作者： Scott Wakelin

摘要

    全球的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商均在調(diào)研適用于無(wú)線接入網(wǎng)的新架構(gòu)，以求通過(guò)架構(gòu)的更新來(lái)降低成本，同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)容量。云無(wú)線接入網(wǎng)（C-RAN）的架構(gòu)即為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的領(lǐng)軍解決方案。但C-RAN同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題：如何解決射頻頭（RRH）與基帶單元（BBU）之間的擴(kuò)展接口的問(wèn)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(dòng)前端回傳方案最切合移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商追求的性能目標(biāo)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(duì)移動(dòng)前端回傳的支持，提供了一系列創(chuàng)新功能，通過(guò)更新軟件及固件即可方便地啟用。

作者簡(jiǎn)介

    Scott Wakelin 是PMC-Sierra公司通信業(yè)務(wù)部門(mén)的一名資深產(chǎn)品經(jīng)理，負(fù)責(zé)OTN 及移動(dòng)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(yàn)，不斷研發(fā)創(chuàng)新型的半導(dǎo)體解決方案。Mr. Wakelin畢業(yè)于華盛頓大學(xué)，擁有應(yīng)用科學(xué)的碩士學(xué)位，并曾在Foster商學(xué)院進(jìn)修市場(chǎng)營(yíng)銷策略。

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

    中國(guó)的移動(dòng)通信市場(chǎng)正經(jīng)歷著一段驚人的增長(zhǎng)。中國(guó)的市場(chǎng)按用戶量（2013年底已達(dá)到12億）來(lái)計(jì)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(guó)移動(dòng)在這個(gè)至關(guān)重要的新市場(chǎng)中已經(jīng)掌握了優(yōu)勢(shì)先機(jī)，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(jìng)爭(zhēng)。2015年2月底，中國(guó)工業(yè)和信息化部正式給中國(guó)電信及中國(guó)聯(lián)通發(fā)放了FD-LTE經(jīng)營(yíng)許可。有了許可之后的三大運(yùn)營(yíng)商僅僅2015年一年就將部署20-30萬(wàn)個(gè)新的4G基站——在全球移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施的市場(chǎng)遙遙領(lǐng)先。

如此令人難以置信的新基礎(chǔ)設(shè)施增長(zhǎng)一方面是出于保持競(jìng)爭(zhēng)力的需要，另一方面，也是移動(dòng)電話用戶對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)及視頻的持續(xù)增長(zhǎng)的需求所致。根據(jù)Cisco發(fā)布的VNI的數(shù)據(jù)，中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶預(yù)計(jì)將在2013年到2018年間將移動(dòng)流量提升15倍——這是全世界最高的增長(zhǎng)率之一。只需看看中國(guó)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)布的最新年報(bào)，就能理解該預(yù)測(cè)為何可能成真。部署了72萬(wàn)個(gè)TD-LTE基站的中國(guó)移動(dòng)在2014年就贏得了9千萬(wàn)個(gè)4G用戶。這些4G用戶加上已有的3G用戶導(dǎo)致CMCC網(wǎng)絡(luò)上的移動(dòng)數(shù)據(jù)年增長(zhǎng)率達(dá)到了115%。與此同時(shí)，中國(guó)移動(dòng)的ARPU則下降了9%。從中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的核心業(yè)績(jī)指標(biāo)中，也能觀察到相似的特點(diǎn)。

綜合這些因素來(lái)看，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商顯然處于一種兩難的困境當(dāng)中——不得不尋求以更低的單位成本來(lái)提供更多容量的新途徑。這一挑戰(zhàn)使得移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商在考慮為無(wú)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(diǎn)難題。

 C-RAN成為了最受矚目的新架構(gòu)。C-RAN架構(gòu)中，移動(dòng)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(guò)將基帶處理集中化，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商有望通過(guò)降低基站的運(yùn)營(yíng)成本及通過(guò)基帶池化降低基帶總部署容量來(lái)提升容量和縮減成本。但是， C-RAN也帶來(lái)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的新挑戰(zhàn)：前端回傳。 

    當(dāng)下，多數(shù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)均圍繞著分布式架構(gòu)而構(gòu)建，其中每個(gè)站點(diǎn)配備一個(gè)基帶處理（BBU）、空調(diào)及電源的設(shè)備室�；�站塔上天線的每個(gè)分區(qū)連接到一個(gè)遠(yuǎn)端射頻頭（RRH），RRH再通過(guò)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(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)單個(gè)20MHz的載波。在C-RAN模型中，發(fā)自每個(gè)RRH的CPRI可能會(huì)最多傳送20公里到一個(gè)裝設(shè)有基帶設(shè)備的集中點(diǎn)。

    對(duì)于光設(shè)備廠商而言，前端回傳網(wǎng)絡(luò)意味著一個(gè)重大的嶄新市場(chǎng)商機(jī)。為前端回傳帶來(lái)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇所驅(qū)動(dòng)，中國(guó)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商以及諸如PMC-Sierra的核心技術(shù)公司均在中國(guó)的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CCSA）2014年10月的會(huì)議上陳述了各自的觀點(diǎn)。報(bào)告中重點(diǎn)闡述了運(yùn)營(yíng)商的獨(dú)特處境、需求以及迄今為止探索過(guò)的解決方案等。

現(xiàn)在，來(lái)將注意力轉(zhuǎn)向電信級(jí)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(dāng)其沖也是最基本的需求是要能支持CPRI客戶端速率。中國(guó)的CPRI速率由運(yùn)營(yíng)商部署的是TD-LTE還是FD-LTE來(lái)決定。有了新 頒布的FD-LTE執(zhí)照，CPRI option 3 (2.5G)以及未來(lái)的CPRI option 5 (4.9G) 將會(huì)占據(jù)中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)部分。與之不同的是，已經(jīng)擁有72萬(wàn)個(gè)TD-LTE基站的中國(guó)移動(dòng)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(shí)間及頻率方面的嚴(yán)格的定時(shí)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(hào)來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，所以CPRI信號(hào)的抖動(dòng)需要盡可能小。CPR說(shuō)明上設(shè)定的抖動(dòng)上限為2ppb。更重要的是，為了確保能達(dá)到3GPP HARQ的目標(biāo)，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(gè)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(duì)稱。雖然每個(gè)移動(dòng)設(shè)備商對(duì)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(shí)現(xiàn)可部署性高、成本低廉的電信級(jí)前端回傳網(wǎng)絡(luò)——這對(duì)RAN而言都是不可或缺的。


表 1 前端回傳在應(yīng)用及運(yùn)維層面的要求

    所有這些需求使得運(yùn)營(yíng)商在考慮前端回傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可能候選的方案如下：點(diǎn)到點(diǎn)光纖、微波、無(wú)源WDM，有源WDM和OTN等。

    盡管OTN無(wú)疑在OAM、分界及擴(kuò)展性等多個(gè)方面均具有運(yùn)維優(yōu)勢(shì)，由于業(yè)界對(duì)OTN能否滿足性能方面的需求尚無(wú)定論，導(dǎo)致了整個(gè)行業(yè)仍然傾向于采用基于有源或無(wú)源WDM的解決方案來(lái)進(jìn)行前端回傳。這是由于大量廠商一擁而上，提供了多種無(wú)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(guò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)在性能方面的要求，從而開(kāi)啟了真正的電信級(jí)前端回傳網(wǎng)絡(luò)的新紀(jì)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(dòng)前端回傳方案與中國(guó)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的特有環(huán)境最為契合。

2.  機(jī)遇：應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn) 基于OTN的移動(dòng)前端回傳方案滿足需求

    前面我們分析了運(yùn)營(yíng)商對(duì)于前端回傳網(wǎng)絡(luò)的需求。下面將討論實(shí)現(xiàn)前端回傳網(wǎng)絡(luò)的四大主要候選技術(shù)方案。

· 點(diǎn)到點(diǎn)光纖
· 無(wú)源WDM
· 有源WDM
· OTN

2.1 點(diǎn)到點(diǎn)光纖

    點(diǎn)到點(diǎn)光纖實(shí)現(xiàn)的前端回傳網(wǎng)絡(luò)中，基站處的每個(gè)遠(yuǎn)端射頻頭（RRH）都通過(guò)單條光纖或光纖對(duì)與BBU相連。 這是所有前端回傳方案中最簡(jiǎn)單的一種，并且，中國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商部署的豐富的光纖資源（尤其是中國(guó)聯(lián)通及中國(guó)電信）使之可以方便地得到部署，此外，該方案也無(wú)需額外的前端回傳的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

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

    結(jié)果是，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(wú)源WDM

    無(wú)源WDM 是首當(dāng)其沖的選擇。在基于無(wú)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(gè)無(wú)源光增/刪復(fù)用器（OADM）來(lái)復(fù)用多個(gè)波長(zhǎng)到單條光纖之上，其中每個(gè)波長(zhǎng)承載一個(gè)CPRI連接。在CWDM系統(tǒng)中，在單條光纖上至多可以承載18個(gè)波長(zhǎng)。

    雖然基于WDM的前端回傳系統(tǒng)比點(diǎn)到點(diǎn)方案的光纖利用率要顯著提升，但不論CPRI速率如何，每個(gè)CPRI信號(hào)依然要消耗一個(gè)10G 波長(zhǎng)。進(jìn)一步而言，無(wú)源WDM方案沒(méi)有在移動(dòng)RAN及前端回傳網(wǎng)絡(luò)之間提供一個(gè)分界點(diǎn)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(jí)。

2.3  有源WDM

    有源 WDM 方案在OADM之外采用了一個(gè)獨(dú)立的復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器，以將CPRI信號(hào)置于某個(gè)特定帶寬之上。有源WDM方案比無(wú)源WDM方案的主要優(yōu)勢(shì)在于它能夠作為一個(gè)分界點(diǎn)，并能提供有限的故障隔離的功能。但是，也和無(wú)源WDM一樣，每個(gè)CPRI信號(hào)均要消耗一個(gè)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(yùn)維團(tuán)隊(duì)對(duì)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(gè)重大的差異:

    1.OTN 方案是基于一種經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)（通過(guò)ITU G.709），該技術(shù)在當(dāng)今運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中已普遍采用

    2.OTN 提供了一組豐富的標(biāo)準(zhǔn)化的OAM功能

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

    4.OTN 在TDM層面提供基于標(biāo)準(zhǔn)的客戶端復(fù)用，因此，無(wú)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(guó)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)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(diǎn)到點(diǎn)光纖前端回傳部署演進(jìn)為利用OTN以2.5G的速度將至多4個(gè)CPRI option 3信號(hào)復(fù)用到速率為10G的單個(gè)出向OTU2容器時(shí)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)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(wú)需部署昂貴的WDM設(shè)備。同時(shí)，OTN還提供所有中國(guó)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)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(jìn)一步提升光纖利用率，并改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)的保護(hù)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(shì)以外，在基于WDM的解決方案上加上OTN能帶來(lái)WDM光模塊的大幅度減少，從而為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商顯著節(jié)縮開(kāi)支。

    相比其他可選方案來(lái)說(shuō)，OTN還提供了優(yōu)異的故障隔離功能。考慮下系統(tǒng)故障的情況。在無(wú)源WDM網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商要竭力判別故障發(fā)生點(diǎn)，因此找到問(wèn)題就可能需要多次上門(mén)服務(wù)。

    此外，判別故障源也可能很困難：是無(wú)線設(shè)備本身，還是無(wú)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(yùn)營(yíng)商可以快速地?cái)喽ǔ鲥e(cuò)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(zhǎng)于無(wú)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(shí)別仍在運(yùn)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(yùn)營(yíng)商能夠預(yù)見(jiàn)到問(wèn)題所在，并降低出錯(cuò)的次數(shù)及時(shí)長(zhǎng)。

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

2.5 助力實(shí)現(xiàn)基于OTN的移動(dòng)前端回傳

       雖然OTN的功能優(yōu)異，由于運(yùn)營(yíng)商對(duì)其滿足本文中提到的嚴(yán)格的抖動(dòng)、延遲及延遲均衡等要求的能力存疑，基于OTN的移動(dòng)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(jì)，其性能測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了OTN滿足前端回傳需求的能力。而今，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(dòng)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(shí)及運(yùn)維方面的嚴(yán)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(dá)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(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)要求。此外，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該解決方案能夠?qū)⒀舆t均衡維持在嚴(yán)格的12納秒之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3GPP要求的65納秒。

表2 PMC 助力實(shí)現(xiàn)基于 OTN 的移動(dòng)前端回傳解決方案

       設(shè)備提供商及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商也能從該方案受益。對(duì)設(shè)備提供商而言，他們可以提供嶄新的、性價(jià)比優(yōu)異的電信級(jí)前端回傳的解決方案，能：

1.滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的要求，且
2.有別于當(dāng)前充斥市場(chǎng)的無(wú)源及有源WDM解決方案
 
    同時(shí)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間
·更低的 OpEx
    無(wú)線接入網(wǎng)是每個(gè)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商最為寶貴的財(cái)富。而今，有了可行的電信級(jí)、可擴(kuò)展及低成本的OTN前端回傳解決方案，勢(shì)將成為運(yùn)營(yíng)商最重要資產(chǎn)的不二之選。

關(guān)于 PMC
    PMC（納斯達(dá)克代碼: PMCS）是半導(dǎo)體以及軟件解決方案的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者，致力于推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上大數(shù)據(jù)的連接、傳送以及存儲(chǔ)。秉持長(zhǎng)久以來(lái)累積的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PMC在存儲(chǔ)、光網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)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(jí)以實(shí)現(xiàn)下一代網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。詳情參見(jiàn)www.pmcs.com。請(qǐng)?jiān)谖⒉�，微信（PMCChina），以及博客上關(guān)注PMC。