5G光纤回传与前传技术解析

# 5G 光纤回传与前传技术解析 ## 1. 5G 回传/前传传输网络要求 ### 1.1 同步挑战 5G 无线接入网（RAN）的同步要求（频率和相位/时间）可分为两组： - 3GPP 规定时分双工（TDD）频谱下 5G 天线的时间对齐误差（TAEs）为 3µs，这要求传输网络（TN）确保与主时钟的最大绝对时间误差（max|TE|）不超过 1.5µs，这对用于回传或中传的 TN 提出了挑战。 - 3GPP 还根据载波聚合所用频谱（频率范围内或跨（非）连续频段），定义了基站（前传）集群内的 TAEs，相对时间误差分为 A = 130ns、B = 260ns、C = 3µs 三类，这对前传的 TN 构成挑战。 ### 1.2 可用性挑战 与延迟一样，所需应用决定了可用性挑战。应用或通信服务的可用性是指 5G 端到端网络（RAN、TN 或 CN）用户所使用服务的正常运行时间。对于超高可靠性应用，可用性可用多个 9 来表示。TN 可用性是 3GPP 所定义可靠性的一部分。 #### 1.2.1 光保护 光 1 + 1 保护采用的方案是，信号在源端同时通过两条不同路由的光纤路径桥接到目的地。接收器根据信号质量或外部控制信号选择两条到达信号中较好的一条。工作路径中的信号劣化会使接收器切换到保护通道。这种技术的简单性是以保护路径所需的额外容量为代价的。每条工作/保护路径必须完全节点不相交且链路不相交，可通过分路器和组合器部署该保护机制。不过，在大多数情况下，两条光纤通过同一管道铺设，当管道被切断时，两条路径都会中断，无法提高可用性。运营商可选择安装不同路由的光管道，但这会增加成本，且该保护机制不提供节点弹性。前传网络的弹性预计将在数据包层面部署，如 ITU - T G.8031 以太网线性保护切换、ITU - T G.8032 以太网环保护切换，或基于 MPLS - TP 或 IP/MPLS 的弹性机制。 #### 1.2.2 无源光网络保护 无源光网络（PON）提供了一种全双工光 1 + 1 保护的替代方案，即“B 型”PON 保护。它利用时分复用无源光网络（TDM - PON）解决方案对多个小区站点共享的“资源”进行全双工保护，对单站点资源采用单工解决方案。最后（引入）光纤和光网络终端（ONT）专用于单个站点，可为单工；而光线路终端（OLT）和馈线光纤是共享资源，需要完全复制（1:1）。对于无源馈线光纤，1:1 意味着完全不同路由的电缆；对于 OLT，意味着冗余（地理上分离）的实例。上述保护方式被指定为“PON B 型”，可实现 50ms 的切换时间和短引入电缆，具备五个 9 的 TN 可用性。 ### 1.3 切片的软件控制网络挑战 在满足超可靠低延迟通信（uRLLC）、大规模机器类型通信（mMTC）和增强型移动宽带（eMBB）等服务的端到端带宽、延迟和可靠性要求后，可应用传统的可用服务质量（QoS）策略。此外，为满足不同类型的用户流量和操作、管理和维护（OAM）要求，必须提供适当的端到端网络切片。网络切片为服务提供商和运营商创造了新的商业模式，同时解决了各种应用和用户的服务级别协议（SLA）要求。这种切片技术需要由软件控制器（SDN）作为 OAM 中心的一部分提供灵活的可编程性。 ### 1.4 可编程性和 OAM 挑战 移动传输服务的交付需要在服务交付模型的不同层面正确执行一系列操作。本节将进一步讨论以太网 OAM。为满足各种应用和要求，以太网 OAM 在多个网络层进行了定义。网络中的每一层都使用专用的 OAM 协议。网络提供商、运营商和最终客户部署各自特定的协议，以在其层级监控网络性能。这些不同的 OAM 层在网络上并行运行。为验证移动传输服务是否正常运行，必须支持运营商级 OAM 技术，该技术旨在在运营商级以太网网络上运行，具备运营商级 OAM 和运营商级弹性及可用性。协议栈中的每个传输层都应补充针对服务交付模型不同层级的诊断功能。以太网 OAM 诊断套件基于 IEEE 802.1ag 标准，为以太网网络的安装、监控和故障排除提供管理功能，尤其适用于以太网阶段的 5G 前传。ITU - T Y.1731 对此进行了补充，提供了以太网传输网络中的额外故障管理和性能监控协议，MEF 35.1、30.1 和 17 满足 MEF 服务 OAM 性能监控要求。这些标准与 IEEE 802.1CM 互补，对运营商级以太网传输网络至关重要。对于额外的光层诊断和监控，可考虑数字诊断监控（DDM）。以太网 OAM 在多个网络层的定义如下表所示： |网络层|协议|功能|描述| | ---- | ---- | ---- | ---- | |物理层|DDM|数字诊断|监控接收和发射功率、温度和电压水平| |链路层|IEEE 802.3 链路 OAM|发现|监控链路上设备之间的通信| |||关键事件|报告链路故障和垂死喘息| |||锁存环回|启用与测量设备的链路测试| |||事件通知|报告链路级代码错误和帧错误| |服务层|IEEE 802.1ag CFM 和 MEF 30.1|连通性环回|主动监控网络中设备之间的路径| |||环回|按需发现远程设备或定位/隔离故障| |ITU - T Y.1731 和 MEF 35.1|丢包测量|支持基于帧的帧丢失和帧丢失率测量| |||合成丢包测量|支持基于合成消息的帧丢失和帧丢失率测量| |||延迟测量|支持帧延迟测量| ## 2. 传输网络光纤基础设施 ### 2.1 光纤连接的可用性 为满足未来 5G 无线技术对更高容量和更低延迟的期望，小区站点的密集化将是关键要求。高频段无线电的传播范围较短，导致小区间距离减小，从而提高了小区站点密度。蜂窝运营商将寻求经济有效的方式为这些密集的小区部署提供所需的连接。虽然无线回传解决方案（如毫米波中的微波和集成接入与回传（IAB））有其用武之地，但基于光纤的连接因其高容量和低延迟特性，仍将是技术上的首选。因此，经济地为密集的小区站点边缘提供光纤连接被认为是 5G 技术部署的基础要求。尽管在这些情况下提供光纤连接的经济性复杂且取决于具体的部署模型和场景，但解决方案的一个关键方面是能够让多个用户共享传输基础设施。共享方式有多种，从移动基础设施的 RAN 共享到通过波分复用（WDM）在光波长层面共享传输层，或通过 IEEE 802 系列中定义的交换机中的数据包复用过程或时分复用无源光网络（TDM - PON）在时间上复用多个用户的信号。在新管道中部署多股光纤束是一项昂贵的工作，规划、监管和实施周期长，因此路线选择成为光纤基础设施所有者最关键的业务决策之一。因此，最大限度地利用现有基础设施（如空管道）非常重要，以避免挖掘和相关成本。可考虑混合场景，在有可用管道的地方铺设电缆，在没有管道的地方结合新安装的管道和架空电缆。还需做出一些街道层面的决策，如尽量减少街道交叉、评估路面变化、避免保护区等。会计算不同部署路线的成本，最终选择可能并非最短（或延迟最低）的路径。