罗森伯格：5G基站前传光纤技术浅析

文章来源： Rosenberger OIS
 
5G前传概述

  在5G传输中，5G前传十分关键。其中在技术方面，5G速率高（25Gbit/s-100Gbit/s甚至200G）、时延低（1毫秒）、同步时钟精度高（单节点纳秒级）。在成本方面，5G前传中的AAU数量巨大，占接入承载网的成本比重明显增加；多天线技术使前传带宽大幅增加，而光纤基础设施将作为前传通信的重要组成部分，在5G的网络中，前传对光纤资源消耗将会大幅增加，总体前传部分投资相比较4G网络将上升2-3倍。本文将重点探讨基于光纤传输的多种架构所支持前传技术与应用方式。

5G前传的定义与应用范围

  前传（Fronthaul）是指在网络的接入层将C-RAN（一种新型的集中式基带单元（BBU）蜂窝网络体系结构）连接到5G移动站点的远程独立射频拉远头（RRH）。由于对C-RAN（通常被称为云无线接入网或集中式无线接入网）部署的需求不断增加，同时数据速率的提升，由光纤支持的前传通信将越来越受到关注。

  在5G的网络中，基带处理单元BBU将分解为分布式单元DU（Distributed Unit）与集中式单元CU（Centralized Unit）两部分。从有源天线单元（AAU）到DU之间的连接是前传所覆盖的范围，这一范围距离不超过20KM,如下图所示。实际前传的距离取决于网络对时延的要求，如果低时延的情况下，AAU与DU之间的距离可能小于100米。在时延不敏感的场景下，当DU可能采用集中式的部署，覆盖范围达到几公里及十几公里的距离。


5G前传主体光传输方式

 1、光纤直驱方案
  光纤直驱方案分为单纤单向和单纤双向（Bi-direction，BIDI）两种。AAU和DU设备之间的光纤连接单个5G站需要的光纤资源分别为6芯/3芯，如下图所示。由于光纤直驱方案建设成本最低，时延等性能最好，因此已成为运营商5G前传的考虑的方案，该方案将满足大部分应用场景。5G采用的频段高于4G，单基站覆盖范围小于4G，全覆盖情况下站址数量将大于4G，因此5G将消耗巨大的基站光纤资源，可节约一半光纤的BIDI方案比单纤单向方案更有应用前景。5G前传光纤直驱方案的优势是提升了光模块速率，目前业内一般采用25G的前传光模块速率。

光纤直驱方案图示
 
 2、无源WDM方案
  无源WDM方案已广泛应用于需要节约光纤的场景，无源WDM方案根据波长间隔分为粗波分和密集波分两种。对于前传主体采用粗波分方案。25G CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分复用）前传方案中AAU和DU上安装的是CWDM模块，两端各设置1个无源合分波器，占用1芯光缆。目前业界25G CWDM方案一般为6波或者12波，其中6波用于5G前传，CWDM方案技术难度不高。

WDM方案图示
 
 3、OTN方案
  OTN（Optical Transport Network，光传送网）为传输设备，采用时分复用的技术方式。由于其大带宽、高可靠性、高安全性等优点。5G前传也将OTN作为探讨的方案之一。OTN方案如图5所示，AAU站点和DU两端设置有源OTN设备，支持多个AAU通过OTN技术共享光纤资源。AAU和DU设备上安装的单波长模块，两端各设置1个有源OTN设备，一般占用2芯主干光纤。

OTN方案图示

  上述前传方案中，将光纤直驱方案和波分复用的方案进行对比可知，光线直驱方案成本低、安装及维护简便，技术成熟度最高，光纤直驱方案作为光纤资源充足场景的5G前传首选方案。在光纤资源紧张的场景，需要采用波分承载方案。由于WDM和OTN方案成本较高，且OTN方案对光纤节约有限，因此成本较低、成熟度较高的无源波分方案将成为5G前传设备承载备选方案。

5G前传场景化的光纤连接与管理技术

  相比较之前的4G网络，5G网络技术与应用场景相关，特别是延时高低对前传网络的部署与应用关系很大，这决定了DU与AAU之间的连接距离以及光网络的传输损耗要求。同时不同的光传输方式也与光网络的部署有不同的要求。无论是光纤直驱还是无源WDM或OTN方案，需要的光纤连接与管理方案需要实现以下的几个关键的要求：

 1、光纤系统需要可以灵活适应各种场景应用的方案，最佳的方案是可以模块化组合应用到多种前传方案中，可以使光纤系统管理实现最优化配置。

 2、由于5G前传的站点量大，需要的光纤系统能够最为便捷的安装方式，要求安装速度快以及安装简单便利，易于快速规模化部署。

 3、5G的预期生命周期长于3G与4G，所以前传光纤系统需要具有室外应用的高度可靠性，需要能达到10年以上室外应用的要求。

 4、宏基站前传部分光纤系统需要安装在基站塔上，应用环境中风压较大，要求光纤连接系统在塔端安装时，能实现最小的风阻，减少在塔端的震动。

 5、前传距离根据应用不同，长度不同，部分距离可能达到10KM以上，所以光纤系统而言，整个系统的光链路的衰减需要尽可能做到最小，以保证通信的稳定性。

 6、5G基站数量是4G的2-3倍，光纤消耗量极大，需要考虑采用高可靠且成本更有优势光纤技术方案。

基于以上5G前传部分的应用特点，特别是对于5G宏基站的应用，具有近30年光纤预端接技术经验的德国罗森伯格公司，为5G前传专门开发了一套RXC室外预端接解决方案，可以有效应对多种5G前传光网络应用要求，如下图所示：


RXC前传应用场景


单端出线型


双向出线型


模块化进线与配线图
 
在前面提及的3种5G前传光传输网络中，对于光纤直驱方案，RXC系统主要需要提供的是对主干光缆在RXC内进行配线管理，通过一根或多根主干光缆进入到RXC内，由RXC分配短距离的跳线分别连接到AAU内，实现灵活快捷的安装。当采用无源WDM以及OTN的传输模式下，在RXC中可以直接装入WDM芯片或支持OTN结构光纤在RXC内的路由分配以及冗余管理，RXC方案采用预端接的连接技术，整体可以实现以下几个优势：
1、采用模块化的结构实现快捷安装维护适应不同的网络环境。
2、即插即用预端接技术，相比较传统熔减少80%的安装时间。
3、预端接专用技术实现低损耗，单个连接点小于0.2dB的衰减。
4、IP67级设计并采用抗UV的专用材料，实现12年以上寿命。
5、专利的紧凑设计，可以实现最小的塔端风阻，提高可靠性。
6、比传统的方案，配线管理安装与运维综合成本降低30%以上。

结束语：
  相比较4G移动通信技术，5G前传为适应5G技术低延时，大带宽、广连接的三大特征要求，5G前传设计具有独特性，而且5G高密度部署站点的要求，使前传部分的投资比重远大于4G。综合评估规模化快速部署要求、运维管理便利性要求以及支持系统应用更长生命周期等特点，使得全球移动运营商都十分关注对5G前传的投入。而RXC作为5G光纤连接领域的领先的解决方案，紧跟5G的需求，创新性的融合满足5G前传多种网络的应用要求，同时实现了整体方案成本的降低，成为业内5G光连接领域的创新的风向标。