圖1、5G 前傳（Fronthaul）技術面臨挑戰

前言

本文專注於無線物理層網絡規劃，為5G做準備。本文講述移動前傳物理層以上的協議。這裡的情況變得複雜得多，應為有很多移動部件的數據必須在這裡匯聚在一起。

圖2、移動通信網絡中的前傳（Fronthaul）和回傳（Backhaul）

圖3、5G網絡中的前傳和回傳

問題的核心在於公共無線電接口（CPRI：common public radio interface）協議，其通過光纖在位於小區發射塔頂部的遠程無線電射頻頭（RRH：Remote Radio Head）與位於塔下面的基站之間傳送數字化的RF數據。 自從2003年首次定義出該接口以來，CPRI逐漸替代了小區基站塔上的銅纜和同軸電纜，CPRI的運行速度從低端的614 Mbit / s到高端的高於10 Gbit / s的傳輸速率。

圖4、傳統的基站通過CPRI接口來與天線相連

RRH和基帶單元（BBU）之間的CPRI /光纖連接也被定位為未來集中式RAN架構的關鍵。然而，儘管沒有什麼爭論，基於纖維的前沿是未來，但是擔心的是，CPRI並不能滿足5G的要求。下面我們將討論已經發現的三個挑戰。

MIMO擴展

CPRI需要為每個天線準備專用鏈路 - 無論是採用專用的光纖鏈路，還是更可能的是光纖上的專用波長（dedicated wavelength）。這種專用鏈路的要求變得越來越有問題，因為無線電廠商投資於使用多個發射機和接收機同時傳輸數據的多輸入多輸出（MIMO）技術，從而提高4G和5G無線電的數據傳輸速率。為了說明問題，具有三扇區的2x2MIMO傳輸需要12個CPRI流，因為每個輸入，輸出和扇區需要其自己的CPRI鏈路（即，需要12個光纖波長）。 4x4 MIMO傳輸將需要把該數字增加到24個CPRI鏈路或者波長。事實上，未來的5G的Massive MIMO系統所需要的CPRI鏈路數目將顯著高於這些數字。最初，DWDM供應商喜歡CPRI鏈路和WDM（Wavelength Division Multiplexing：波分複用）波長的想法，但是業界已經清楚的表明，由於要支持MIMO的通道數越來越多，CPRI根本不會經濟地擴展到支持5G中預期的高天線數量。

圖5、廠商的Beamforming天線演進

圖6、有源天線

圖7、需要把IQ數據流映射到天線單元上

功能分裂

鑑於CPRI存在上述可擴展性的挑戰，業界瞭解到，5G需要更高效的前傳技術。然而，這種技術最終可能仍然是激烈辯論的問題。在技術向前發展之前必須解決的一個關鍵點是分離出駐留在RRH中的第1，第2以及第3層協議的功能，“功能拆分”出來，讓其中的一些處理功能駐留在BBU中。在RRH中至少有一些第2層協議功能（以太網），可以在數據到達前傳網絡之前就進行聚合和隨機複用處理 - 從而減少（並且有潛力大大減少）前端傳輸所需要的波長數量。

電氣與電子工程師協會（IEEE）正在努力規範以太網技術（IEEE P.1914.1，參見http://sites.ieee.org/sagroups-1914/p1914-1/），5G基礎設施公私合作伙伴關係（5GPPP，參見：https://5g-ppp.eu/）也正在開展這一領域的研究項目（http://5g-crosshaul.eu/）。然而，一個挑戰是，在RRH與BBU功能性拆分的位置之間即在哪裡開始拆分功能業界並不存在共識，目前正在考慮八個拆分位置選項（見下面的5G功能拆分選項 圖示），在未來的標準中很可能定義幾個（雖然不是全部八個）拆分選項。

圖8、3GPP推薦的5G功能拆分選項

圖9、功能分離選項

功能分離的第二個挑戰是有與處理和延遲有關的權衡。在小區的基站塔執行的處理越多，BBU前面的傳輸引入的延遲就越大。我們在下面更詳細地討論延遲。

圖10、CPRI中的功能分離處理將會導致延時

延遲

C-RAN架構本身由於光纖距離而導致RRH與BBU之間的延遲。使用短光纖來連接一個小區基站發射塔，延遲可能會將不是一個主要的考慮因素，但是C-RAN架構可以將小區基站發射塔放置在距離BBU高達20公里的位置上。

圖10、C-RAN架構

除了傳輸距離外，再加上RRH進行的所描述的功能分開引發的更高級處理，會引入更大的延遲，因此必須仔細地規劃和理解。 CPRI上使用更低層的功能分離的延遲極低，但在使用的帶寬和成本方面的效率卻很低下。而使用更高層次的拆分可以使用較低成本的數據包傳輸，但是還會引入更大的延遲。某些5G應用（如觸覺互聯網，增強/虛擬現實，實時遊戲等）將對RRH和BBU之間的延遲比較敏感。

未來的考慮

隨著整個行業行業逐漸遷移到LTE-Advanced Pro和5G，包括延遲，功耗和CPRI 的bits錯誤率在內等原來在3G和LTE時代不關鍵的需求將對LTE-Advanced Pro和5G帶來重要的影響。在這裡，我們討論了協議選項和單元的功能劃分，而整個行業正在尋求最佳方式來滿足未來的5G應用要求。不管協議方案如何發揮，物理光纖基礎設施的建設將保持不變。

另外，受到建築內無線覆蓋面的日益增長的需求以及移動數據流量的大量湧入的推動，傳統的宏小區不再被認為足以滿足當今無線用戶的需求。此外，迫切需要採用釐米波和毫米波頻譜，以支持5G網絡中的較高數據速率，因此需要使用更小的移動小區。

為了應對日益增長的容量和覆蓋要求，移動運營商正在大幅增加對各種異構網絡或HetNet基礎架構技術的投資，例如戰略部署的小型基站，運營商級Wi-Fi和DAS（分佈式天線系統）網絡。進一步加劇異質性是轉向C-RAN（集中式RAN）架構轉移，其中集中的基帶功能在大量分佈式無線電節點即RRU之間共享，以提供諸如資源池，多小區協調，網絡可擴展性和能效等優點。

業界估計，截至2017年底，全球對小型基站，運營商Wi-Fi，C-RAN和DAS的投資將達到甚至超過150億美元，因為移動運營商仍然致力於應對移動數據流量的持續增長和不斷變化的覆蓋要求。目前，HetNet市場正在面臨一個範式轉變，從小型虛擬化和中立主機到採用無許可和共享頻譜的多重進步。結合5G和 LTE Advanced網絡的推出，這些進展將推動市場在2017年至2020年之間以18％的年複合增長率增長。

關於C-RAN和前傳回傳更多的知識可以參考下面的書籍：

圖、5G Radio Access Networks

“5G Radio Access Networks: Centralized RAN, Cloud-RAN and Virtualization of Small Cells －－ 5G無線接入網絡：集中RAN，雲RAN和虛擬化小基站”

本書講述了C-RAN和虛擬化小基站技術提出的幾個主要的研究挑戰。 這些挑戰包括動態資源分配，基帶池中的自配置，無線電單元（即RRU）和基帶單元（即BBU）之間數據傳輸的高延遲，數據傳輸的成本，網絡中的大量數據處理，軟件聯網，潛在的節能技術，安全性問題 ，遠程用戶的個人數據隱私，虛擬化環境的限制等。本書深入講解了下一代RAN體系結構，並對不同層次文獻中提出的SDN，C-RAN和Small Cell解決方案的共存等問題進行了詳細地講解。

本書的下載地址：http://www.cloudioe.com/info_details.aspx?id=7377&cid=8

結語

協議層的關鍵在於運營商必須明白，前傳將不再由CPRI主導，以太網（Ethernet）的傳輸方式將發揮重要的作用。其他協議，如基於OTN（光傳送網，OpticalTransportNetwork）的前傳技術也可能出現。規劃團隊需要有足夠的靈活性，以適應最終發生的情況。

附註

注：無線 BACKHAUL和FRONTHAUL的區別

移動承載網絡可分為移動前傳和移動回傳兩部分，

移動前傳是指基站RRU到BBU之間的網絡，移動前傳承載主要關注 CPRI 鏈路的高效承載; 業務顆粒為：CPRI,一般都裸纖直驅，最新技術可以用OTN承載,微波技術提供。

前傳的技術要求：

1）接口標準：CPRI

2）站點的Bit速率要求：

●如果3扇區，LTE 20MHz 2*2MIMO，CPRI的bit速率要達到3*2.457Gbit/s

●如果站點支持LTE-A+3G+2G：15個RRH，CPRI bit速率需達20Gbit/s以上

3）時延：CoMP部署要求最大往返時延為200~400μs

4）時延抖動和同步：

●CPRI基帶信號傳輸要求非常嚴格的低時延抖動。

●不但要解決FDD LTE+的頻率同步問題，還要處理好LTE-A系統的時間同步。

●CPRI基帶信號同步。

目前看來對於前傳，光纖網絡是必須的；對於小型站點，可以用微波鏈路作為可選項。

（完）