基于光纤传送网的5G移动通信前传关键技术研究.pdf

2023 年 9 月基于光纤传送网的移动通信前传关键技术研究曹荣（中通信息服务有限公司，广东 深圳 518038）【摘要】在我国移动通信技术发展进程中袁5G 技术作为目前最先进的技术已得到成熟发展遥 现阶段网络通信用户数量越来越多袁网络业务规模越来越大袁对网络传输效率的要求也更高遥 重点研究基于光纤传送网的5G 移动通信前传关键技术袁并分析基于光载射频技术的移动通信前传技术应用效果袁以期为相关行业人员提供参考遥【关键词】光纤传送网曰5G 移动通信曰前传技术【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）09-0017-030 引言我国目前的移动前传网络主要基于集中式/云无线接入网（C谣RAN）技术构成，而且前传网络大多以无线电接口协议的应用为主。在 5G 移动通信技术快速发展的背景下，为增强宽带信号、提高前传网络的性能，要增加扇区数量和天窗数量。但由于独立的射频拉远单元数据传输速度通常需要超过 100 Gbit/s，所以相关行业人员有必要探究新型前传网络结构的构建。1 5G 网络架构5G 网络主要由原有无线接入技术（radio accesstechnology,RAT）与新通信技术融合而成。目前，我国5G 移动通信技术应用效果显著，商用 5G 业务已实现大范围拓展，相关行业人员经研究提出一种先进的网络架构，即 LTE谣B 架构。5G 网络能力开放架构包括应用层、能力层和网络层 3 层，如图 1 所示。在 5G 无线接入网（radio access network,RAN）中重新划分无线远端单元（radio remote unit,RRU）功能和室内基带处理单元（building baseband unit,BBU）功能，之后再进行网络部署。C谣RAN 主要由分布单元和中央单元组成，分别用 F1、Xn 来命名分布单元和中央单元之间、中央单元之间的接口，分布单元之间不存在接口，数据交互需要经过中央单元。有源天线单元与分布单元的连接即为前传覆盖范围，其连接距离通常不超过 20 km，但前传覆盖的实际距离需要结合时延要求来确定。在 5G 网络发展初始阶段，市面上的无线设备主要为中央单元与分布单元相结合的设置方式，5GBBU 功耗保持在 500耀1 000 W，而随着 5G 网络的发展，无线设备多以中央单元、分布单元分别设置的方式为主，其中还包括一条中传链路。我国 5G 通信核心网络主要采用云化部署的形式，这种形式以分布单元为中心，并通过专用网元实现网络功能虚拟化（network function virtualization,NFV）服务转换。划分不同的 5G 网络业务场景，采用本地部署形式在分布单元内进行网络部署，部分敏感性较高的延时业务单元向分布单元边缘下沉。在设计接入网时所运用的 5G 通信技术类型更多，如果各项通信技术未充分融合，特别是 3G 接入方式、4G 接入方式等，在接入时通常以单一无线控制器的应用为主，会对 5G 通信传输速度和质量造成严重影响1。2 5G 移动通信前传关键技术2.1 基于纯数字信号 CPRI 协议的网络前传技术现阶段我国基于纯数字信号通用公共无线接口（common public radio interface,CPRI）协议的网络前传技术包括基于波分复用的前传网络与基于时分复图 1 5G 网络能力开放架构应用层第三方应用北向接口能力层开放互通资源编排网络运营能力南向接口网络层基础设施管道能力增值服务数据信息终端通信设计与应用172023 年 9 月用的前传网络两种。（1）基于波分复用的前传网络如图 2 所示。目前，我国的前传网络主要依托 CPRI 连接部署，由于稀疏波分复用形式优势显著，具有结构较为简单、所需投入成本较低等优点，成为当前我国前传网络部署的主要形式。国际电信联盟（ITU）提出的稀疏波分复用（coarse wavelength division multiplexing,CWDM）方案，由 18 条信道组成，各信道之间相距 20 nm，这一方案虽能大幅减少光纤数量，但网络管理运维成本较高。以波分复用无源光网络（WDM谣PON）为基础的前传网络技术现已完成 10伊2.5 Gbit/s 传输试验，其无色收发主要依托反射式半导体放大器实现。应用无色波分复用技术，前传网络中所有光模块无须区分波长，仅对速率进行区分即可。（2）基于时分复用的前传网络能有效控制多信道接入成本。由于光带宽度、数据传输时间会对基于波分复用的前传网络造成影响，因此，结合时分复用和以太网构成全新的前传网络。前传网络主要通过BBU 集中池集中发出数据帧，经过 CPRI 和以太网转换器转换处理后再进入全新的光线路终端，之后基于前传网络数据向众多光网络单元快速传输数据，经转换处理后向射频拉远头（remote radio head,RRH）传输。在二层 C谣RAN 中基于当前以太网进行数据处理，可以降低前传网络成本，但基带是在 RRU中进行处理的，所以会对数据传输时间造成制约2。2.2 基于纯模拟信号传输的前传光载中频技术在我国 5G 网络建设中，RRU 融合了多进多出（multiple谣input,multiple谣output,MIMO）技术，其结构复杂程度越来越高，现阶段 5G 前传网络中已多次应用以纯模拟信号为基础的前传光载中频技术，并取得良好应用效果。假设在 RRU 中设置扇形区 M 个，而且每个扇形区都有天线 N 根，此时光载无线链路中将存在 M伊N 个中载波，同时所有中载波都夹杂基带信息。中载波通过 WDM 系统置于同一根光纤上，相比一般 WDM 的系统，前传光载中频技术中的每一波长可接纳多个传输中频，不仅能降低运营成本，还能实现对宽带资源的优化配置，为波长管理创造有利条件。但半导体激光器固有非线性会影响这一系统的数据传输过程，LTE谣A 信号峰均功率较大，其数值远超出限定范围，对数据传输有一定的限制。2.3 基于 PHY 功能重构的前传技术为进一步降低前传网络应用成本，应控制传输速率在 10 Gbit/s 以下。为达到降低传输带宽的目的，虽可使用信息查询数据压缩技术，但即使将压缩比例设置在 1/3耀1/2 也依然无法达到无线传输要求，所以需要重新设置 RRH 和 BBU 之间的功能分割点。通过分割物理层（PHY）处理，不仅能有效降低传输带宽，还能实现多点传输。在这种结构中重新分割基站功能生成无线信道编码和其他 PHY 结构。此时前传网络传输带宽最大值取决于下行链路无线数据带宽，这一系统结构类似于媒体接入控制（media accesscontrol,MAC）、PHY 的分割结构。此外，MIMO 技术功能被分散，这种结构可通过附近额外信号对传输过程和接入过程涉及的所有业务进行处理。2.4 基于光载射频技术的移动通信前传技术光载射频技术是指在光波上加载射频信号，并通过光纤进行传送，由光电探测器接收并将光纤传送的光电信号转换为射频信号，而后经过天线向用户端发送射频信号，如图 3 所示。光载射频系统中主要包括中心站、基站、光纤链路 3 个部分。中心站主要承担自愿分配、基带调制、射频信号解调、路由交换等任务；基站承担光电信号转换、射频信号接收和发送等；光纤链路的作用是连接基站和中心站。2.4.1 中心站调制光载射频系统的中心站通常应用直接调制和外调制两种方式。其中，直接调制方式通过激光器电流作用对光波输出强度进行控制，从而生成光载射频信号；外调制方式则无须激光器参与，通过外加电场图 3 光载射频系统结构中心站射频信号激光器调制器光纤基站光电探测器射频发射器图 2 基于波分复用的前传网络TP转发器；BBU室内基带处理单元；RRH射频拉远头。BBU#1BBU#2BBU#NTPTPTP中心局复用器姿1姿2姿N姿1姿2姿N解复用器光纤RRH#2RRH#1RRH#NTPTPTP通信设计与应用182023 年 9 月作用来影响激光器输出的光波，产生电光效应、弹光效应以及磁光效应，以晶体驱动电压来控制外调制器输出的光信号，包括信号的频率、相位等。直接调制方式应用优势较多，包括技术较为简单、经济效益较高等，但由于激光器在频率上存在频率啁啾等问题，在数据速率、调制带宽等方面受到一定限制；外调制方式中，激光器和调制器无直接联系，在射频信号调制过程通常不会受到激光器的影响，所以数据速率、调制带宽较高3。2.4.2 基站探测光载射频系统主要通过光电探测器进行信号接收。光电探测器具有较多优势，包括产生的噪声较小、响应带宽较高等。在光电探测器内，数据的光功率和光电流通常存在一定联系，两者主要呈正相关，即光功率越大，光电流越大。同时，光电探测器中的光信号具有多频率特征。由于光电流直流部分和射频部分的组成存在一定的差异，因此相应的频率计算方式以及接收到的信号也存在一定的差异。前者主要是计算每一频率分量的模平方和，后者则是计算每一频率分量光外差拍频信号的周期变化。通过提取射频信号，获取基站内光电探测器中的信号信息，并利用天线将相应的信号信息传递给用户，提高基站覆盖区域内移动终端之间的信息传递速率，提升用户的体验4。2.4.3 光载射频技术应用优势光载射频技术应用优势主要表现在以下 5 个方面：淤光载射频技术能充分发挥光纤通信的作用，以降低损耗、提高带宽、有效抗电磁干扰等。于在射频信号频率逐渐提高、数据速率越来越快的背景下，由于存在电子瓶颈效应，在电域内处理信号的难度越来越大，而应用光载射频技术，可在光域内直接进行滤波信号、移相信号处理后实施光电转换。盂光载射频系统的基站单元主要由光电探测器、射频发送和接收装置、放大电路等组成，其结构较为简单，可有效控制基站大小和运行成本。榆可实现多业务同时传递，射频信号以无线接入方式为主，基带信号以有线接入方式为主，应用光载射频技术，两种信号能同时在光波上加载，通过光电探测器实现信号转换，实现多业务同时传递。虞光载射频技术适用于不同的应用场景，且不受限于移动通信接入网场景5。3 基于光载射频技术的移动通信前传技术应用分析本文以广东省移动通信网络为例，对基于光载射频技术的移动通信前传技术应用进行具体分析。在 C谣RAN 网络架构中应用光载射频技术，支持模拟信号传输，同时将数模转换器件集中在 BBU中，使其结构更为简单。基于光载射频技术，不仅能打造多样化业务服务，还能充分共享网络基础设施和基础资源等，为用户提供更好的使用体验。5G 移动通信快速发展，对移动通信容量和数据传输速度，都提出更高的要求，以光载射频系统为基础模拟前传网络，与数字移动前传网络相比，无论是在信号带宽方面还是在数据速率方面都具有更大优势。基于光载射频系统模拟前传网络侧重独立频段实现，主要集中在两种波段，一种是高频毫米波段，一种是低频波段，不超过 60 Hz。因此，其前传网络架构主要包括以下 3 种：淤以副载波复用为基础的中频前传网络。于以时分复用为基础的低频前传网络。盂以毫米波为基础的前传网络。4 结语在目前 5G 移动通信发展中，相关行业人员应重点研究基于光纤传送网的 5G 移动通信前传关键技术，包括基于纯数字信号 CPRI 协议的网络前传技术、基于纯模拟信号传输的前传光载中频技术、基于 PHY功能重构的前传技术、基于光载射频技术的移动通信前传技术，并探究基于光载射频技术的移动通信前传技术的具体应用，以此推动 5G 移动通信发展。参考文献1 段新芳，杨琳.以光纤传送网为基础的 5G 移动通信前传技术研究J.数字通信世界，2021（1）：159-160.2 齐官文.以光纤传送网为基础的 5G 移动通信前传技术J.数字通信世界，2020（5）：58-59.3 韦承飞.浅谈 5G 前传网络与中国移动综合业务接入区接入光缆网的融合J.数字通信世界，2020（3）：71-72.4 马志远，邢艳茹.基于光纤传送网的 5G 移动通信前传关键技术J.现代工业经济和信息化，2021，11（11）：148-149.5 刘晨，王克信.基于光纤传送网的 5G 移动通信前传关键技术J.中国新通信，2021，23（22）：34-35.作者简介院曹荣（1973），女，汉族，河北南宫人，本科，工程师，主要从事通信工程现场施工管理工作。通信设计与应用19