5G前传3.0技术白皮书

1、目录 HYPERLINK l _bookmark0 5G 前传进入 3.0 时代 2 HYPERLINK l _bookmark1 5G 前传 3.0 驱动力 3 HYPERLINK l _bookmark2 5G C-RAN 架构变化与 5G 品质业务发展矛盾驱动 3 HYPERLINK l _bookmark3 5G C-RAN 架构变化故障点分析 3 HYPERLINK l _bookmark4 5G C-RAN 现网故障点分析 5 HYPERLINK l _bookmark5 5G C-RAN 现网可用度评估及提升手段分析 6 HYPERLINK l _bookmark6 5G 网络末

2、梢海量模块和光缆主动运维驱动 6 HYPERLINK l _bookmark7 5G 综合业务接入驱动 8 HYPERLINK l _bookmark8 5G 前传 3.0 目标方案 10 HYPERLINK l _bookmark9 半有源 5G 前传方案架构 10 HYPERLINK l _bookmark10 前传网络 99.99%业务可用度 11 HYPERLINK l _bookmark11 前传网络可管可控 11 HYPERLINK l _bookmark12 容量提升光纤更省 12 HYPERLINK l _bookmark13 多业务承载能力 13 HYPERLINK l _b

3、ookmark14 5G 前传 3.0 关键技术 15 HYPERLINK l _bookmark15 制冷型模块 15 HYPERLINK l _bookmark16 调顶检测技术 16 HYPERLINK l _bookmark17 多载波调幅 17 HYPERLINK l _bookmark18 单载波调幅 18 HYPERLINK l _bookmark19 光层倒换技术 18 HYPERLINK l _bookmark20 OTDR 精准定位技术 19 HYPERLINK l _bookmark21 5G 前传 3.0 产业支撑 21 HYPERLINK l _bookmark22

4、总结与展望 22 HYPERLINK l _bookmark23 A 缩略语 235G 是国家新基建战略最热门的领域，中国基础网络先行建设的思路，在 5G 中发挥的淋漓尽致，“宁可路等车，不能让车等路”的比喻是非常形象的。2020 年 5G 建设会取得很大的进展，预计到 2020 年年底我国会部署超过 60 万基站，据不完全的统计，目前在 30 多个行业，有 300 多种 5G 商用的应用案例，尤其是在媒体直播、远程医疗、智能制造、智慧矿山、智能港口等新兴领域的应用非常成功，在整个抗疫过程中也发挥了非常积极的作用。从整个 5G 生态，和 5G 的全生命周期来看，中国的 5G 才刚刚开始，一方面

5、基站数离预计总量 500 万还有很大的距离，目前的几百种应用离使能千行百业，尤其是 4 个9，甚至 5 个 9 的高可靠性应用来说，5G 才刚刚起步。5G 网络，大量采用BBU 集中的 C-RAN 的方式进行部署，5G 前传是 5G 网络最重要的部分之一。随着 5G 建设的快速推进，5G 前传方案也在快速迭代，已经经历了前传1.0 和 2.0 时代，正在进入 5G 前传 3.0 时代：前传 1.0（2018H2）：采用光纤直驱方案。利用现网空闲光纤资源满足了快速开站的诉求，但因为光纤消耗大，现网存在光纤不足问题；前传 2.0（2019H2）：采用纯无源 CWDM 方案。一定程度缓解了光纤不足的

6、困难，加速了 5G 基站的开通，但改方案无管理和运维手段，故障定位困难，同时无法为 5G 2B 及重要 2C 业务提供网络保护；前传 3.0（2020H1）：采用半有源方案。随着站点增加、5G 业务的上线、运维矛盾逐渐凸显；同时 5G VR/AR 及 2B 行业品质业务逐渐部署，主动运维和业务保护驱动了半有源解决方案的出现和成熟，5G 前传网络建设进入半有源建设的 3.0时代。5G 前传 3.0 驱动力5G 前传 3.0 是 5G 建设的必经阶段和必然需求，主要驱动来自三个方面，一是 5G C- RAN 架构变化与 5G 品质业务发展矛盾驱动，二是 5G 网络末梢海量模块和光缆主动运维驱动；三

7、是 5G 综合业务接入驱动。5G C-RAN 架构变化与 5G 品质业务发展矛盾驱动5G 网络面向千行百业，传统业务一般要求 99%99.9%可用度，而 5G 品质业务如 2C VR/AR 以及 2B 医疗和工业控制等要求 99.9999.999%可用度，前传光纤直驱和纯无源 CWDM 方案业务可用度较低，普遍 99%甚至达不到 99%，无法支撑 5G VR/AR 及 2B 行业应用业务的发展。5G C-RAN 架构变化故障点分析4G 时代，典型采用D-RAN 架构，RRU 和 BBU 间灰光光纤直驱，距离在 100m 以内；BBU 以上回传接入层采用环型组网，基站间光缆穿越光交采用熔纤方式，

8、站间光纤距离 12km。5G 时代，典型采用C-RAN 架构，BBU 集中放置到BBU 集中机房，AAU 和 BBU 间采用灰光光纤直驱或者彩光互联，AAU 和 BBU 间采用配线和主干光缆 P2P 组网，一般会经过配线光交和主干光交 3 个跳接点，光纤距离一般不超过 10km，BBU 回传接入层采用环型组网，光缆穿越光交采用熔纤方式，站间光纤距离一般不超过 10km。无论是 D-RAN 还是C-RAN 组网模式，BBU 以上都采用成环保护，光缆经过光交都采用熔纤方式，因此 BBU 以上接入层组网故障点是类似的，主要差异点还是在BBU 到 RRU/AAU 前传组网的变化导致的故障点，主要故障点

9、来源于光纤、光模块、合分波器，主要分析结论如下：D-RAN 灰光直驱：潜在故障点最少，因距离在主要 100M 以内，光模块不存在预算不足问题；C-RAN 无源彩光：潜在故障点最多，因距离拉远需要增加考虑光模块链路预算不足故障点，同时因为在远端站点和局端机房都增加了合分波器，因此光纤故障点倍增，同时还需要考虑合分波器端口和脏污故障点；C-RAN 灰光直驱：故障点数量介于D-RAN 灰光直驱和 C-RAN 无源彩光之间。5G C-RAN 现网故障点分析5G C-RAN 架构无源彩光和 C-RAN 灰光直驱原理上故障点比D-RAN 架构多，现实组网是否也是如此？为此选择典型省份做现网分析，分析的方法

10、都是从无线网管系统上采集 1 个月时长的告警信息，分析单网元（单基站）告警数量和平均故障处理时间。A 省：4G 采用 D-RAN，5G 采用 C-RAN，单网元告警量 5G 是 4G 的 10 倍，单故障平均处理时长 5G 是 4G 的 2.5 倍。具体故障数量统计如下：具体故障类型占比统计如下：从告警类型分析：单网元告警量 5G 是 4G 的 10 倍。5G AAU 集成天线单元，驻波告警大幅降低；故障点主要集中 BBU CPRI 接口，5G 相比 4G 增加近 1 倍；5G BBU CWDM 彩光模块故障率为 4G 灰光模块故障率的 5.7 倍；从告警平均处理时长：单故障平均处理时长 5G

11、 是 4G 的 2.5 倍。5G BBU CPRI接口异常告警增加到 4G 的 4.12 倍，5G 射频单元CPRI 接口异常告警增加到 4G的 2.87 倍。通过A 省实际现网的告警分析，说明 5G 接入网C-RAN 无源彩光和C-RAN 灰光直驱故障点比D-RAN 组网多既符合理论分析，也符合现网真实情况，采用光纤直驱和无源彩光构建的 5G C-RAN 前传网络可靠性非常堪忧。5G C-RAN 现网可用度评估及提升手段分析BBU-AAU 接口导致的业务不可用率=（告警总时长*影响业务的告警比例）/ (站点数量*30 天*24 小时)5G 业务可用度=1- BBU-AAU 接口导致的业务不可

12、用率以 A 省为例，即使 10%的 BBU-AAU 告警影响业务，5G 因前传段导致业务不可用率高于 1.43%，也就是说 5G 业务的可用度最高也不超过 98.57%，不满足 5G 品质业务可靠性要求。为提升 5G 前传网络业务可用度，5G 前传 3.0 方案必须从故障数量和恢复时长上同时优化，要将优化到 4G D-RAN 的水平，才能满足 99.9%最低可用度要求：故障数量减少：比无源CWDM 更可靠方案，链路余量更高，监控链路提前排障，最好提供保护路径等；恢复时长缩短：前传链路监控，无线传输一次定界，远端近端一次定位，一次上站修复。5G 网络末梢海量模块和光缆主动运维驱动接入光缆归属传输

13、团队负责，在 4G 时代，多以 PTN/IPRAN 设备组环，接入缆在传输管理系统是可视的，5G 时代，C-RAN 建设光纤直驱和纯无源CWDM 部署后，接入缆成为了哑资源，传输人员定位问题需要拿着仪表到现场定位，5G 运维模式从 4G 主动运维退化为落后的人工现场排障方式。挑战 1：传输域需要专门设置 5G C-RAN 现场运维团队，人员 OpeX 高。末梢光缆类似海量毛细血管，未来全国 400500 万 5G 基站，即使 300 万站采用前传，平均前传光缆 2km，也有 600 万公里，绕地球 150 圈；前传光模块数量也非常庞大，预计达到 3000 万支。按照 100200 基站设置 1

14、 个运维人员，300 万基站需要设置 1.53 万运维人员，人员开支至少每月在 12 亿 RMB；挑战 2：故障定位时间长，影响 5G 2C&2B 业务客户体验甚至流失客户。接入光缆因为城区地铁、高铁、楼宇建设，经常光缆被挖断，整个前传路径非常复杂，且无网管监控，就是哑资源，网络排障非常困难，出现问题需要逐段排查，经常需要在无线和传输之间来回确认，在远端站点和近端站点之间来回更换模块、跳纤才能定位。从 A省的排障经验来看，定位了一个近端光纤异常的问题花了 9 小时，定位了一个主干光纤驻波反射严重的问题花了 15 天。平均来看，C-RAN 无源前传排障时长相比 D-RAN故障排查时间增加一倍，基

15、本一天只能恢复一个站点业务。为了减少运维人员，降低故障定位时间，5G 前传 3.0 引入必须引入主动运维监控功能，实现彩光模块、支路光纤、线路光纤的准确定界，减少运维人员拿仪表来回跑以及无线与传输沟通时间，可以实现与 4G D-RAN 架构相当的运维效率和运维人员配置。5G 综合业务接入驱动随着综合接入区的建设推进，接入层一张光缆网络服务于综合业务接入，不仅包括传统的家宽、5G 移动外还有运营商主要价值增长的专线业务。因此一张光缆网一网多用外，接入层设备也需要考虑综合接入能力：大型综合接入区：BBU 集中机房位于接入光缆的上边缘，典型在 1015 个无线基站，要求设备具有政企专线、OLT 回传

16、、5G 兼顾 4G 前传等综合接入能力：小型综合接入区：BBU 集中机房位于接入光缆的下边缘，典型在 56 个无线基站，要求设备在商业楼宇、政府、医院、园区等具有政企专线、5G 兼顾 4G 前传等综合接入能力；县乡波分综合接入：末梢设备要求考虑Mini-OLT 和前传综合接入，局端机房设备要求考虑线县乡 5G 回传拉远综合接入。近期多个省份针对接入多业务的发展，已经在光缆规划和设备能力要求上开始探索：B 省：考虑政企专线和 2B 业务发展，针对接入光缆做综合接入改造，要求主干光交上行光缆具备东西向路由，针对 5G 前传和政企专线部署主干光缆保护方案；C 省：针对远端机房 C-RAN 改造后，远

17、端机房接入专线需要重新疏导，需要把专线业务接入前传设备。5G 前传 3.0 目标方案为了满足 5G 品质业务 99.99%99.999%要求，提升 5G C-RAN 海量光纤和模块主动运维能力，实现 5G 综合业务接入演进，5G 前传 3.0 的目标方案是半有源 5G 前传方案。相比纯无源CWDM，半有源 5G 前传方案在业务可用度、可管可控、波长容量及多业务接入四大能力上增强和提升。半有源 5G 前传方案架构半有源 5G 前传方案架构包括 5 大核心部件：彩光模块： 匹配 AAU 全室外应用，要求-4085工业级模块，匹配极寒极热环境可靠性要求；支持调顶 OAM，实现模块状态监控；10km

18、链路性能，具备模块脏污、松动链路性能容忍能力。远端无源合分波：匹配分纤箱和室外综合柜-4070环境温度可靠性要求，满足抱杆、挂墙等室外部署 IP65 防水防尘要求；局端有源设备：提供 5G 前传、4G 前传、政企专线、OLT 回传等综合业务接入；局端监控板：提供合分波线路及支路、光模块故障监控，支持线路 1+1 保护；网络管理系统：提供前传网络网络拓扑管理、实现线路光缆、支路光缆、模块性能和告警管理。前传网络 99.99%业务可用度半有源 5G 前传方案瞄准关键部件、网络链路、设备形态全面提升网络业务可用度。部件级可靠性保证：彩光模块内置TEC，匹配工温要求，又能保证模块高性能；合分波器支持工

19、业级应用，IP65 防护等级。链路级可靠性保证：实时线路性能监控；光模块状态全监控；50ms 线路保护倒换。系统级可靠性保证：电源、主控、风扇 1+1 保护，局端设备可用率 99.999%；局端监控&合分波单板，设备掉电不影响合分波业务。前传网络可管可控半有源 5G 前传方案实现了 4 级故障运维管理机制，前传网络故障可远程快速定界，直接定位是模块、尾纤和干线问题；一次上站修复，大幅缩短业务中断时长。传输和无线专业维护界面清晰，减少了无线和传输专业多次沟通过程，提升了运维效率。级故障运维管理机制实现如下目标：模块级监控：提供了超过 10 种性能、告警监控，故障主动告警；波长级监控：通过调顶信息

20、实现波长的监控，能够区分远端和近端波长信息；光纤级监控：通过支路和主干光纤的染色功能，能够一次定位到局端还是远端的主干路、支路光纤异常；网络级监控：借助集中部署的 SDN 控制器和网管系统，实现全网性能的收集、管理和监控。未来基于大数据和 AI 的分析，能够为 5G 网络的优化部署、性能调优、网络性能，甚至末端光缆的管理都提供了更大的可能。容量提升光纤更省中移动 2.6G 5G 双模站、中国电信和中国联通 3.5G 共建共享站需要考虑 6*25G eCPRI前传接口承载，如果考虑BBU 机房最大接入 20 个基站，不同前传承载方案光纤需求差异明显：光纤直驱：每基站 12 芯光缆，主干光缆需要

21、240 芯光缆；纯无源 CWDM：6:1 光纤收敛，每基站 2 芯光缆，主干光缆需要 40 芯光缆；半有源：12:1 光纤收敛，每基站 1 芯光缆，主干光缆需要 20 芯光缆。5G C-RAN 架构下光纤直驱方案对现网接入光缆挑战非常大，基本上接入主干缆都需要铺设，采用纯无源和半有源可以极大节省光缆，但半有源通过 12:1 光缆收敛，可以实现 1 站 1 芯以后，接入主干光缆相比纯无源光缆纤芯减少 50%。根据 D 省调研情况看，光纤直驱下所有区域主干光缆都要重新铺设；纯无源 CWDM 下，3 个区无需铺设光缆的场景比例分别约为 10%/50%/80%，半有源下比例提升为 50%/60%/10

22、0%。更为重要的是，半有源线路光缆减少 50%后，部署基站阶段，主干光缆纤芯调测时间减半，开站更快；后期运维阶段，线路光缆发生故障的概率也最大减少 50%。另外，同等数量的主干光缆纤芯下，纯无源CWDM（6:1）保护改造还需要铺设光缆，半有源（12:1）可以支撑保护配置。多业务承载能力半有源 5G 前传满足多业务承载主要通过几个层面来满足：局端设备：提供 5G 前传、4G 前传、政企专线、OLT 回传等综合业务接入；彩光模块：25G 光模块需要考虑多速率和多类型兼容，提供 25G eCPRI、25G ETH、 10G ETH、CPRI 28、CPRI 10、STM-1/4/16/64、OTU0

23、/1/2 等多业务接入；单纤波长容量提升：除了覆盖 5G 12 波 25G 以外，还需要考虑 4G 10G 及专线等多业务接入的波长需求。5G 前传 3.0 关键技术5G 前传 3.0 半有源方案实现前传网络可管、可控、可靠主要得益于制冷型模块、调顶检测、光层倒换、OTDR 等几个关键技术。制冷型模块为了支撑AAU 室外应用，光模块需要具备-4085壳温能力，确保在极寒极热环境下光模块波长漂移不超过合分波器通带宽度，达到前传网络稳定的链路性能，当前成熟的技术是在光模块内增加 TEC 器件，类似一个光模块空调器件，确保外界环境温度变化过程中激光器温度恒定，保证恶劣环境下光模块稳定的性能和可靠性。

24、制冷型模块相比非制冷型CWDM 模块主要实现了 4 大增强：增强点 1：模块性能增强 2dB+，提升出光功率和灵敏度，提供恶劣环境下可保证 10Km 的链路预算性能；增强点 2：模块波长容量翻倍，采用 TEC 温度控制技术实现波长扩展和波长控制，实现 12 波 25G 大容量，支持 5G 双模，或者反开 4G 场景，也能自适应到 10G CPRI 支持 5G+4G 共站部署；增强点 3：模块可靠性和环境适应性增强。光模块内置TEC 可以保证模块在工温范围内稳定工作，模块性能不会随温度变化而劣化。此外，光模块内置 TEC 保证激光器长期工作在适宜的温度，激光器性能更好，可靠性更高；增强点 4：模

25、块运维监控增强。在光模块引入调顶技术，能讲光模块上的各种性能、告警数据调制到中心波长上，传到局端的检测单元上，实现对光模块的近 20 种性能监控和管理。调顶检测技术多载波调幅和单载波调幅技术都可以实现轻量级光层 OAM 功能，可以进行光纤链路故障定界、模块性能监控和故障定位。在不同的运维阶段，需要支持不同的运维能力。通过实时监控可以分析整个前传网络的质量，能够提前识别故障进行告警，发生链路故障时能够快速准确定位故障产生的原因和位置。多载波调幅多载波调幅调顶的光模块会产生不同的载频信息，该载频信息和模块波长一一对应。通过接收不同载频的调顶信息，单个光电二极管 PD 就可以很容易检测到不同模块的调

26、顶信息。该机制实现光模块的性能监控和光纤链路的故障定界，可实现全故障监控，整个检测区域无盲点，更易实现网络智能运维。多载波调幅方案的整个系统实现简单，集成度高，成本更优，并能够很容易实现更多波长的调顶信息扩展。单载波调幅单载波调幅方式相比多载波调幅方式对 MCU 的要求更低，技术实现相对简单。但每个模块的调顶信息都必须要一个单独的 PD 进行检测，因此检测成本高，集成度差。通过在模块内增加反射功能，使系统只需在 BBU 侧光模块发射端的跳线上进行分光检测，就可以节省 6 个 PD，且避免了在接收端光模块的跳线上进行分光，会造成调顶接收困难和引入额外链路插损的问题。单载波调幅方案对远端合分波器接

27、收方向和局端合分波器发送方向的故障点无法区分，因此局端合分波故障无法监控。光层倒换技术为了降低检测+保护倒换带来链路的插损，前传 3.0 保护技术是基于模块 OAM 组合状态判断倒换，为了快速倒换，除了光模块 LOS 需要保护倒换单元与调顶检测单元共单板，确保板内快速倒换。保护单元由远端无源合分波线路 1*2 分光器双发及局端有源 1*2 光开关选收控制单元组成，通过局端线路光功率检测信号判断主备路径倒换实现光层 1+1 保护倒换。为了实现精准和 50ms 快速倒换，主备路径都需要有光功率检测单元。保护单元局端形态要求插卡式结构，远端集成到无源合分波器盒子。半有源护系统结构图：OTDR 精准定

28、位技术OTDR 可以实现线路光纤的数字化管理，准确定位光纤的故障点，实现光缆故障的快速定位和处理。OTDR 是通过发射光脉冲到光纤内，接收并分析光在光纤中传输时各点产生的瑞利背向散射光和菲涅尔反射光，实现链路损耗计算与故障定位。单板的内置光发送单元发送探测光到光纤，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的因素影响而发生瑞利散射与菲涅尔反射现象。通过采集并测量这些散射与反射光信号，以测量轨迹的形式来显示，这个轨迹可以描绘出整段光纤内信号的强弱，从而可以分析出光纤各点的衰减程度，光纤局部规则性、断点及接头和连接器引起光功率损耗。OTDR 可以采用独立板卡或可插

29、拔模块形态，实现根据场景诉求灵活配置。5G 前传 3.0 产业支撑从产业标准看，中国三大T 已经完成半有源企业标准的制定，同时中国行业标准也在 2019 年已经立项；2020 年中半有源国际标准也纷纷开始立项申报，预计 2021 年 CCSA 和 ITUT 发布半有源前传相关标准。从产业能力看，主要的设备厂商、光模块厂家、激光器厂家和无源合分波器厂家都已发布可商用产品，在中移动已经有多家完成半有源产品商用能力测试，在中电信/中联通，也有不少厂家完成了半有源产品测试，半有源产品已经成熟可商用。从商用试点看, 半有源产品已经在全国 30 多个省市进行了大规模的试点商用，试点结果符合预期，在大容量、可维护性、网络可用性上，优势明显。同时不少省份进行了 5G 半有源的公开招标和部署，比如浙江、福建、海南和山西等，越来