技术与标准丨面向C-RAN架构的5G前传关键技术和标准化进展研究
作者简介
余文科
中国电子学会学术交流中心主任，高级工程师，长期从事集成电路、物联网、5G等新一代信息技术和产业研究工作。程媛
中国电子学会工程师，主要从事物联网等新一代信息技术研究工作。赵琦
中国电子学会助理工程师，主要从事物联网等新一代信息技术研究工作。张晓炎
中国电子学会助理工程师，主要从事新一代信息技术标准化研究工作。论文引用格式：
余文科, 程媛, 赵琦, 等. 面向C-RAN架构的5G前传关键技术和标准化进展研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022, 48(5):91-96.
面向C-RAN架构的5G前传关键技术和标准化进展研究
余文科 程媛 赵琦 张晓炎
（中国电子学会，北京 100036）
摘要：C-RAN架构已成为5G前传主流模式，相比D-RAN提出了新的需求和挑战。从助力5G前传C-RAN大规模组网建设出发，系统研究了5G前传关键技术中的波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术和系统架构，分析了无源和半有源架构的适用场景，总结了相关标准化和产业应用情况，并对5G前传网络进行了展望分析。
关键词：5G；前传；波分复用；半有源
中图分类号：TN929.11 文献标志码：A
引文格式：余文科, 程媛, 赵琦, 等. 面向C-RAN架构的5G前传关键技术和标准化进展研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022, 48(5):91-96.
DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.05.012
0 引言
5G无线接入网相比4G发生重大技术变革，由射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）/基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）两级架构重构为有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）/分布单元（Distribute Unit，DU）/集中单元（Centralized Unit，CU）三级架构，对应划分为前传、中传和回传网络。对于5G前传，C-RAN架构已成为运营商主流建网模式，通过将DU拉远并集中部署，具有降低能耗、节省机房、提升频谱协作效率等优势[1-2]。
相比4G时代采用D-RAN架构，5G C-RAN前传的规模应用也面临新的挑战[3]。在D-RAN场景下，BBU位于基站机房、RRU位于塔上，RRU与BBU直接通过光纤连接、距离通常在数百米，实现方案和故障定位都较为简单。对于C-RAN场景，DU由基站机房拉远部署到接入层机房，AAU到DU的光纤连接距离对应增加到10 km，潜在光纤链路故障点大幅提升、哑资源故障管理困难。此外，C-RAN中大规模集中成为主流模式，集中连接基站数量典型值为10 站。对于中国移动160 M频谱或中国电信、中国联通共建共享200 M频谱场景，1个典型3扇区宏站需要6 个25G光模块[4]。若采用D-RAN时的光纤直连模式，DU连接1个宏站需12芯光纤，则C-RAN集中下DU连接10 个宏站需要120芯光纤，会带来极大的末端光纤资源消耗压力。
面对5G前传C-RAN规模组网的需求和挑战，业界提出多种解决方案。本文研究了5G前传的关键技术，重点分析了WDM技术方案和系统架构，并介绍了对应国际国内标准化进展和产业应用情况。
1 5G前传关键技术
面向C-RAN规模组网，5G前传需要破解末端光纤资源消耗大、哑资源低成本管控难题，WDM技术和系统架构是两大关键技术。
1.1 WDM技术
面向C-RAN规模集中带来的海量末端光纤资源需求，采用WDM技术节省光纤资源已成为业界共识。目前，依据波长规划及范围的不同，5G前传网络存在4种WDM技术方案：粗波分复用（Coarse Wavelength-Division Multiplexing，CWDM）、细波分复用（Local Area network Wavelength-Division Multiplexing，LWDM）、中等波分复用（Medium Wavelength Division Multiplexing，MWDM）和密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）。
CWDM含相邻通道间隔为20 nm的18个WDM通道,各通道的中心波长为1 271~1 611 nm。面向5G前传，中心波长为1 271~1 371 nm的6波25G CWDM光模块采用基于直调激光器的发射机、基于PIN的接收机，满足10 km传输链路预算和低成本建网需求。受限于G.652光纤在1 371 nm以上更高的色散代价，CWDM光模块若扩展至12 个波长，需采用基于电吸收调制的光发射机，成本将显著增加。此外，业界还提出了基于环形器的CWDM方案，通过上下行采用相同波长，在现有6波CWDM系统基础上支持一站一芯需求，但存在同波长反射带来的系统性能风险[5]。
LWDM是在中心波长范围为1 273.54~1 309.14 nm、相邻通道间隔为800 GHz的400 GE LR8 8个WDM通道的基础上扩展至1 269.23~1 318.35 nm，形成12 个波长。12波25G LWDM光模块均采用基于直调激光器的光芯片，用以太网LR8的已有8 个波长激光器并扩展4个波长激光器资源即可满足。LWDM波长范围位于O波段零色散点周围，具有色散代价低的优势，但还需进一步分析考虑FWM的风险和代价[6]。MWDM是在中心波长为1 271~1 371 nm的6波25G CWDM基础上，中心波长分别左右平移3.5 nm，形成的不等间距波长间隔的12波长WDM系统。12波25G MWDM光模块重用CWDM工艺和产业链，在基于直调激光器的CWDM光芯片基础上调整光栅设计参数扩展实现12 个波长激光器，具有低成本、产业快速成熟优势。同时，基于不等间距波长间隔方案可以有效降低FWM风险。但是，由于G.652光纤在1 371 nm附近较高的色散代价，MWDM初期采用前8波基于PIN接收机、后4波基于APD接收机的方案，带来成本提升、运维管理较复杂问题。目前，通过采用合分波器排列设计的优化，实现MWDM各波长通道的链路预算均衡，采用12波全PIN接收机即可满足10 km传输要求，优化了系统成本、消除了管理运维问题，但相比CWDM仍会产生一定的系统成本提升。
DWDM含相邻通道间隔为50 GHz或100 GHz的96个或48个WDM通道，各通道的中心波长范围均位于C波段。10G和100G DWDM在骨干网和城域网已广泛应用，面向5G前传场景，25G DWDM方案采用可调谐激光器实现了远端光模块波长无关，具有波长资源更多、简化管理运维等优点，有助于大规模C-RAN组网，同时也带来了核心光芯片复杂度提升、成本较高的挑战[7]。
1.2 系统架构
在5G前传系统架构方面，业界存在无源WDM、有源WDM和半有源WDM三种方案。
无源WDM系统由AAU和DU上的WDM光模块、AAU侧远端合分波器、DU侧局端合分波器组成，其系统架构如图1所示。无源WDM方案具有部署灵活、系统成本低等优势，可以实现快速建站和低成本部署。由于无源WDM系统采用两端无源的架构，若光纤链路、光模块发生故障，需要人工排障和定位。
有源WDM系统由AAU和DU上的灰光模块、AAU侧远端WDM有源设备、DU侧局端WDM有源设备组成，其系统架构如图2所示。有源WDM系统采用两端有源的架构，具有丰富的OAM（光分插复用）功能和设备处理功能，可以实现故障的快速定位和在线监控，支持对前传网络的可管可控。但是，该方案显著提升系统成本，远端采用有源设备还受供电等影响，部署受一定限制。
半有源WDM系统由AAU和DU上的WDM光模块、AAU侧远端合分波器、DU侧局端WDM有源设备组成，其系统架构如图3所示。半有源WDM系统有两大技术关键点：一是半有源架构[8]，二是采用调顶技术实现OAM[9]。半有源架构包括AAU侧远端无源合分波器、DU侧局端WDM有源设备。调顶OAM有单载波调幅和多载波调幅两类实现方案：单载波调幅方案直接在光模块的发射信号上调制低频率的OAM信号，对于每一路WDM业务信号，在局端WDM设备中需要对应一个OAM信号解调单元[10]。该方案实现简单，但WDM通道较多带来OAM解调单元分立器件需求多、成本上升。多载波调幅方案在发射端对于不同WDM信号加载唯一频率标识，再调制OAM信号，在局端WDM设备中仅需一个OAM信号解调单元就可以同时解调WDM所有通道加载的OAM信号[11]。该方案增加了光模块的复杂度，局端WDM设备中的OAM解调单元需要较复杂的处理算法，但是大幅减少解调单元中的光器件数量和成本。从系统性能来看，半有源WDM系统局端采用有源WDM设备，基于调顶OAM对远端光模块进行在线监测，结合光模块状态、功率等信息实现对前传网络哑资源的轻量级管控和快速故障定位。此外，半有源WDM系统远端仅采用无源合分波器，部署灵活、不受供电等条件限制，建网成本相比有源WDM系统大幅下降。
2 5G前传标准化及产业应用进展
面向5G部署的迫切需求，我国加快推动5G前传技术的快速发展，主导制定了系列国际标准，并逐步构建了系统的标准体系，持续打造完整的产业生态链。
在标准体系构建方面，中国信息通信研究院、中国移动、中国电信、中国联通、华为、中兴通讯、中信科等国内单位联合FINISAR、博通等国际主流光模块厂商在ITU-T主导了半有源架构（G.9802）、DWDM（G.698.4）、LWDM（G.owdm）、MWDM（G.owdm2）等5G前传核心技术标准立项及制定[12-15]。其中，面向5G前传的不同25G WDM技术方案及应用场景，当前ITU-T SG15研究组Q6主要在推动位于C波段的DWDM和位于O波段的WDM（LWDM、MWDM）技术标准化。2019年7月，SG15全会正式启动了ITU-T G.698.4标准修订工作，主要增加面向5G前传的25G接口指标，致力于推动25G可调谐C波段DWDM技术。在25G O波段WDM技术方案和标准化方面，ITU-T SG15研究组于2020年和2021年立项G.owdm、G.owdm2两项WDM标准，面向5G前传的不同场景需求分别推动800 GHz波道间隔的LWDM技术和不等间距波长间隔的MWDM技术。伴随WDM物理层的标准化进程，ITU-T SG15研究组Q2于2021年4月决定新立项半有源架构标准，并在现有标准G.9802.2中新增管控要求，与Q6制定的物理层标准，共同构成了面向5G前传的新一代WDM技术体系。
此外，O-RAN于2020年成立了X-haul Transport工作组WG9，致力于推动5G传输技术的标准化。面向5G前传产业的开放式发展，中国信息通信研究院、中国移动、中国联通、中信科、AT&T、Orange等国内外40余家O-RAN成员单位联合完成了基于WDM的前传网络、管控等5G前传系列标准制定，推动光模块、WDM设备及管控系统间的转发面互通和管控面互通。
根据国内5G网络建设的迫切需求，国内标准组织早于国际标准组织开始了5G前传的标准化工作并完成系列核心标准制定，为国内产业链构建领先的5G前传网络奠定了基础。CCSA TC6 WG1率先完成了城域N×25G波分复用系统总体技术要求、CWDM、LWDM、MWDM、DWDM五项标准，规定了不同WDM方案的25G WDM系统的系统架构、系统要求、传输性能要求、接口参数要求、管控要求等核心内容。CCSA TC6 WG4工作组从光器件层面完成了25G波分复用光收发合一模块CWDM、LWDM、MWDM、DWDM等四项光模块及光器件标准，并立项了城域接入用单纤双向波分复用器CWDM、LWDM、MWDM、DWDM以及光分支器等五项标准，有力推动了国内光芯片产业的发展。
目前来看，国内外标准组织就采用半有源架构满足前传网络低成本管控需求、采用WDM技术支持一站一芯减少光纤资源消耗两大核心技术理念均已经成为共识，面向不同应用场景的三种WDM技术路线均在推进标准化。
在推动产业应用方面，国内三大运营商已广泛部署无源CWDM系统。伴随新技术的成熟，半有源系统架构已成为业界共识，无源和半有源WDM分别面向不同场景需求进行部署应用。目前，国内外已有数十家单位推出无源和半有源WDM产品，25G光芯片和光模块已具备规模量产能力。其中，国内已构建涵盖光芯片、光模块、设备、管控系统、仪表等完整的5G前传产业链，核心芯片已实现自主可控，具备支撑5G前传网络规模部署能力。中国电信、中国移动等相继在2022年集采5G前传设备，LWDM、MWDM技术已经分别首次纳入集采。
3 结束语
C-RAN前传是5G网络的重要组成，本文重点研究了WDM技术和系统架构两大关键技术，并简要分析了相关标准化进展和产业应用现状。
WDM技术有效节省光纤资源，运营商根据各自网络情况提出了不同WDM方案，并逐步推动技术和标准成熟。对不同波长范围的WDM方案，光芯片需进行对应的光栅设计以保证输出波长符合规格要求。考虑规模效应对光芯片、光模块产业成本的重要影响，希望产业进一步凝聚共识，推动共性技术发展，稳步扩大产业规模。
半有源架构实现了前传网络轻量级管控，前传方案已由初期的无源为主向无源、半有源分场景应用演进。无源方案实现简单，有利于5G网络建设的快速开站和部署。而对于5G高价值业务，半有源方案可以提供更好的运维能力和可靠性，支撑高品质5G网络规模应用。伴随国际标准和产业链的进一步成熟，5G前传将逐步扩大应用并分场景收敛技术方案。
目前，5G前传网络主要关注C-RAN模式下的宏站建网场景，解决前传网络规模部署的急迫需求。面向5G在垂直行业的快速发展，后续需研究5G前传在智慧矿山等拉远场景的需求及应用方案，以有效助力行业转型升级和高质量发展。当然对于矿山、港口等传统应用行业，出于安全性、可靠性、成本等方面因素综合考虑，C-RAN集中化部署具有显著优势。比如，矿区井下矿道环境通常较为恶劣，对井下设备的安全可靠性提出了更高要求、安装维护难度更大，而AAU部署需求量较大，C-RAN集中组网可实现DU在井上安装，大幅降低设备安装维护难度。针对传统行业升级转型的5G+垂直行业场景的前传方案及关键技术亟需进一步研究。
此外，业界已开始5G向6G网络的演进研究，6G前传的组网需求、架构及关键技术也需及时开展预研。从目前的研究来看，WDM光模块的速率需从25G进一步向50G、甚至100G演进，前传网络架构有可能从地面网络向空天地一体网络演进，需要业界提早凝聚共识、共同推进，构建尽可能统一的技术体制和标准体系。
参考文献
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Study on key technologies and standardization of 5G front-haul for C-RAN architecture
YU Wenke, CHENG Yuan, ZHAO Qi, ZHANG Xiaoyan
(Chinese Institute of Electronics, Beijing 100036, China)
Abstract: C-RAN architecture is the main way for 5G front-haul, which faces new requirements and challenges compared with D-RAN. Based on the construction of 5G front-haul C-RAN networking, this paper studies the key technologies of 5G front-haul, including WDM technologies and system architectures. The application scenarios of passive and semi-active architectures are analyzed. The progress of standardization and industry are summarized, and the 5G front-haul C-RAN networking is prospected and analyzed.Keywords: 5G; front-haul; WDM; semi-active
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第5期
主办：中国信息通信研究院
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