作者： Scott Wakelin

摘要

    全球的移動運營商均在調(diào)研適用于無線接入網(wǎng)的新架構(gòu)，以求通過架構(gòu)的更新來降低成本，同時提升網(wǎng)絡(luò)容量。云無線接入網(wǎng)（C-RAN）的架構(gòu)即為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的領(lǐng)軍解決方案。但C-RAN同時也帶來了一個新的問題：如何解決射頻頭（RRH）與基帶單元（BBU）之間的擴展接口的問題？業(yè)界將之稱為前端回傳。所有可能的解決方案中，基于OTN的移動前端回傳方案最切合移動運營商追求的性能目標及技術(shù)要求，但市面上尚且缺乏可用的解決方案。PMC-Sierra在其HyPHY系列的OTN處理器中引入了對移動前端回傳的支持，提供了一系列創(chuàng)新功能，通過更新軟件及固件即可方便地啟用。

作者簡介

    Scott Wakelin 是PMC-Sierra公司通信業(yè)務(wù)部門的一名資深產(chǎn)品經(jīng)理，負責OTN 及移動前端回傳解決方案及其戰(zhàn)略。Mr. Wakelin 在網(wǎng)絡(luò)行業(yè)積累了14年的經(jīng)驗，不斷研發(fā)創(chuàng)新型的半導體解決方案。Mr. Wakelin畢業(yè)于華盛頓大學，擁有應(yīng)用科學的碩士學位，并曾在Foster商學院進修市場營銷策略。

1. 挑戰(zhàn)：C-RAN迎風口而生  “前端回傳”新挑戰(zhàn)凸顯

    中國的移動通信市場正經(jīng)歷著一段驚人的增長。中國的市場按用戶量（2013年底已達到12億）來計算，已然躍居全球首位。該行業(yè)正為下一輪戰(zhàn)局：4G積蓄著力量，中國移動在這個至關(guān)重要的新市場中已經(jīng)掌握了優(yōu)勢先機，截至2014年底，業(yè)已部署了720K TD-LTE基站，但仍然面臨著日益緊迫的競爭。2015年2月底，中國工業(yè)和信息化部正式給中國電信及中國聯(lián)通發(fā)放了FD-LTE經(jīng)營許可。有了許可之后的三大運營商僅僅2015年一年就將部署20-30萬個新的4G基站——在全球移動基礎(chǔ)設(shè)施的市場遙遙領(lǐng)先。

如此令人難以置信的新基礎(chǔ)設(shè)施增長一方面是出于保持競爭力的需要，另一方面，也是移動電話用戶對移動數(shù)據(jù)及視頻的持續(xù)增長的需求所致。根據(jù)Cisco發(fā)布的VNI的數(shù)據(jù)，中國移動網(wǎng)絡(luò)用戶預(yù)計將在2013年到2018年間將移動流量提升15倍——這是全世界最高的增長率之一。只需看看中國的移動運營商發(fā)布的最新年報，就能理解該預(yù)測為何可能成真。部署了72萬個TD-LTE基站的中國移動在2014年就贏得了9千萬個4G用戶。這些4G用戶加上已有的3G用戶導致CMCC網(wǎng)絡(luò)上的移動數(shù)據(jù)年增長率達到了115%。與此同時，中國移動的ARPU則下降了9%。從中國電信和中國聯(lián)通的核心業(yè)績指標中，也能觀察到相似的特點。

綜合這些因素來看，移動運營商顯然處于一種兩難的困境當中——不得不尋求以更低的單位成本來提供更多容量的新途徑。這一挑戰(zhàn)使得移動運營商在考慮為無線接入網(wǎng)（RAN）重新構(gòu)建新的架構(gòu)，以解決其在容量、CapEx和OpEx方面的痛點難題。

 C-RAN成為了最受矚目的新架構(gòu)。C-RAN架構(gòu)中，移動基帶處理設(shè)備（以及相關(guān)的空調(diào)及電源設(shè)備）遷出了基站，而遷入了鄰近的局端或數(shù)據(jù)中心。參看圖1。

圖 1 C-RAN 架構(gòu)

    1.1  通過將基帶處理集中化，網(wǎng)絡(luò)運營商有望通過降低基站的運營成本及通過基帶池化降低基帶總部署容量來提升容量和縮減成本。但是， C-RAN也帶來了一個網(wǎng)絡(luò)的新挑戰(zhàn)：前端回傳。 

    當下，多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)均圍繞著分布式架構(gòu)而構(gòu)建，其中每個站點配備一個基帶處理（BBU）、空調(diào)及電源的設(shè)備室�；�站塔上天線的每個分區(qū)連接到一個遠端射頻頭（RRH），RRH再通過基于光纖的通用公共射頻接口（CPRI）與BBU相連。眼下多數(shù)基站有三個分區(qū)，每個分區(qū)對應(yīng)單個20MHz的載波。在C-RAN模型中，發(fā)自每個RRH的CPRI可能會最多傳送20公里到一個裝設(shè)有基帶設(shè)備的集中點。

    對于光設(shè)備廠商而言，前端回傳網(wǎng)絡(luò)意味著一個重大的嶄新市場商機。為前端回傳帶來的挑戰(zhàn)與機遇所驅(qū)動，中國的移動運營商以及諸如PMC-Sierra的核心技術(shù)公司均在中國的通信標準協(xié)會（CCSA）2014年10月的會議上陳述了各自的觀點。報告中重點闡述了運營商的獨特處境、需求以及迄今為止探索過的解決方案等。

現(xiàn)在，來將注意力轉(zhuǎn)向電信級前端回傳網(wǎng)絡(luò)的需求。

1.2  前端回傳網(wǎng)絡(luò)的需求

前端回傳首當其沖也是最基本的需求是要能支持CPRI客戶端速率。中國的CPRI速率由運營商部署的是TD-LTE還是FD-LTE來決定。有了新 頒布的FD-LTE執(zhí)照，CPRI option 3 (2.5G)以及未來的CPRI option 5 (4.9G) 將會占據(jù)中國電信和中國聯(lián)通的移動網(wǎng)絡(luò)中的主導部分。與之不同的是，已經(jīng)擁有72萬個TD-LTE基站的中國移動則采用的是CPRI option 7 (9.8G)。

除了CPRI速率的要求以外，CPRI及其3GPP施加的在時間及頻率方面的嚴格的定時及延遲要求均需要得到滿足。

由于RRH是基于接收到的CPRI信號來產(chǎn)生時鐘信號，所以CPRI信號的抖動需要盡可能小。CPR說明上設(shè)定的抖動上限為2ppb。更重要的是，為了確保能達到3GPP HARQ的目標，前端回傳網(wǎng)絡(luò)必須要支持往返雙程的延遲低于400 μs ，即意味著端到端的延遲要控制在150-200 μs的范圍內(nèi)。

一個常常被忽略的要求是需要上聯(lián)及下聯(lián)方向延遲幾乎完全對稱。雖然每個移動設(shè)備商對此給出的數(shù)字各有不同，一般而言要求是< +/- 65ns。

前端回傳還有若干特定的應(yīng)用層及操作層的需求，如表1所示。滿足上述這些需求的總和才能實現(xiàn)可部署性高、成本低廉的電信級前端回傳網(wǎng)絡(luò)——這對RAN而言都是不可或缺的。


表 1 前端回傳在應(yīng)用及運維層面的要求

    所有這些需求使得運營商在考慮前端回傳網(wǎng)絡(luò)時，可能候選的方案如下：點到點光纖、微波、無源WDM，有源WDM和OTN等。

    盡管OTN無疑在OAM、分界及擴展性等多個方面均具有運維優(yōu)勢，由于業(yè)界對OTN能否滿足性能方面的需求尚無定論，導致了整個行業(yè)仍然傾向于采用基于有源或無源WDM的解決方案來進行前端回傳。這是由于大量廠商一擁而上，提供了多種無源或有源WDM解決方案，而市面上卻缺乏可用的基于OTN的方案所致。

    近日，通過一款基于其HyPHYflex OTN處理器的解決方案，PMC已經(jīng)證明，OTN可以滿足移動網(wǎng)絡(luò)在性能方面的要求，從而開啟了真正的電信級前端回傳網(wǎng)絡(luò)的新紀元。

    以下章節(jié)我們將繼續(xù)探討并闡述為何基于OTN的移動前端回傳方案與中國的移動運營商的特有環(huán)境最為契合。

2.  機遇：應(yīng)對挑戰(zhàn) 基于OTN的移動前端回傳方案滿足需求

    前面我們分析了運營商對于前端回傳網(wǎng)絡(luò)的需求。下面將討論實現(xiàn)前端回傳網(wǎng)絡(luò)的四大主要候選技術(shù)方案。

· 點到點光纖
· 無源WDM
· 有源WDM
· OTN

2.1 點到點光纖

    點到點光纖實現(xiàn)的前端回傳網(wǎng)絡(luò)中，基站處的每個遠端射頻頭（RRH）都通過單條光纖或光纖對與BBU相連。 這是所有前端回傳方案中最簡單的一種，并且，中國移動運營商部署的豐富的光纖資源（尤其是中國聯(lián)通及中國電信）使之可以方便地得到部署，此外，該方案也無需額外的前端回傳的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

    但是，由于目前每個基站最少需要三個CPRI用于LTE，將來至多還可能需要15個CPRI用于5x電信匯聚，點到點光纖方案實際上并不可行，在大規(guī)模C-RAN部署中并不經(jīng)濟適用。

    結(jié)果是，移動網(wǎng)絡(luò)運營商一直在尋求一種優(yōu)化的解決方案，以便充分利用其寶貴的光纖資源。

2.2 無源WDM

    無源WDM 是首當其沖的選擇。在基于無源WDM的前端回傳方案中，CWDM或DWDM光模塊直接安裝在RRH和BBU上，利用一個無源光增/刪復(fù)用器（OADM）來復(fù)用多個波長到單條光纖之上，其中每個波長承載一個CPRI連接。在CWDM系統(tǒng)中，在單條光纖上至多可以承載18個波長。

    雖然基于WDM的前端回傳系統(tǒng)比點到點方案的光纖利用率要顯著提升，但不論CPRI速率如何，每個CPRI信號依然要消耗一個10G 波長。進一步而言，無源WDM方案沒有在移動RAN及前端回傳網(wǎng)絡(luò)之間提供一個分界點或故障隔離的能力，并且其管理及故障隔離功能（OAM）非常初級。

2.3  有源WDM

    有源 WDM 方案在OADM之外采用了一個獨立的復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器，以將CPRI信號置于某個特定帶寬之上。有源WDM方案比無源WDM方案的主要優(yōu)勢在于它能夠作為一個分界點，并能提供有限的故障隔離的功能。但是，也和無源WDM一樣，每個CPRI信號均要消耗一個帶寬，OAM功能頗為有限、且本質(zhì)上具有專屬性（非通用），電信網(wǎng)絡(luò)的運維團隊對此也頗為陌生。

2.4  OTN

    基于OTN的解決方案與有源WDM方案的架構(gòu)相似，但也存在兩個重大的差異:

    1.OTN 方案是基于一種經(jīng)過實際驗證的、標準化的技術(shù)（通過ITU G.709），該技術(shù)在當今運營商網(wǎng)絡(luò)中已普遍采用

    2.OTN 提供了一組豐富的標準化的OAM功能

    3.OTN 含有客戶、路徑及線路的監(jiān)測功能，因而可以實現(xiàn)快速的故障隔離

    4.OTN 在TDM層面提供基于標準的客戶端復(fù)用，因此，無論是否采用WDM方案， 均可將光纖利用率提升4倍。

     如圖2中所描繪，中國的移動運營商可以以下列兩種方式部署OTN：

1.純粹OTN 的情況

    2.OTN + WDM 的情況

圖 2 CPRI over OTN Scenarios: 1) 純粹OTN 或 2) OTN+WDM


    在將點到點光纖前端回傳部署演進為利用OTN以2.5G的速度將至多4個CPRI option 3信號復(fù)用到速率為10G的單個出向OTU2容器時，移動運營商可以考慮部署純粹OTN的方案。在此方案下，OTN可將光纖利用率提升4倍，而無需部署昂貴的WDM設(shè)備。同時，OTN還提供所有中國的移動運營商所渴求的OAM、分界及故障隔離功能等。

    將OTN與WDM相結(jié)合，可以進一步提升光纖利用率，并改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)的保護能力，如圖1中下半部分所示。除了此前提到的OTN相比有源WDM的優(yōu)勢以外，在基于WDM的解決方案上加上OTN能帶來WDM光模塊的大幅度減少，從而為移動運營商顯著節(jié)縮開支。

    相比其他可選方案來說，OTN還提供了優(yōu)異的故障隔離功能�？紤]下系統(tǒng)故障的情況。在無源WDM網(wǎng)絡(luò)中，運營商要竭力判別故障發(fā)生點，因此找到問題就可能需要多次上門服務(wù)。

    此外，判別故障源也可能很困難：是無線設(shè)備本身，還是無線設(shè)備上安裝的模塊（可能位于塔頂），亦或者是轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)備？相反，有了OTN網(wǎng)絡(luò)，運營商可以快速地斷定出錯的網(wǎng)絡(luò)區(qū)段，決定派送那些提供服務(wù)的技術(shù)人員（長于無線或轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備）以及將其送往何處。OTN還提供了預(yù)警功能，能夠識別仍在運行但逐漸失效的鏈接額（例如，由于光模塊老化所致），從而讓運營商能夠預(yù)見到問題所在，并降低出錯的次數(shù)及時長。

    這些因素綜合作用的結(jié)果，考慮運營商的整體擁有成本時，OTN是能夠提供最佳性價比的、具有前瞻性的前端回傳解決方案。
 

2.5 助力實現(xiàn)基于OTN的移動前端回傳

       雖然OTN的功能優(yōu)異，由于運營商對其滿足本文中提到的嚴格的抖動、延遲及延遲均衡等要求的能力存疑，基于OTN的移動前端回傳方案仍受到了一定阻礙。近期，PMC-Sierra推出了一款OTN前端回傳的參考設(shè)計，其性能測試結(jié)果驗證了OTN滿足前端回傳需求的能力。而今，移動網(wǎng)絡(luò)運營商及設(shè)備商均可以利用現(xiàn)成的硅片，即可充分受益于基于OTN的移動前端回傳方案。如表1所示，這款嶄新的解決方案能夠滿足前端回傳在定時及運維方面的嚴格要求。

       如表2所示， PMC提供的基于OTN的前端回傳方案能夠提供最低可達7.5微秒的端到端延遲以及最壞情況下1.7ppb的頻率故障，這兩項指標均遠遠低于系統(tǒng)要求。此外，經(jīng)過驗證，該解決方案能夠?qū)⒀舆t均衡維持在嚴格的12納秒之內(nèi)，遠遠低于3GPP要求的65納秒。

表2 PMC 助力實現(xiàn)基于 OTN 的移動前端回傳解決方案

       設(shè)備提供商及移動網(wǎng)絡(luò)運營商也能從該方案受益。對設(shè)備提供商而言，他們可以提供嶄新的、性價比優(yōu)異的電信級前端回傳的解決方案，能：

1.滿足網(wǎng)絡(luò)運營商的要求，且
2.有別于當前充斥市場的無源及有源WDM解決方案
 
    同時，對于網(wǎng)絡(luò)運營商而言，這些功能使得前端回傳網(wǎng)絡(luò)可以提供：

·更佳的網(wǎng)絡(luò)可靠性
·更長的網(wǎng)絡(luò)運行時間
·更低的 OpEx
    無線接入網(wǎng)是每個移動運營商最為寶貴的財富。而今，有了可行的電信級、可擴展及低成本的OTN前端回傳解決方案，勢將成為運營商最重要資產(chǎn)的不二之選。

關(guān)于 PMC
    PMC（納斯達克代碼: PMCS）是半導體以及軟件解決方案的創(chuàng)新領(lǐng)導者，致力于推動網(wǎng)絡(luò)上大數(shù)據(jù)的連接、傳送以及存儲。秉持長久以來累積的技術(shù)優(yōu)勢，PMC在存儲、光網(wǎng)絡(luò)以及移動網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新。PMC的高集成度解決方案可提升性能，加速網(wǎng)絡(luò)升級以實現(xiàn)下一代網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。詳情參見www.pmcs.com。請在微博，微信（PMCChina），以及博客上關(guān)注PMC。