什么是前传?

前传定义为 RAN 基础设施中基带单元 (BBU) 和远程无线电头 (RRH) 之间基于光纤的连接。前传源于 LTE 网络,当时运营商首次将无线电设备移到离天线更近的地方。这个新链路的建立是为了补充 BBU 和中央网络核心之间的回传连接。

随着新 5G 应用案例的推出,灵活的前传配置已成为平衡高级 5G 应用的延迟、吞吐量和可靠性需求的重要因素。 

下一代 RAN 正在导致前传光纤部署的增加,以及对多路复用、虚拟化和分离前传架构的更大依赖。这使得 eCPRI 前传成为运营商调查中最重要的 5G 技术之一。VIAVI 为前传性能测试提供了全面的解决方案,包括光纤链路验证、同步和定时测试功能,以及虚拟和基于保障的选项。

Evolution of RAN

 

前传的演变

移动网络中前传的演变反映了宽带网络对光纤的依赖日益增加,因为这两个领域的带宽和延迟需求继续推动光纤部署向更深、更高的方向发展。在 4G 发布之前,光纤主要用于传输网络。更高的性能标准、多输入多输出 (MIMO) 技术的发展以及先进的无线电协调实践,与远程无线电解决方案的出现以及光纤词典引入前传相吻合。

公共无线电接口 (CPRI) 协议最初是由一个 OEM 联盟于 2003 年建立的,旨在定义和标准化 BBU 和 RRH 之间的传输、连接和控制规范。CPRI 基于 BBU 中的协同定位物理层 (PHY)、数据链路层和网络层架构,前传提供 RRH 和 BBU PHY 层之间的链路。CPRI 严格的延迟预算限制了 BBU 和 RRH 位置之间的物理分离。

CPRI 使用同步数据传输协议,其比特率取决于天线数量,因此传输速率不会随着用户负载的变化而调整。这就好比一列火车在离开车站时,一次出行的乘客寥寥无几,而返回车站时,却发现已经挤满了等待下一趟列车的乘客。

CPRI 的标签负担很重,统计复用有限。这些固有的 CPRI 低效率对于 4G/LTE 前传来说是可行的,但是对于大规模 MIMO、高带宽和低延迟的 5G 传输来说是非常不现实的,而且成本也很高。由 3GPP TR 38.801、IEEE 和 ITU-T 定义的创新解决方案要求对 BBU 元件进行功能划分。

这种新架构模型的组件被定义为 RU(以前称为 RRH 和 RRU)、中央单元 (CU) 和分布式单元 (DU),CU 和 DU 之间的新链路被恰当地称为中传。RAN 虚拟化使 BBU 功能可以在不同的元件中定位或共置,具体取决于 OSI 层之间的哪个功能划分最适合应用案例需求。分离架构的灵活性对于同时优化 5G 前传网络上的关键应用案例至关重要。

Functional Split

Functional Split in PHY

 

前传与回传

分离式 RAN 架构改变了传统的前传和回传定义。在最早的版本中,回传被简单地描述为无线网络和有线网络之间通过电缆或光纤的连接。当依赖 LTE 和一条新的连接集中基带单元和单个无线电头的链路提高带宽和效率时,前传成为了一个必要的补充。

当前传和回传架构(以及中传)结合在一起时,它也被称为 crosshaul(或者 x-haulxhaul)。

网络功能虚拟化 (NFV) 为模块化和定制创造了新的机会,进一步打破了现有的模式。DU 和/或 CU 功能可以与 RU 集成,DU 可以与 CU 结合,或者每个元件可以在不同的位置独立工作。在每种情况下,回传仍然提供到核心的连接链路。

Fronthaul evolution

 

O-RAN 前传

传统上,大型设备供应商以专有方式实现 CPRI,这使运营商只能为前传网络架构使用单一供应商方法。打破这种孤立的意识形态是开放式 RAN (O-RAN) 背后的基本概念。O-RAN 联盟致力于向多供应商、自主的 RAN 元件的结构化迁移。

对于 O-RAN 前传,使用通用硬件和软件的开放、虚拟化架构将促进来自不同供应商的开放分布式单元 (O-DU) 和开放无线电单元 (O-RU) 等组合之间的互操作性。这种标准化将使竞争环境变得公平,刺激创新,同时允许运营商透明且经济高效地混合和匹配前传元件。

前传网络

实现千兆比特的速度和 1 毫秒的延迟提高了 5G 基础设施所有方面的标准,包括前传传输能力的既定边界。光纤是可以克服这些障碍的传输介质,具有可扩展的光纤管理和灵活性,以满足不断增长的前传需求。暗纤(如果可用)是最具成本效益的选择,可立即提升前传网络容量。该解决方案还提供了最佳选项之一,部署速度快,对延迟的影响最低。 

WDM

波分复用 (WDM) 可以更有效地利用前传光纤链路。通过在多个波长上传输,来自多个天线的流量可以通过单根暗纤在网络中传输。粗波分复用 (CWDM) 允许运营商同时传输多达 18 个信道。CWDM 的被动性质降低了成本和复杂性。设计为利用掺铒光纤放大器的密集波分复用 (DWDM) 可以创建多达 96 个独立信道。DWDM 可以主动部署,也可以被动部署,具体取决于所需的距离。混合 WDM 选项还可以通过在选择的 CWDM 信道上传输多个 DWDM 频率来提高吞吐量。

无源光网络 (PON)

无源光网络 (PON) 利用光分路器创建点到多点拓扑。支持统计复用的无源光纤拆分是大规模 MIMO 技术固有的 RU 连接密度的一个潜在平衡。

5G 前传网络中引入的每一个额外拆分都可以使现有容量翻倍,但即使在理想的连接条件下,也会带来最小 3dB 的损失。像 WDM-PON 这样的新创新通过在传统 PON 网络上叠加新的波长而不损害现有固定接入服务的带宽,从而将使能技术结合起来。 此外,NG-PON2 正在兴起,该技术利用具有多个 10G 波长的波分复用(上行和下行)来提供对称的 40 Gbps 服务。NG-PON2 对 G-PON 和 XG/XGS-PON 使用不同的波长,使得这三种波长可以在同一个 PON 网络上共存。

PON Architecture

 

5G 前传

5G 的高级应用案例包括增强型移动宽带 (eMBB)、大规模机器类型通信 (mMTC) 和超可靠低延迟通信 (uRLLC)。每种应用案例都会给 5G 前传性能带来不同的挑战。具有 99.9999% 可用性要求的无人驾驶汽车等 uRLLC 应用必须与高度分布式或数据密集型 5G 应用(例如 IoT 或超高密度流)保持一致。

对于一个应用案例来说被认为是最佳的拆分前传架构对于其他应用案例来说可能是限制性的,甚至是禁止性的,这使得灵活性成为最重要的考虑因素。通过取消网络隔离、引入高级别的虚拟化和实施基于分组的同步,这三种截然不同的 5G 应用案例可以同时在同一网络上得到有效支持。

5G 前传架构

5G 前传架构的发展创造了八个独立的功能部署选项,每个选项在延迟、容量和复杂性方面都有其固有的优势和缺点。每个选项都是由物理层、数据层和网络层之间根据 RU、DU 和 CU 的配置和位置选择的划分点定义的。选项 8 相当于当前的 CPRI 配置,高级别拆分发生在 BBU 和 RRH 的低物理层之间。

向固定位置的用户提供高带宽服务的固定无线应用程序有利于选项 2,它将实时功能放置在无线电头中,并创建一个 RU/DU 功能元件。由于多无线电元件的高水平协调是不必要的,在 RU 位置放置更多的功能可以减少前传的带宽和延迟负担,因此允许 CU 放置在距无线电头几十公里的位置。

相反,对于 eMBB 应用案例,选项 6 和 7 仅将物理层无线电功能与 RU 配对,而附加层保留在 CU/DU 中。这更有利于移动应用中多个无线电设备的协调,并减少前传比特率支持。这些选项还引入了更严格的延迟要求,限制了 RU 和 DU 之间的地理隔离。

Key Capabilities

 

eCPRI 前传

为了使 5G 前传组件的拆分架构标准化,CPRI 联盟于 2017 年发布了首版增强型公共无线电接口 (eCPRI) 协议。采用 eCPRI 前传的既定目的是降低无线电设备 (eRE) 和无线电设备控制 (eREC) 之间的数据速率需求,同时限制复杂性。同步 CPRI 数据传输被采用以太网或 IP 的更有效的基于分组的协议所取代。

可满足未来需求的 eCPRI 前传接口通过使用协调算法实时分析流量和划分流量优先级来优化无线电性能。eCPRI 协议确定了三个面,这三个面是 eRE 和 eREC 之间交互所必需的。这些面包括用户面、同步面以及控制和管理面。用户面传输定义对数据帧、数据包和标头格式进行标准化,而同步及控制和管理面不受 eCPRI 协议的显式限制。

前传传输网络节点 (FTN)

当 CPRI 和 eCPRI 在融合前传配置中同时部署时,前传传输网络节点 (FTN) 可用于管理以太网接入环。这个场景需要一个有效的测试解决方案,以确保延迟和同步需求符合规范。

FTN Network Architecture
 

VIAVI MTS-5800-100G 可用于在实验室验证 FTN 性能、执行 eCPRI 测试以及精确测量吞吐量、延迟和抖动。这些灵活的手持式网络测试仪还可以通过 RFC 2544 和 Y.1564 测试方法有效地执行 GPS 信号稳定性测试、PTP 定时错误测试和以太网激活。

Fronthaul Test Applications

 

前传测试

5G 前传网络极其依赖于光纤连接以获得最佳性能。下一代前传架构还需要复杂的实时频谱分析、定时和同步测试能力。VIAVI 定时扩展模块 (TEM) 可以通过在坚固的现场便携式封装中提供精确到纳秒级的 5G 前传定时和同步测试功能,来补充手持式 MTS-5800 系列网络测试仪。TEM 还可以进行精确的 PTP 定时误差和 PDV 测量。

广泛的前传部署选项使多功能基站分析仪具有光纤测试、5G 服务激活、以太网线速率和 OTN 测试功能,这些功能无论在实验室还是在现场都非常重要。便携式 CellAdvisor 5G 测试仪器为 5G 前传测试验证、基站安装和调试、大规模 MIMO 和天线波束验证提供了完整的解决方案,并集成了光纤检测和验证功能。

通过 PON 和 WDM 技术对光纤分割和复用的依赖也增加了前传光纤测试要求的复杂性,使得传统的可视故障定位仪 (VFL) 和功率监控实践不足以应对某些情况。

VIAVI 系列光纤工具从手持式光纤检测和清洁工具扩展到功能强大的 FiberComplete 解决方案,可检测复杂光纤线路中的不良事件,并执行双向插入损耗 (IL)、光回波损耗(光回损测试)和 OTDR 测试。

随着前传网络继续利用 PON 技术来满足不断增长的容量需求,前传测试实践将受益于专用的 PON 解决方案来构建、激活和维护 5G 前传安装。这包括波长选择性 PON 功率表(用于灵活地调整已部署的 PON 技术标准)、用于验证和映射 PON 网络的集中式 PON 测试,以及特定于 PON 的 OTDR 测试解决方案。

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