性也更高，所以eCPRI逐漸并已經(jīng)成為5G承載網(wǎng)前傳拉遠(yuǎn)的主要協(xié)議。但同時(shí)，這也帶來(lái)了AAU復(fù)雜度和功耗的增加，以及以太網(wǎng)傳輸需要解決的精確授時(shí)和時(shí)延抖動(dòng)問(wèn)題。

5G承載的寬帶需求

由于5G移動(dòng)通信帶寬的提升，所以對(duì)光纖的傳輸帶寬的要求是很高的，這里可以參考IMT-2020 5G推進(jìn)組發(fā)布的白皮書(shū)里一些帶寬需求的計(jì)算?？梢钥吹?，對(duì)于低頻基站，一個(gè)基站本身的帶寬需求可能在5Gbps左右，高頻基站可能到15Gbps左右(參考資料：5G承載需求白皮書(shū)，IMT-2020 5G推進(jìn)組，2018.6)。如果參數(shù)改變，比如低頻的頻譜資源變?yōu)?60MHz，對(duì)帶寬的需求量還有可能會(huì)增加。

由于5G承載網(wǎng)對(duì)于光傳輸帶寬的要求是很高的，所以必然會(huì)采用一些更高速率的光連接技術(shù)和光模塊。傳統(tǒng)4G承載網(wǎng)的前傳網(wǎng)絡(luò)主要是采用10Gbps及以下的CPRI的拉遠(yuǎn)技術(shù)，而5G的前傳對(duì)于與帶寬的需求會(huì)以25Gbps的eCPRI為主，甚至?xí)?0Gbps。前傳部分除了需要提供更高的帶寬和更小的時(shí)延以外，還需要考慮到5G由于采用更高頻段，覆蓋能力較差，所以基站密度會(huì)比4G更大。

2019年6月，工信部給正式發(fā)布了4張5G的商用牌照，分別是中國(guó)移動(dòng)(2.6GHz/4.9GHz)、中國(guó)聯(lián)通(3.5GHz)、中國(guó)電信(3.5GHz)、中國(guó)廣電(700MHz/4.9GHz)。這些頻點(diǎn)普遍比現(xiàn)有4G移動(dòng)通信使用的2GHz左右的頻點(diǎn)要高，未來(lái)如果采用毫米波技術(shù)，面臨的覆蓋問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)峻。因此，如何更有效地利用現(xiàn)有的一些光纖技術(shù)去傳輸更高帶寬和支持更多的用戶，是對(duì)5G前傳網(wǎng)絡(luò)比較大的挑戰(zhàn)。

考慮到前傳網(wǎng)絡(luò)的密集程度，25Gbps的光模塊可能會(huì)是5G承載網(wǎng)上出貨量最大的光模塊。在中回傳部分，考慮到流量的匯聚，光接口速率會(huì)以50Gbps和100Gbps為主；在回傳或者核心網(wǎng)部分，其帶寬的需求可能會(huì)到200Gbps或400Gbps以上。

大量高帶寬的傳輸需求會(huì)直接增加光纖鋪設(shè)和光模塊購(gòu)置成本，所以，一方面要有一些技術(shù)更有效的利用當(dāng)前的光纖資源，另一方面也要通過(guò)一些技術(shù)去降低光模塊的成本，以節(jié)省整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的費(fèi)用。下表是對(duì)于5G承載網(wǎng)光模塊速率需求的分析。

業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)2020年5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)開(kāi)始小規(guī)模商用，基站規(guī)模可以達(dá)到60萬(wàn)個(gè)以上；在未來(lái)5～10年大規(guī)模商用后，宏基站加上小基站的規(guī)模會(huì)達(dá)到千萬(wàn)級(jí)別以上。在建設(shè)的前期，考慮的主要是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題；而在建設(shè)的后期，業(yè)務(wù)流量上來(lái)之后，需要考慮的是網(wǎng)絡(luò)帶寬的問(wèn)題。因此，在承載技術(shù)的選擇上也要考慮未來(lái)的擴(kuò)容及升級(jí)能力。

5G承載網(wǎng)新型前傳技術(shù)

5G承載網(wǎng)絡(luò)要滿足大帶寬、低延時(shí)、廣覆蓋的要求，同時(shí)由于接入基站數(shù)量的增加又使得光纖資源和成本的壓力非常大，這點(diǎn)在前傳部分體現(xiàn)尤為明顯。因此，更具不同的應(yīng)用場(chǎng)景和不同運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，在5G承載網(wǎng)里出現(xiàn)了很多種不同的前傳技術(shù)。下表列出了5G承載網(wǎng)里幾種主要的前傳技術(shù)。

可以看到，除了比較傳統(tǒng)的雙纖雙向光纖直連以外，還有單纖雙向、PON、無(wú)源WDM、有源WDM等多種前傳接入方式。這些接入技術(shù)并不都是全新的，很多一直在其它領(lǐng)域存在，只是之前并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于無(wú)線基站的接入。下面逐一進(jìn)行介紹。

BiDi(Bi-Direction)技術(shù)

BiDi就是單纖雙向，即在一根光纖里用兩個(gè)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸，使用BiDi技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省光纖資源，以及提高定時(shí)精度。傳統(tǒng)的光模塊都是雙纖雙向，就是兩根光纖一根發(fā)一根收，采用BiDi技術(shù)后收發(fā)共用一根光纖，就節(jié)省了一半的光纖資源，這對(duì)于光纖資源稀缺的地方尤其重要。

另外，采用BiDi技術(shù)還有利于使用eCPRI協(xié)議時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)定時(shí)精度。eCPRI協(xié)議是用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包承載數(shù)據(jù)的，而以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度和時(shí)延具有不確定性，不象傳統(tǒng)的 CPRI那樣有固定的幀格式和定時(shí)信息，所以需要通過(guò)IEEE1588協(xié)議(IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol forNetworked Measurement and Control Systems)進(jìn)行授時(shí)。

而1588協(xié)議的時(shí)間同步機(jī)制要求進(jìn)行通信的兩個(gè)設(shè)備間的收發(fā)路徑時(shí)延差異盡可能小。如果收發(fā)分別采用兩根光纖，很難從長(zhǎng)度上保證精確的等長(zhǎng)，但如果收發(fā)是用同一根光纖，則時(shí)延的一致性就可以做得比較好。目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些25G和50G的BiDi模塊，IEEE 802.3cp工作組也在制定相關(guān)規(guī)范。

PON(Passive optical network)

PON即無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)技術(shù)在FTTH(光纖到戶)等接入網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用。在5G承載網(wǎng)中，PON最大的好處是可以多個(gè)ONU(OpticalNetwork Unit)節(jié)點(diǎn)通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式共用一根光纖來(lái)和OLT(Optical LineTerminal)進(jìn)行通信，所以說(shuō)可以大大節(jié)省光纖資源解決一些分散用戶接入的問(wèn)題。但由于PON是通過(guò)時(shí)分復(fù)用共享網(wǎng)絡(luò)帶寬的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到的實(shí)際帶寬是有限的，所以主要用于小基站接入或者解決建網(wǎng)初期的覆蓋問(wèn)題。下圖是PON的典型工作原理。

無(wú)源波分復(fù)用(Passive WDM)

為了提高單根光纖的傳輸容量，還有一種常用的技術(shù)是WDM(Wavelength Division Multiplexing，即波分復(fù)用)，就是用多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用同一根光纖。

WDM也有不同的方案，比如一種是無(wú)源WDM，就是說(shuō)多個(gè)光模塊使用不同的波長(zhǎng)，通過(guò)無(wú)源的波長(zhǎng)選擇器件直接復(fù)用到一根光纖上去。用在無(wú)源WDM里的光模塊有多種可能性，一種是把光模塊的波長(zhǎng)做成可調(diào)的，這樣在組網(wǎng)的時(shí)候，每個(gè)光模塊可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要去配置波長(zhǎng)，這從運(yùn)維角度比較方便，但是25G速率的可調(diào)諧激光器成本比較高；另一種是采用一批不同固定波長(zhǎng)的光模塊，實(shí)際使用中人為做一些組合，這樣光模塊成本較低，但后續(xù)維護(hù)的難度和工作量比較大。

無(wú)源波分復(fù)用可以是粗波分復(fù)用也可以是密集波分復(fù)用，如果采是粗波分復(fù)用，可以用4個(gè)波長(zhǎng)8個(gè)波長(zhǎng)或者稍微再多一些的多個(gè)O波段的信號(hào)去做波長(zhǎng)復(fù)用。無(wú)源密集波分復(fù)用的代表是下圖是由中國(guó)聯(lián)通提出，并經(jīng)ITU-T組織于2018年審議通過(guò)的G.698.4規(guī)范(原G.Metro規(guī)范，參看下圖)。在其應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)AAU里的可調(diào)諧光模塊(即TEE:Tail-EndEquipment)，用DWDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)AAU復(fù)用1根光纖實(shí)現(xiàn)雙向通信。

有源波分復(fù)用(Active WDM)

有源WDM就是通過(guò)傳輸網(wǎng)設(shè)備來(lái)接入基站,并基于傳輸網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用。傳輸網(wǎng)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，也有非常成熟的網(wǎng)管信息，維護(hù)比較簡(jiǎn)單。但這種技術(shù)需要增加傳輸網(wǎng)設(shè)備，用于前傳部分的話組網(wǎng)成本會(huì)比較高。相比無(wú)源波分方案，有源波分/OTN方案有更加自由的組網(wǎng)方式，可以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及組環(huán)網(wǎng)兩種場(chǎng)景。下圖是有源WDM的典型接入場(chǎng)景。

需要注意的一點(diǎn)是，以上介紹的幾種技術(shù)并不一定是單一使用的，很多時(shí)候會(huì)組合使用。在5G網(wǎng)絡(luò)的不同建設(shè)階段，也可能會(huì)采用不同的技術(shù)。比如說(shuō)初期、中期、后期的業(yè)務(wù)量是不一樣的，要解決的覆蓋問(wèn)題也是不一樣的，可能多種技術(shù)在比較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)共存。不同的運(yùn)營(yíng)商根據(jù)不同的用戶接入場(chǎng)景，也會(huì)有不同的技術(shù)路線的選擇，比如有些使用25G BiDi和50G BiDi+WDM，有些采用WDM+PON，還有些采用波長(zhǎng)可調(diào)諧+無(wú)源WDM技術(shù)等。