谷志群，肖玉明，張佳瑋，紀(jì)越峰

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

隨著移動數(shù)據(jù)流量極速增長、多元業(yè)務(wù)持續(xù)涌現(xiàn)，對優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)高度需求的5G時(shí)代已經(jīng)到來，無線接入網(wǎng)絡(luò)(radio access network，RAN)必須向著更高效率、更低成本的方向邁進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)大容量、低時(shí)延、低成本的數(shù)據(jù)承載，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被引入并推動未來RAN向光與無線融合的方向演進(jìn)。目前，國內(nèi)外主要針對光與無線融合接入下的組網(wǎng)架構(gòu)、接口設(shè)計(jì)、控管技術(shù)等方面展開研究。對此，本文綜述了無線接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)演進(jìn)及關(guān)鍵技術(shù)，并分析了光與無線協(xié)同中面臨的挑戰(zhàn)及問題。

1 無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)過程

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)流量及用戶規(guī)模持續(xù)上揚(yáng)。根據(jù)《中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截止到2020年12月，全國移動用戶上網(wǎng)規(guī)模達(dá)到9.86億，成為帶動我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量[1]。國際上，根據(jù)Cisco VNI報(bào)告，預(yù)計(jì)至2022年全球移動數(shù)據(jù)流量將達(dá)到每年930 EB，相比于2017年增長7倍[2]。此外，2022年全球移動設(shè)備數(shù)量將突破120億，其中5G設(shè)備占3%(約4.2億)，平均每個(gè)5G設(shè)備單月將產(chǎn)生超過20 GB的移動流量。隨著移動流量、用戶數(shù)量、終端設(shè)備量的快速上漲，移動通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也在不斷演進(jìn)。

隨著用戶需求的不斷升級，未來移動通信網(wǎng)絡(luò)將是面向差異化場景、多樣化業(yè)務(wù)而構(gòu)建的高性能網(wǎng)絡(luò)，需在數(shù)據(jù)速率、傳送時(shí)延、流量密度、連接數(shù)量以及能耗效益等方面進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能[3]。移動接入網(wǎng)絡(luò)作為萬物互聯(lián)的最前端，負(fù)責(zé)將終端連接至核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或邊緣數(shù)據(jù)中心，在移動通信發(fā)展過程中扮演著至關(guān)重要的角色，發(fā)揮著關(guān)鍵的基礎(chǔ)性支撐作用[4]。隨著通信技術(shù)的迭代升級，以及接入側(cè)需求的不斷提升，移動接入網(wǎng)架構(gòu)經(jīng)歷了從“分布式無線接入網(wǎng)(distributed radio access network，D-RAN)”到“集中式無線接入網(wǎng)(centralized radio access network，C-RAN)”，再到“下一代無線接入網(wǎng)(next-generation radio access network，NG-RAN)”三個(gè)發(fā)展階段[5]。

1) 如圖1所示，在D-RAN架構(gòu)中，基帶處理單元(BBU)和射頻單元緊密耦合在一起，基站處理后的用戶數(shù)據(jù)通過回傳網(wǎng)絡(luò)傳輸至核心網(wǎng)。在基站內(nèi)部，天線與射頻單元間通過短距離饋線實(shí)現(xiàn)連接。該架構(gòu)在3G及4G時(shí)代被廣泛應(yīng)用。D-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢在于：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及組網(wǎng)部署簡單，且各基站配備專用處理器可獨(dú)享處理資源，處理速度較快；該架構(gòu)劣勢在于：每個(gè)基站都需要獨(dú)立的機(jī)房、冷卻系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等，因此單基站的部署成本及能耗較高。此外，因地理位置的不同，各基站用戶流量的波動規(guī)律不盡相同，但處于閑時(shí)狀態(tài)的基站的處理資源無法共享給其它站點(diǎn)，進(jìn)而使得D-RAN的整體資源效率較低。

圖1 D-RAN架構(gòu)示意圖[5]Fig.1 Diagram of D-RAN architecture

2) 隨著網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)與技術(shù)的發(fā)展，為克服D-RAN中存在的弊端，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本，C-RAN架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。如圖2所示，在C-RAN架構(gòu)中，BBU被從傳統(tǒng)基站中剝離出來，多個(gè)基站的BBU被集中在一起形成BBU池。分布式部署的遠(yuǎn)端射頻單元(RRU)與BBU之間通過光前傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。該種架構(gòu)在4G+時(shí)代及5G初期被廣泛應(yīng)用。C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢在于：簡化了基站結(jié)構(gòu)，大大降低單站能耗與成本[6-7]；BBU的池化顯著提升了基帶處理資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益；適用于站點(diǎn)協(xié)同技術(shù)，可減少干擾、提升頻譜效率。在C-RAN中，RRU處理后生成的I/Q采樣信號被封裝成CPRI幀，CPRI采用與負(fù)載無關(guān)的固定接口速率，其大小與基站天線數(shù)、無線頻譜寬度成正相關(guān)[8-9]。C-RAN架構(gòu)的劣勢在于：前傳網(wǎng)絡(luò)面臨嚴(yán)峻的帶寬壓力，且?guī)捫枨箅S著天線規(guī)模以及無線頻譜的不斷拓寬而增加。此外，BBU中的時(shí)延敏感型功能(如HARQ、ARQ等)被部署在遠(yuǎn)端處理池中，很難滿足5G的超低時(shí)延需求。綜上所述，C-RAN架構(gòu)存在嚴(yán)重的帶寬與時(shí)延短板。

圖2 C-RAN架構(gòu)示意圖[5]Fig.2 Diagram of C-RAN architecture

3) 為緩解C-RAN中的帶寬及時(shí)延壓力，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可擴(kuò)展性與快速部署性，同時(shí)滿足5G業(yè)務(wù)的差異化、高性能承載需求，下一代無線接入網(wǎng)架構(gòu)(NG-RAN)問世[10]。如圖3所示，NG-RAN將BBU功能重新劃分為分布式數(shù)據(jù)單元(DU)與集中式數(shù)據(jù)單元(CU)兩個(gè)邏輯實(shí)體，其中低物理層功能被退回至基站側(cè)，時(shí)延敏感型BBU功能劃歸于DU，而非時(shí)延敏感型BBU功能劃歸至CU中。此外，隨著MIMO技術(shù)的引入，單基站配置的天線數(shù)量將達(dá)到上百根。為減少RRU與天線之間饋線接口的數(shù)量，將RRU與天線集成為AAU.AAU與DU之間通過前傳網(wǎng)絡(luò)互連，DU與CU之間通過中傳網(wǎng)絡(luò)互連，CU與CU之間及CU與核心網(wǎng)之間通過回傳網(wǎng)絡(luò)互連[11]。NG-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢在于：延續(xù)了C-RAN中的基帶處理資源復(fù)用及站點(diǎn)協(xié)同等能力；通過功能分割，一方面可緩解前傳帶寬壓力，另一方面可減少前傳時(shí)延(即將DU靠近用戶側(cè)部署)；DU-CU的分離與按需部署可滿足多元業(yè)務(wù)的差異化承載需求，有助于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片與云化。NG-RAN架構(gòu)的劣勢在于：由于低物理層功能被推回至基站側(cè)，單站的系統(tǒng)復(fù)雜度與部署成本提升；BBU功能的分割與多級部署，增加了網(wǎng)絡(luò)控管與資源調(diào)配的難度。綜合來說，相比于D-RAN與C-RAN架構(gòu)，NG-RAN的性能優(yōu)勢與技術(shù)特點(diǎn)，更適合未來移動通信技術(shù)的發(fā)展需求。為了更明晰表達(dá)，將三者的優(yōu)劣對比列于表1.

圖3 NG-RAN架構(gòu)示意圖[5]Fig.3 Diagram of NG-RAN architecture

表1 不同RAN架構(gòu)的優(yōu)勢與劣勢對比Table 1 Comparison of different RAN architectures

優(yōu)性的無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是5G移動通信的構(gòu)建基礎(chǔ)，在此之上再設(shè)計(jì)引入先進(jìn)的無線傳輸與光承載技術(shù)，便能從整體上提升5G通信的網(wǎng)絡(luò)性能與服務(wù)質(zhì)量。因此，下文分別針對無線接入與光承載技術(shù)進(jìn)行討論。

2 光與無線融合接入網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

無線接入技術(shù)為用戶與基站之間提供了大容量、高效率的數(shù)據(jù)傳輸通道，是無線接入網(wǎng)絡(luò)中的最前端。本節(jié)將針對大規(guī)模MIMO、毫米波通信等核心5G無線技術(shù)展開論述。

2.1 無線接入技術(shù)

2.1.1大規(guī)模MIMO技術(shù)[12]

多入多出(MIMO)技術(shù)，通過在收發(fā)端配置多根天線充分使用空間資源，這樣一方面提供復(fù)用增益以增加頻譜效率，另一方面提供分集增益以提高系統(tǒng)可靠性能。隨著通信速率的不斷增加，MIMO技術(shù)已然成為5G領(lǐng)域的主流技術(shù)。在4G系統(tǒng)中，基站一般配置較少的天線，因此MIMO技術(shù)的性能潛力并未被充分挖掘。針對上述問題，大規(guī)模MIMO(mMIMO)概念被提出。在mMIMO系統(tǒng)中，每個(gè)基站安裝數(shù)百根天線，進(jìn)而充分利用空間資源，能以相同時(shí)頻資源服務(wù)多個(gè)用戶。此外，mMIMO系統(tǒng)能構(gòu)顯著提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋的靈活性，通過水平和垂直覆蓋特性來提供不同場景下的覆蓋。

2.1.2毫米波通信技術(shù)[13]

毫米波通過其超大頻譜帶寬的優(yōu)勢，將成為5G移動通信的重要技術(shù)選項(xiàng)。毫米波(mmWave)通信即為使用毫米波作為信息傳輸?shù)妮d體(30 GHz～300 GHz)，具備大容量、窄波束、方向性好、干擾較少等優(yōu)勢。在5G網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃中，低頻段是實(shí)現(xiàn)廣覆蓋、高移動性通信應(yīng)用的首要選擇。但由于低頻段頻譜資源有限，mmWave將作為低頻段5G通信的補(bǔ)充技術(shù)，可在熱點(diǎn)區(qū)域提升系統(tǒng)容量。

2.1.3超密集組網(wǎng)[14]

為滿足5G超大數(shù)據(jù)流量與超高用戶速率需求，除了拓寬無線頻譜和擴(kuò)大天線規(guī)模，超密集組網(wǎng)(UDN)將是另一種有效解決方案。UDN與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要體現(xiàn)在于接入點(diǎn)(AP)的密度與類型兩方面。一方面，UDN網(wǎng)絡(luò)每平方千米包含數(shù)千個(gè)AP，而傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)最多包含3到5個(gè)基站。UDN網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)AP僅連接一個(gè)或少量的活躍用戶，而傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)基站同時(shí)容納著數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)活躍用戶。另一方面，UDN網(wǎng)絡(luò)中存在多種類型的AP站點(diǎn)，例如微蜂窩、中繼站、AAU，甚至用戶本身也可以作為一個(gè)AP，而傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中宏基站是僅有的無線站點(diǎn)類型。此外，異構(gòu)拓?fù)?、不?guī)則覆蓋、寬頻帶、較低移動性及超高數(shù)據(jù)速率都是UDN區(qū)別于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。然而，組網(wǎng)密集化會導(dǎo)致基站間的距離縮短以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟灰?guī)則化，進(jìn)而引入小區(qū)間干擾。如何減少小區(qū)間干擾是密集組網(wǎng)方向需進(jìn)一步解決的問題[15-16]。

2.2 高效光承載技術(shù)

光網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了基站與核心網(wǎng)之間長距離、大容量、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，提供了端到端的剛性/柔性管道連接與大規(guī)模靈活組網(wǎng)能力，是無線接入網(wǎng)的核心組成部分。本節(jié)將針對5G前、中、回傳的光承載技術(shù)展開論述。

2.2.1光纖直驅(qū)前傳組網(wǎng)方案

光纖直驅(qū)的前傳解決方案，即每個(gè)無線站點(diǎn)(AAU)都由獨(dú)立的光纖鏈路連接到對應(yīng)的DU.鏈路兩端的光收發(fā)器同時(shí)進(jìn)行電/光或光/電轉(zhuǎn)換，將CPRI或eCPRI信號調(diào)制/解調(diào)到光載波上。光纖直驅(qū)方案的優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)相對簡單，但劣勢是所需的光纖部署成本較高。在5G時(shí)代，基站數(shù)量與單站前傳帶寬急劇攀升，因此該前傳方案對于光纖的使用量將極為可觀。因而，光纖直驅(qū)的前傳組網(wǎng)方式只適用于光纖資源豐富的地區(qū)(例如密集城區(qū))，而在相對資源匱乏的偏遠(yuǎn)地區(qū)則需另謀良方。

2.2.2TDM-PON前傳組網(wǎng)方案

TDM-PON技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)高效的移動前傳解決方案受到廣泛研究[17-19]。該方案中，每個(gè)AAU配置了一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，用戶數(shù)據(jù)通過時(shí)分復(fù)用的方式共享同一光纖/波長資源。DU池中部署了一個(gè)光鏈路終端(OLT)，負(fù)責(zé)接收各ONU上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)而遞交給DU做處理。該方案另一項(xiàng)優(yōu)勢是簡化了DU池所需的光接口。TDM-PON為DU提供單一接口，而其它方案(如光纖直驅(qū))則需要與AAU數(shù)量一致的接口量，因此TDM-PON可以通過幾個(gè)光接口連接數(shù)十甚至更多的AAU.

雖然TDM-PON可以作為前傳網(wǎng)絡(luò)的有效解決方案，但仍需解決兩個(gè)問題，即DU與AAU之間的同步和時(shí)延。一般來說，TDM-PON系統(tǒng)運(yùn)行需要OLT與ONU之間的準(zhǔn)確同步，并且還需將TDM-PON系統(tǒng)與DU同步[20]。在時(shí)延層面，上行傳輸中各ONU需要先將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量告知OLT(即Report，上報(bào)過程)，然后OLT計(jì)算出各ONU的上傳起始時(shí)間與窗口寬度，并將該信息通過下行鏈路傳輸給各ONU(即Grant，授權(quán)過程)。上述過程即為PON中經(jīng)典的動態(tài)帶寬分配問題(DBA).該過程引入約1 ms的延遲，超過了前傳時(shí)延要求(幾百微妙)，因此需要進(jìn)一步研究無線與光之間的聯(lián)合調(diào)度機(jī)制來減少Report-Grant的耗時(shí)。文獻(xiàn)[21]提出的Mobile-DBA(M-DBA)機(jī)制能夠極大減少Report-Grant時(shí)延，但是需要無線基帶單元與OLT之間的互通與協(xié)作，這一方面增加了局端設(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，另一方面對無線系統(tǒng)與光傳輸設(shè)備之間的同步性提出了更高的要求。文獻(xiàn)[22]提出了基于預(yù)測的DBA方案同樣可以減少Reoport-Grant時(shí)延，即將預(yù)測算法與傳統(tǒng)DBA相結(jié)合，通過提前感知到網(wǎng)絡(luò)中流量的變化情況，從而更早地做出系統(tǒng)響應(yīng)，其中高精度的預(yù)測算法是其技術(shù)支點(diǎn)。

2.2.3有源WDM/OTN前傳組網(wǎng)方案

通過在AAU與DU池安裝WDM/OTN設(shè)備，使得不同用戶數(shù)據(jù)可在網(wǎng)絡(luò)中共享光傳輸資源(例如光纖、波長等)，同時(shí)OTN技術(shù)可提供管理與保護(hù)[23]。接入型WDM/OTN設(shè)備與無線設(shè)備間可采用灰光接口，WDM/OTN設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)OTN承載、端口匯聚、彩光拉遠(yuǎn)等功能。該組網(wǎng)技術(shù)同樣適用于中傳網(wǎng)絡(luò)承載。WDM/OTN具備WDM的大容量優(yōu)勢，并且還支持點(diǎn)對點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)、mesh等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的組網(wǎng)，可以顯著提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性與可靠性。但是，該前傳方案同樣存在劣勢：一方面，WDM/OTN設(shè)備昂貴導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)部署成本高昂；另一方面，當(dāng)前OTN技術(shù)相對復(fù)雜，會導(dǎo)致前傳時(shí)延過大，因此需要進(jìn)行簡化。事實(shí)上，運(yùn)營商對于在前傳使用WDM/OTN技術(shù)并不熱衷，而在中/回傳使用的可能性相對較大。

2.2.4WDM-PON前傳組網(wǎng)方案

WDM-PON由OLT、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與光網(wǎng)絡(luò)單元組成，并在DU池與AAU之間構(gòu)建了基于波長的點(diǎn)對多點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)[24]。CPRI或eCPRI信號以波長形式復(fù)用在同一光纖中，每個(gè)AAU配置一個(gè)ONU且占據(jù)獨(dú)立的波長信道(各ONU波長可調(diào)諧)，使得波長容量被充分利用的同時(shí)，ONU間的干擾也被大幅削減。遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)實(shí)現(xiàn)對多波長的耦合與解耦。WDM-PON中可以提供專用的控制信道，從而使得OLT可對各ONU進(jìn)行控制調(diào)度。由于波分復(fù)用的優(yōu)勢，相比于光纖直驅(qū)方案可以顯著減少光纖消耗；相比于TDM-PON方案可以顯著提升網(wǎng)絡(luò)容量，減少前傳時(shí)延。但WDM-PON中各波長的帶寬效率相對較低，且網(wǎng)絡(luò)中存在大量波長可調(diào)諧的收發(fā)模塊，網(wǎng)絡(luò)部署成本較高。

2.2.5無源/半有源WDM前傳組網(wǎng)方案

該方案同樣采用WDM技術(shù)，但其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度比WDM-PON低。通過在AAU與DU中安裝10G/25G的彩光模塊，并結(jié)合無源的合、分波器實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的功能。根據(jù)采用的波分粒度，該方案可以細(xì)分為無源粗波分(CWDM)與無源密集波分(DWDM)方案。其中，CWDM不支持光放大，而DWDM支持光放大可用于傳輸距離較長的線路段。相比于光纖直驅(qū)，該方案能顯著減少光纖消耗，相比于TDM-PON前傳組網(wǎng)，該方案能顯著提升系統(tǒng)容量，并且減少前傳時(shí)延(時(shí)延只受光纖傳輸距離影響)；對比WDM-PON前傳組網(wǎng)，該方案可顯著減少網(wǎng)絡(luò)部署成本，但是其缺乏控制調(diào)度能力，因此靈活性方面不如WDM-PON；此外，由于無源WDM方案由純光路器件構(gòu)成，因此在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后很難確定故障源。

針對無源WDM方案中存在的問題，可進(jìn)一步將其演進(jìn)為半有源WDM前傳方案，該方案在AAU側(cè)安裝彩光模塊(各AAU光模塊波長均不同)及無源合/分波器，在DU 側(cè)安裝有源波分復(fù)用設(shè)備，該設(shè)備客戶側(cè)通過灰光或彩光模塊與DU對接，線路側(cè)集成了合/分波器與AAU側(cè)無源合/分波器通過光纖對接。DU側(cè)有源WDM設(shè)備可控制AAU中的彩光模塊，包括查詢、配置等功能。

2.2.6Radio-over-Ethernet(RoE)前傳方案

使用以太網(wǎng)承載前傳傳輸是非常經(jīng)濟(jì)的解決方案，因?yàn)榭梢猿浞掷矛F(xiàn)有的以太網(wǎng)接口與交換設(shè)備。以太網(wǎng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括統(tǒng)計(jì)復(fù)用特性、數(shù)據(jù)速率易于升級、可用性廣泛、設(shè)備成本較低以及擴(kuò)展便捷。但是，RoE必須解決將無線信號封裝成Ethernet幀進(jìn)行傳輸?shù)膯栴}，同時(shí)須兼顧嚴(yán)格的時(shí)延與抖動需求，尤其是時(shí)延抖動，因?yàn)橐胍蕴W(wǎng)交換可能會放大抖動問題，進(jìn)而加劇了延遲的不確定性。針對上述問題，確定性傳輸?shù)难芯空缁鹑巛钡卣归_，例如時(shí)延敏網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TSN)[25].TSN技術(shù)采用全局時(shí)間同步、資源預(yù)約、時(shí)間感知整形等機(jī)制，對流量傳輸?shù)拇_定性進(jìn)行保證，從而使得關(guān)鍵性流量不會因?yàn)閾砣鴣G包，延時(shí)有確定上限。

2.2.7OTN中/回傳組網(wǎng)方案

移動接入網(wǎng)絡(luò)通過基站將用戶設(shè)備連接至核心網(wǎng)，完成移動業(yè)務(wù)的鑒權(quán)、認(rèn)證以及連接互聯(lián)網(wǎng)的功能。核心網(wǎng)與基站之間的承載網(wǎng)絡(luò)即回傳網(wǎng)絡(luò)。3G時(shí)代回傳網(wǎng)絡(luò)指NodeB與RNC之間的承載網(wǎng)絡(luò)，4G時(shí)代回傳網(wǎng)絡(luò)承載eNodeB與EPC之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前對于基站業(yè)務(wù)的承載方式主要有三種方式：MSTP、PTN與IP RAN[26].然而，5G與3G/4G的不同在于，5G引入了全新的業(yè)務(wù)場景。此外，在5G網(wǎng)絡(luò)中，BBU功能的分割以及核心網(wǎng)用戶面功能的下沉都對傳輸網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)，僅通過對傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級擴(kuò)容是不夠的。因此，如何構(gòu)建高效的中傳與回傳網(wǎng)絡(luò)，是目前產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)問題。

隨著OTN融合了分組交換的能力，從而可滿足5G承載需求。一方面，借助OTN內(nèi)的高效幀處理能力(包括封幀、壓縮等)，進(jìn)而滿足DU傳輸連接中時(shí)延敏感型功能的實(shí)現(xiàn)需求。對于DU-CU間數(shù)據(jù)傳輸而言，OTN可提供低時(shí)延與大帶寬的連接，保證了高層基帶功能處理的實(shí)效性與可靠性。另一方面，通過集成WDM能力不僅延伸了數(shù)據(jù)的傳輸距離，而且各段鏈路上的承載帶寬還可按需擴(kuò)容，進(jìn)而滿足100 G、200 G及400 G的傳輸速率需求。此外，為提升中/回傳組網(wǎng)的靈活性，還需考慮增強(qiáng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

對于前傳網(wǎng)絡(luò)而言，建網(wǎng)成本、承載性能(容量、時(shí)延等)、控制調(diào)度能力是其關(guān)注重點(diǎn)，因此相比于其它前傳方案，半有源WDM方案具有更佳的應(yīng)用潛力；對于中傳網(wǎng)絡(luò)而言，數(shù)據(jù)交換、資源復(fù)用、組網(wǎng)靈活性、OAM(操作維護(hù)管理，operation administration and maintenance)等方面是其關(guān)注重點(diǎn)，因此輕量級的OTN技術(shù)具有較大的應(yīng)用潛力。

2.3 前/中傳接口技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)備連接與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)字化的接口設(shè)計(jì)也是無線接入網(wǎng)中的關(guān)鍵一環(huán)。本節(jié)將針對5G前、中傳接口技術(shù)展開討論。

2.3.1eCPRI前傳接口技術(shù)

為克服CPRI存在的缺陷并滿足5G需求，eCPRI協(xié)議規(guī)范被提出[27-28]。eCPRI是基于包的前傳接口規(guī)范，使得接口速率與實(shí)際負(fù)載相掛鉤，從而提升了傳輸效率。eCPRI對傳送、連接、控制方面進(jìn)行了規(guī)范定義，分別面向用戶平面、控制與管理平面以及同步平面。為了降低帶寬開銷，eCPRI規(guī)范基于功能分割策略，將分割點(diǎn)定位于物理層內(nèi)，并提出了幾種參考分割點(diǎn)。通過引入功能分割，使得前傳數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的I/Q采樣信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制符號等，極大地縮減前傳帶寬需求。eCPRI接口在5G前傳需求的指引下將提供更高的接口效率(即負(fù)載相關(guān))。對比CPRI接口規(guī)范，eCPRI可提供以下技術(shù)優(yōu)勢：分割點(diǎn)能提供10余倍的帶寬縮減；所需帶寬可隨流量變化靈活分配；支持使用以太網(wǎng)之類的主流傳輸技術(shù)，eCPRI流量與其它流量可同時(shí)承載于同一交換網(wǎng)絡(luò)之上；該接口屬于實(shí)時(shí)流量接口，支持運(yùn)用高效的協(xié)作算法來優(yōu)化無線性能。

2.3.2NGFI前傳接口技術(shù)

IEEE 1914.1定義了NGFI前傳接口[29]。與eCPRI類似，NGFI是基于包的接口規(guī)范，并且重新定義了DU 和AAU 間的功能形態(tài)。NGFI具備如下技術(shù)特征：提供與負(fù)載相關(guān)、天線無關(guān)的數(shù)據(jù)速率、在AAU與BBU間提供“一對多”的靈活映射。NGFI接口邏輯上可分為數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)適配層與物理承載層。其中，數(shù)據(jù)層包含各類無線技術(shù)相關(guān)的用戶面數(shù)據(jù)、控制面數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)適配層為不同需求的無線數(shù)據(jù)與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)之間提供了較好的特性匹配；物理承載層涵蓋當(dāng)前主流的傳送網(wǎng)技術(shù)，如PTN，PON及WDM等。相比于NGFI接口技術(shù)，eCPRI是由工業(yè)合作組織提出，并繼承改進(jìn)了先前CPRI接口的設(shè)計(jì)思想，因此具備更好的工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)，在5G時(shí)代的應(yīng)用潛力更大。

2.3.3F1中傳接口技術(shù)

3GPP定義的F1接口是DU與CU之間的接口，負(fù)責(zé)CU控制面/CU用戶面與DU之間的數(shù)據(jù)封裝與傳輸[30]。F1是一個(gè)開放性接口，在邏輯上支持點(diǎn)對點(diǎn)的連接，并且支持UE相關(guān)信息和非UE相關(guān)信息的交換。F1接口技術(shù)保持不斷更新，以滿足未來不同的需求，支持新的業(yè)務(wù)類型與功能。在控制面，F(xiàn)1接口包含接口管理，系統(tǒng)信息管理、UE上下文管理、RRC消息轉(zhuǎn)發(fā)、尋呼、 告警信息轉(zhuǎn)發(fā)等功能；在用戶面，F(xiàn)1接口包含用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、面向DU的流控制等功能。

2.4 資源抽象與控制管理技術(shù)

上文主要圍繞5G數(shù)據(jù)平面技術(shù)展開論述，本節(jié)將針對控制面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論分析。

2.4.1網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的基本實(shí)現(xiàn)思路是實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，即通過虛擬化技術(shù)將通用硬件設(shè)備解構(gòu)為多種虛擬資源，從而保證對上層應(yīng)用的按需、快速的資源供給[31]。NFV架構(gòu)包括：NFV設(shè)施層、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層、NFV管理與編排層，以及OSS/BSS層。其中，NFV設(shè)施層囊括了計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)方面的物理硬件、以及將物理硬件與操作系統(tǒng)分開的虛擬機(jī)超級管理員(Hypervisor)；虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層包含軟件化后的網(wǎng)元；管理與編排層實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)資源的統(tǒng)一控管調(diào)度。

2.4.2軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)是指通過分層的思想將網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面分離并集中化控制面，從而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一控制[32-33]。SDN通過集中控制可以掌控全網(wǎng)信息，并進(jìn)行全局的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與資源配置。此外，通過開放南北向接口，貫通上層應(yīng)用與物理網(wǎng)絡(luò)，從而可根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行高效合理的業(yè)務(wù)部署，同時(shí)還可監(jiān)控業(yè)務(wù)運(yùn)行中的資源使用情況與性能?；赟DN技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對光與無線融合網(wǎng)絡(luò)的高效控管與統(tǒng)一資源調(diào)度，從而適應(yīng)業(yè)務(wù)部署的發(fā)展需求，降低網(wǎng)絡(luò)整體部署/運(yùn)維成本，滿足5G時(shí)代多元化、高質(zhì)量的業(yè)務(wù)需求。

2.5 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

在5G時(shí)代，移動通信技術(shù)將成為社會數(shù)字化發(fā)展的催化劑，眾多垂直行業(yè)將完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，例如工業(yè) 4.0，中國制造2025等產(chǎn)業(yè)布局。因此，VR/AR、智能駕駛等垂直行業(yè)衍生的多種新型業(yè)務(wù)將迅速崛起，因此業(yè)務(wù)需求差異化是5G時(shí)代的重要特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)對各類業(yè)務(wù)的定制化網(wǎng)絡(luò)承載，網(wǎng)絡(luò)切片作為5G關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)切片將以邏輯專網(wǎng)的形式服務(wù)各行業(yè)，各類型業(yè)務(wù)共享基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而減少建網(wǎng)成本、全面提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作效率。

網(wǎng)絡(luò)切片本質(zhì)上即為某業(yè)務(wù)定制化出一張?zhí)摂M承載網(wǎng)絡(luò)，可以滿足該業(yè)務(wù)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)需求。業(yè)界共識的切片生成步驟如圖4所示，首先，根據(jù)用戶需求生成對應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，即將數(shù)字化的用戶指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼百Y源需求；其次，將生成的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射到物理網(wǎng)絡(luò)之上，并在之后根據(jù)用戶需求變換調(diào)整切片資源配置與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[34]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)切片生成過程示意圖[34]Fig.4 Illustration of establishing the network slicing

目前網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的研究主要針對無線或光等單一技術(shù)維度，而未來5G無線接入網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)面向無線、光以及計(jì)算協(xié)同的融合型網(wǎng)絡(luò)。因此如何構(gòu)建端到端的網(wǎng)絡(luò)切片是未來研究的重要發(fā)力點(diǎn)。此外，從本質(zhì)而言，切片的形成是以虛擬網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，因此大部分RAN切片工作熱衷討論“切片虛擬網(wǎng)絡(luò)映射”問題，而“虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)”的研究仍相對空白。因此，如何針對業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)切片虛擬網(wǎng)絡(luò)是未來的重要研究趨勢，且是切片概念的生命力所在。

3 光與無線融合面臨的重要挑戰(zhàn)及關(guān)鍵問題

無線接入網(wǎng)絡(luò)正逐步演進(jìn)為一種融合型網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為用戶的無線接入與數(shù)據(jù)的光傳送相融合[35-36]。網(wǎng)絡(luò)資源也由單一性向多元化發(fā)展，呈現(xiàn)出無線傳輸、基帶處理及光傳輸?shù)榷嗑S資源共存的形態(tài)。在光與無線融合組網(wǎng)下，多種資源形式交織并存，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各維資源的調(diào)度方式卻相對僵化與獨(dú)立，從而使得異構(gòu)資源間的適配及利用效率嚴(yán)重不足，并進(jìn)一步影響網(wǎng)絡(luò)成本/能耗效益。因此，如何協(xié)同多維資源、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能是光與無線融合網(wǎng)絡(luò)中的重要難題，具體表現(xiàn)為下述兩項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

1) 挑戰(zhàn)一：如何實(shí)現(xiàn)無線與光傳輸資源間的高效協(xié)同。目前的移動接入網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)出多元異構(gòu)資源共存的形式，無線傳輸(天線、RB等資源)與光傳輸(波長)資源兩者既相互獨(dú)立又相互依存。然而，上述資源之間的物理屬性存在差別，從而造成兩種資源適配時(shí)效率較低，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)容量與服務(wù)性能。另一方面，現(xiàn)網(wǎng)中各維資源調(diào)度模式相對獨(dú)立且僵化，這便造成了無線與光資源的整體利用率嚴(yán)重不足，并且隨著DU-CU側(cè)與AAU側(cè)都向著云化的趨勢發(fā)展，進(jìn)一步加劇了資源統(tǒng)一調(diào)配的實(shí)現(xiàn)難度。因此，如何打破異構(gòu)資源之間的物理約束、聯(lián)合調(diào)度多維資源，實(shí)現(xiàn)無線接入與光傳送之間的高效協(xié)同，是移動接入網(wǎng)絡(luò)面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

2) 挑戰(zhàn)二：如何協(xié)調(diào)無線基帶功能部署與光傳送間的矛盾關(guān)系。移動接入網(wǎng)絡(luò)中存在基帶處理集中化與光傳輸帶寬優(yōu)化這一對矛盾，集中化處理會導(dǎo)致光傳輸帶寬需求急劇增加，而邊緣化的處理又會導(dǎo)致需要建設(shè)/啟用過多機(jī)房，因而該矛盾嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)成本/能耗效益的提升，已然成為了運(yùn)營商的一大痛點(diǎn)。此外，面對大帶寬、低時(shí)延以及多連接等業(yè)務(wù)的持續(xù)涌入，傳統(tǒng)“一刀切”的網(wǎng)絡(luò)承載模式已然不適用，而差異化的承載又將導(dǎo)致基帶處理與光波長資源聯(lián)合調(diào)度的難度進(jìn)一步加大。因此，如何克服上述難點(diǎn)，解決基帶處理與光傳送間的矛盾，從而降低網(wǎng)絡(luò)成本/能耗，是移動接入網(wǎng)絡(luò)面臨的又一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，需要聚焦解決“無線與光傳輸資源間的高效協(xié)同”與“無線基帶處理與光傳輸資源的聯(lián)合配置”兩項(xiàng)基礎(chǔ)性問題。具體表現(xiàn)為：1) 要實(shí)現(xiàn)無線傳輸與光傳輸資源的高效協(xié)同，需要設(shè)計(jì)更為優(yōu)性的異構(gòu)資源適配機(jī)制、以及彈性的光帶寬分配策略，使無線接入與光傳送兩端資源調(diào)度具備更大的靈活性。2) 要實(shí)現(xiàn)無線基帶處理與光傳輸資源的聯(lián)合配置，需構(gòu)建面向基帶處理與光傳送的統(tǒng)一資源模型、設(shè)計(jì)高效協(xié)同的基帶功能部署與光路配置策略，綜合考慮業(yè)務(wù)路由、時(shí)延調(diào)控、處理池選擇、波長與帶寬分配等問題，從而促進(jìn)無線接入/處理與光傳送的深度融合與協(xié)同優(yōu)化。

針對上述挑戰(zhàn)，本研究團(tuán)隊(duì)開展了以下三方面：

1) 面向大規(guī)模MIMO波束賦形的光與無線傳輸資源優(yōu)化研究(應(yīng)對挑戰(zhàn)一)[37]。針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)與光網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合中存在的異構(gòu)資源協(xié)同與傳輸可靠性問題，首先提出一種靈活彈性的前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠支持各天線陣元與光網(wǎng)絡(luò)單元間的彈性映射與靈活切換，滿足RRU與DU之間的靈活連接與波長調(diào)度需求，從而顯著提升網(wǎng)絡(luò)的故障抗性；其次，基于上述前傳架構(gòu)，提出一種面向無線天線、無線資源塊(Resource Block)、及光波長的聯(lián)合資源優(yōu)化策略，從而以少量無線資源代價(jià)顯著減少光帶寬需求。

2) 基于靈活分割的基帶功能部署與光傳送機(jī)制研究(應(yīng)對挑戰(zhàn)二)[5]。針對無線接入網(wǎng)中基帶處理集中化與傳輸帶寬優(yōu)化這一對矛盾問題，提出一種基于細(xì)粒度分割的基帶功能靈活部署機(jī)制。該機(jī)制將傳統(tǒng)BBU重新劃分為更細(xì)粒度的功能單元(flexible unit，F(xiàn)U)，通過建立面向光傳輸與無線基帶處理的統(tǒng)一資源模型，設(shè)計(jì)靈活高效的FU部署策略，旨在減少網(wǎng)絡(luò)中啟用的處理池?cái)?shù)(即集中化)與光帶寬需求。研究結(jié)果顯示，對比于C-RAN與NG-RAN，細(xì)粒度分割可顯著提升基帶處理的集中增益，并且減少光帶寬消耗。

3) 高能效的基帶功能部署與光路配置策略研究(應(yīng)對挑戰(zhàn)二)[38]。針對多業(yè)務(wù)使能的NG-RAN能耗優(yōu)化問題，提出一種高能效的DU-CU部署與光路配置策略，通過建立面向光傳輸及功能處理的統(tǒng)一能耗模型，決策各業(yè)務(wù)的DU-CU部署位置與光路配置方法，實(shí)現(xiàn)傳輸/處理設(shè)備的按需啟用，從而減少網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與處理能耗投入。

基于上述解決方案，可實(shí)現(xiàn)多元化異構(gòu)資源的協(xié)同調(diào)配，進(jìn)而從整體上提升網(wǎng)絡(luò)的資源效率、降低網(wǎng)絡(luò)部署成本/能耗，契合5G時(shí)代的大數(shù)據(jù)與綠色環(huán)保需求，最終提升業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量與用戶體驗(yàn)。另一方面，隨著6G預(yù)研工作的展開，未來移動網(wǎng)絡(luò)將逐步演進(jìn)為通信、計(jì)算與感知等多維一體的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，主打開放智能的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)生態(tài)，追求廉價(jià)、極速的服務(wù)體驗(yàn)[39]。為實(shí)現(xiàn)上述愿景，光與無線融合的程度將進(jìn)一步加深，需在網(wǎng)絡(luò)容量、綜合資源效率、系統(tǒng)成本等方面進(jìn)一步優(yōu)化，并協(xié)同云/邊計(jì)算、人工智能、太赫茲等優(yōu)勢技術(shù)，全力推動泛在智能化信息社會的建立。

4 結(jié)束語

為滿足5G時(shí)代不斷增長的用戶帶寬需求，適應(yīng)全新業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢，全面提升網(wǎng)絡(luò)性能，RAN正逐步演進(jìn)為一種融合型網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為用戶的無線接入與數(shù)據(jù)的光傳輸相融合?；诖耍疚闹攸c(diǎn)對RAN架構(gòu)演進(jìn)趨勢、無線接入、光承載、前/中傳接口、控管架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，并就其中的潛在研究方向進(jìn)行了討論分析。最后，本文就光與無線融合中存在的重要挑戰(zhàn)及解決思路進(jìn)行了深入剖析。