光通信与无线接入的协同融合

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图12.2无线接入网络演进过程①图12.2中2G/3G 的“集成化BBU-RRU”部署场景：一般通过建设高塔形成宏基站，将BBU 与RRU 功能紧耦合，集成在基站内部，通过短距离铜缆进行连接。图12.7有源WDM/OTN 移动前传组网示意图光波与无线协同融合网络中存在着多元异构资源，主要体现在三种资源形式：无线（微波）资源、光波资源以及基带处理资源。因此，如何实现多域资源统一管控以及高效适配，是光波与无线协同融合所面临的关键挑战之一。

随着虚拟现实、物联网等新业务的不断发展，无线接入网络（RAN）在数据速率、传输时延、时延抖动、灵活性、可扩展性等方面面临着诸多的挑战，迫使RAN 架构发生改变，从而引发了光通信与无线接入的协同融合：一方面利用光通信的高带宽和低时延等特点实现无线基带信号的传输，另一方面通过灵活的光交换技术实现虚拟化基带处理单元（BBU，Baseband Unit）与远端无线单元（RRU，Remote Radio Unit）的灵活组网，从而达到资源的高效适配目的。具体表现为从2G/3G 时代的“分布式无线接入网（D-RAN）”到4G/5G 时代的“集中式无线接入网（C-RAN）”，再到5G/后5G 时代的“基带功能分离的下一代无线接入网”等发展阶段（见图12.2）。

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图12.2　无线接入网络演进过程

①图12.2（a）中2G/3G 的“集成化BBU-RRU”部署场景：一般通过建设高塔形成宏基站，将BBU 与RRU 功能紧耦合，集成在基站内部，通过短距离铜缆进行连接。然而随着用户数量和负载的不断增加，宏基站的规模逐渐增大，能耗与成本等大幅度增加。因此，将部分基站功能分离并进行集中处理可有效解决这一问题。

②图12.2（b）中4G 的“云化BBU”部署场景：将BBU 从传统宏基站功能中剥离出来，进行集中式部署形成BBU 池，通过CPRI接口和光纤互联。同时引入虚拟化技术，实现BBU 资源的高效利用。在虚拟化的BBU 池中，虚拟BBU 由位于同一物理实体的BBU 资源或者分布于多个物理实体的BBU 资源组成，RRU 能够可以与任意虚拟BBU 相连，同时虚拟BBU 之间允许灵活的资源迁移，可有效提升基站基带处理能力的统计复用增益。但“云化BBU”技术使得BBU 与RRU 之间传输的信息量过大，时延要求也更加严格。

③图12.2（c）中5G 的“功能分离”部署场景：5G 的无线接入网络将从4G/LTE 网络的BBU-RRU 两级结构演进到CU-DU-RRU 三级结构，将原BBU 的非实时处理部分分割出来，重新定义为集中单元（CU，Centralized Unit）；将BBU 的部分物理层功能与原RRU 功能和射频天线功能合并为新的RRU（也称AAU）；将BBU 的剩余功能重新定义为分布单元（DU，Distribute Unit），负责处理物理层协议与实时服务。前传部分的接口从CPRI演变为基于功能分割的eCPRI/NGFI接口，之间由光纤互联。

图12.3给出了一种应用场景示例，其中BBU 与RRU（或者5G 中的DU 与RRU）之间的连接称为移动前传（Fronthaul），主要面临的挑战是：大带宽与低时延传输、灵活前传光层组网、深度智能化的管控机制等，不同类型的光通信技术也试图解决上述问题，从而形成了不同类型的技术方案。

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图12.3　灵活高效的移动前传网络示意图

（1）光纤直连前传组网技术

图12.4展现了光纤直连式的前传解决方案，即每个DU 与每个RRU 之间的端口全部采用光纤点对点的直连组网。光纤直连前传方案实现简单，但光纤资源成本较高。5G/后5G 时代，随着前传带宽和基站数量、载频数量的急剧攀升，光纤直驱方案占用了较多的光纤资源。

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图12.4　光纤直驱移动前传组网示意图

（2）TDM-PON 前传组网技术

时分复用无源光网络（TDM-PON ，Time Division Multiplexing Passive Optical Network）是经济效益较高的一种移动前传解决方案（图12.5所示），可以通过几个光接口就能够支持数十个RRU 的连接。但TDM-PON 方案必须解决两个问题：即同步和时延。例如：TDM-PON 系统运行需要OLT 和ONU 之间的准确同步，并且通过将TDM-PON 系统同步到BBU，以实现BBU 和RRU 之间所需的同步精度；在传输时延层面，上行链路如果采用动态带宽分配DBA 技术则会引入更多的时延，因此需要采用优化合理的时延调度技术才能满足前传网络需求。

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图12.5　TDM-PON 移动前传组网示意图

（3）WDM/OTN 移动前传组网技术

无源波分方案是通过波分复用（WDM）技术，将多波长光模块安装在无线设备（RRU 和DU）上，通过无源的合/分波器完成WDM 功能，利用一对甚至一根光纤可以提供多个RRU到DU 之间的连接，如图12.6所示。根据采用的波长属性，该方案可以进一步区分为无源粗波分（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）方案和无源密集波分（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）方案。

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图12.6　无源WDM 移动组网示意图

有源波分方案是在RRU 站点与DU 机房配置城域接入型WDM/OTN 设备，前传信号通过WDM 技术共享光纤资源，通过OTN 开销实现管理与保护，提供质量保证。接入型WDM/OTN 设备与无线设备采用标准灰光接口对接，WDM/OTN 设备内部完成OTN 承载、端口汇聚、彩光拉远等功能。相比于无源波分方案，有源波分/OTN 方案组网方式更为自由，可支持点对点及环网两种组网场景（如图12.7所示）。

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图12.7　有源WDM/OTN 移动前传组网示意图

光波与无线协同融合网络中存在着多元异构资源，主要体现在三种资源形式：无线（微波）资源、光波资源以及基带处理资源。这些多维多域资源相互交织，加剧了不同资源管理域调配的实现难度。同时，各种资源管控独立，难以达到全网按需分配资源的目标。因此，如何实现多域资源统一管控以及高效适配，是光波与无线协同融合所面临的关键挑战之一。

光通信与无线接入的协同融合

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