5G传送技术及标准化进展

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1 引言

 

自2019年10月我国5G商用正式启动以来,国内运营商加快5G网络建设步伐,逐步在全国开通增强移动宽带(eMBB)业务并加快拓展5G+垂直行业应用。为了满足5G规模商用、5G+垂直行业应用发展等典型需求,5G传送网络不仅要满足近期5G前传和中回传的高速率、大带宽、灵活连接、低时延、低成本、智能管控和高精度同步等特性网络建设需求,还要面对中长期5G业务发展的支持小颗粒业务承载、L3 VPN大规模灵活组网、软硬网络切片资源管控、城域边缘云的动态互联等传送需求的挑战。

 
5G传送技术主要涉及前传、中回传以及相关的光模块器件等,其中前传主要采用光纤直连和波分复用(WDM)技术,后者出现多种实现方案并成为目前业界关注的热点;中回传方案主要聚焦分组切片网(SPN)和基于IP技术承载的无线接入网(IP RAN)增强方案并已启动商用部署。5G前传及中回传基本组网结构见图1。5G传送标准主要由中国通信标准化协会(CCSA)、国际电联(ITU-T)、电气电子工程师学会(IEEE)、国际互联网工程任务组(IETF)和光互联论坛(OIF)等国内、国际标准化组织主导制定,相关工作正在全面开展并取得明显进展。本文主要介绍了5G前传、中回传网络、光模块等相关技术方案现状与标准化进展情况,并对于5G传送技术未来发展趋势进行了展望。
 

1

图1 5G 前传及中回传组网结构示意

 
2 5G前传技术及标准化进展
 
5G无线接入网(RAN)在初期主要采用gNB宏站以及集中式单元(CU)和分布式单元(DU)合设的小规模集中模式;在未来的成熟期可采用CU和DU分离的模式,并实施CU云化和CRAN大集中建设模式。对于CRAN小规模集中场景,DU主要部署在接入机房,集中规模通常为3~5个基站,就近接入二级光交或直接连接基站机房ODF、不跨主干光交环。对于CRAN大规模集中场景,DU集中部署在普通汇聚机房或综合业务接入站点,集中规模通常为10~20个基站及以上,跨主干光交环。
 
5G前传主要实现AAU到DU之间的信号传输,技术方案主要包括光纤直连和WDM方案,WDM方案又可以细分为无源、有源、半有源3种,主要技术特性如下。
 
(1)光纤直连方案:AAU与DU之间采用光纤直接连接。AAU和BBU分别配置25 Gbit/s白光模块。一般单个5G的S111(单频三扇面站址)基站采用双纤双向互联时需要6芯的光纤资源。考虑到5G基站规模建设将消耗巨大的接入层光纤资源,业界提出25 Gbit/s BIDI(Bidirectional,双向)的解决方案,AAU与DU 双方向的数据信号采用不同的波长在一根光纤中传送,可节省一半光纤资源,光纤直连方案的光纤使用由6芯降为3芯。
 
(2)无源WDM方案:是指AAU和DU上均配置彩光模块,两端各部署1个无源合分波器实现彩光通路信号复用,不配置任何有源传输设备。该方案在无保护场景下基于单纤双向模式时仅需占用1芯主干光缆。目前,无源WDM方案商用产品主体为基于固定波长的粗波分复用(CWDM)方案。
 
(3)半有源WDM方案:在DU或BBU侧部署有源WDM设备,AAU侧仅部署无源合分波器,通过光信号调顶等方式实现光模块状态监测、波长调谐等网络运维功能。该方案是近期运营商研究和未来部署的关注重点,正在积极推动产品研发、标准化和测试验证等工作。
 
(4)有源WDM方案:在AAU侧和DU侧均部署有源设备进行业务接入和传输。该方案的特点是传输与无线专业的设备管理界面清晰,并且传输设备支持完善的网络运维管控能力。考虑到AAU侧工作环境、供电情况,网络综合成本,以及前传100 μs量级低时延、高精度时频同步苛刻要求等因素,预计该方案在现网中规模部署应用的可能性较少。
 
面向5G前传的WDM技术根据采用波段和通路间隔差异等,又可被进一步分为CWDM、基于局域网通路的波分复用(LAN-WDM)、中等波分复用(MWDM)和密集波分复用(DWDM)4 种方案(见图2)。整体上来看,CWDM技术标准比较成熟,目前无源和半有源CWDM已经有商用产品,是近期C-RAN场景解决光纤资源紧张的主要部署方案;半有源MWDM、LANWDM和DWDM正在产品研发和标准化过程中,重点是推动支持更丰富的管控功能和提高成熟稳定性。
 

2

图2 5G前传的WDM技术方案特性比较
 
目前,CCSA和ITU-T主要承担5G前传的标准化工作。CCSA TC6已正式立项并启动基于25 Gbit/s速率的WDM系统和彩光模块标准化制定工作,包括CWDM、LWDM、MWDM和DWDM 4种典型的方案;ITU-T SG15也正在聚焦G.698.x系列标准,开展25 Gbit/s DWDM标准的制定,包括固定波长和可调波长,相关参数及赋值研究取得较明显进展。另外,目前ITU-T也已启动讨论前传用25 Gbit/s CWDM系统的标准化工作。
 
3 5G中回传技术及标准化进展
 
5G中回传网络需满足多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等传送需求,支持L0~L3层的综合传送能力,可通过L0层波长、L1层TDM通道、L2和L3层分组隧道来实现层次化网络切片等,其典型的技术特性如下。
 
(1)L2/L3层分组转发层技术:为5G提供灵活连接调度和统计复用功能,主要通过L2和L3的分组转发技术来实现,主要包括以太网、面向传送的多协议标签交换(MPLS-TP)和新兴的段路由(SR)等技术。
 
(2)L1层TDM通道层技术:TDM通道技术不仅可以为5G三大类业务应用(eMBB、uRLLC和mMTC)提供支持硬管道隔离、OAM、保护和低时延的网络切片服务,并且可以为高品质的政企和金融等专线提供高安全和低时延服务能力。
 
(3)L0层光层大带宽技术:5G和专线等大带宽业务需要5G承载网络具备L0的单通路高速光接口和多波长的光层传输、组网和调度能力。
 
表1给出了支撑5G规模商用、5G+垂直行业应用的5G中回传网络关键技术及标准化进展情况,其中我国主要重点推动ITU-T SG15的L1层MTN和新一代灵活OTN技术标准,以及IETF的L2和L3层的SRv6、SR-TP和网络切片等标准。
 
表1 5G 中回传关键技术及标准化进展

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4 5G传送光模块技术及标准化进展
 
随着光信号传输速率的大幅提升,光模块在5G传送网络中的重要性和成本占比日益显著,我国运营商和设备商同期都在加强光模块研发和标准化投入。综合传输距离需求、传输技术方案差异、模块实现成本等多方因素,在前传、中回传等应用场景中,25 Gbit/s、50 Gbit/s、100 Gbit/s及以上速率引入单纤双向、波分复用、新型调制、相干接收等一种或多种关键技术,光模块类型呈现多样化分散发展态势,对于产业链的聚焦发展形成一定影响,具体情况见表2。
 
表2 5G传送光模块技术方案及产业化进展

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5G传送用光模块的标准化工作主要由CCSA TC6和IEEE 802.3推动制定,目前已取得明显进展。CCSA TC6 WG4已完成面向前传应用的25 Gbit/s单纤双向光模块标准(报批阶段),并已正式立项启动了25 Gbit/s xWDM系列的光模块标准,面向10 km/40 km中回传的50 Gbit/s、100 Gbit/s、200 Gbit/s和400 Gbit/s速率的光模块标准大部分也已制定完成或接近完成。另外,IEEE 802.3与5G传送相关的高速光模块标准,除了面向80 km应用场景的项目P802. 3ct(100 Gbit/s速率)和P802.3cw(400 Gbit/s速率),以及面向单纤双向应用场景的项目P802.3cp(10 Gbit/s、25 Gbit/s、50 Gbit/s速率)之外,其他面向10 km和40 km传输距离的接口标准均已制定完成。
 
5 结束语
 

总体来看,5G传送技术与标准化工作已取得明显进展,但尚存在一些需要进一步解决的问题。未来2~3年5G将进入规模商用期,为多方位支撑5G网络的规模部署与多类垂直行业融合业务的创新应用,后续业界应加强推动5G技术与标准化的成熟完善。在5G前传方面,应重点聚焦推动CRAN大集中的半有源WDM技术标准制定及产业协同化工作,同时也应关注其他应用场景及适用技术方案,以满足低成本、便捷运维管控等需求;在5G中回传方面,需重点推动解决硬切片的TDM灵活管道、软切片的分组高效转发、高精度业务性能监测、网络切片智能管控和自动化运维等关键技术,同时增强超大容量和开放光层互联、海量灵活连接和网络切片承载、基于SDN/NFV的智能管控、按需动态部署和批量开通运维等产业化应用能力。面对多样化的5G传送解决方案,我国产业各界应加强合作、聚焦共识,协同推动5G传送网络的新技术研究、标准制定和测试评估等工作,共同促进5G传送技术与产业有序发展,全力支撑5G规模商用与融合业务蓬勃发展。

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