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17/11/2020 - 19/11/2020
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通过小基站和 DAS 进行网络卸载

通过小基站和 DAS 进行网络卸载
由于光纤与移动网络的融合是一种需求迅速变化的应用,因此对于所有移动运营商来说,这都是一个备受争议的问题。

集中式架构

虽然光纤主要部署在回程网络中,其将基带单元 (BBU) 与核心网络互连,但在过去几年中,在基站到天线中也使用了光纤,并利用一种全新的方法来构建灵活的移动网络,该技术也称为 (fronthaul) 去程。

传统上讲,BBU 和远程射频头 (RRH) 会安装在靠近天线的机柜内, 并使用同轴电缆将 RRH 连接到位于基站顶部的天线。随着向光纤连接的迁移,放置 RRH 的位置更靠近基站顶部的天线了,并连接到 BBU, 如图 2 (b) 所示。光纤克服了由同轴电缆施加的任何限制, 如距离、重量和能量等。由于会出现更长的距离,因此在设计去程网络时候,在中心办公室地点,人们可将其设计在中央的基站中,其中会为几个基站配备一定数量的基带单位。


在中央办公室或某个住所里使用叠放的 BBU,并形成一个集中式 BBU (C-BBU) 的架构被称为集中式架构。这种架构有助于在同一个位置实现简易的维护,并改进了安全性(机柜不易进入),同时还减少了能源消耗。此外,在 LTE 网络中,将 BBU 放在同一地点的配置简化了 X2 接口,也使得相关的延迟和同步问题变得无关紧要。X2 接口为 BBU 之间进行顺利交接和协调提供信息交换。

虽然每个 RRH 和 BBU 之间的连接可以用专用的光纤来部署,但最有效的方法是在单个光纤上部署波长多路复用。如果在去程中使用有源波分复用 (WDM) 解决方案,那么,对信号同步的要求将非常严格。此外,在基于有源系统的网络设计中,空间和功率限制将是主要问题。

另一方面,无源 WDM 具有低延迟的解决方案,其中彩色收发器会直接部署在 RRH 中以提供必要的 WDM 波长信号。

通过小基站和 DAS 进行网络卸载

一旦移动服务提供商 (MSP) 想要加大信号覆盖和提高目标区域的容量,那么,通过分布式天线系统 (DAS) 和小基站进行网络卸载现在则正越来越受欢迎,并成为了宏基站扩展的替代架构。在宏覆盖率较低时,DAS 解决方案也很重要,。

DAS 网络中有在空间上分离的天线,其通过光纤单独连接到进行基带处理的基站、或中央办公室。。DAS 系统的优点是可以由多个运营商共享。然后,每个运营商可以将各自的基站连接到共享的分配系统。DAS 可以在室内 (iDAS) 和户外 (oDAS) 实现。

小基站完全具备在同一位置进行处理的能力。今天,大部分的小基站都设计成单一运营商使用的单一频带。类似于宏站点的回程/去程,光纤可以根据 DAS 和小基站的回程进行优化。

由于光纤的低损耗和多路复用功能,多个小基站和宏基站可以在数公里内连接到中央办公室,这时信号处理还可以在中心位置执行。

通过多年的无源光纤网络 (PON) 的光纤到户的应用,基于光纤的接入技术已经成熟。虽然光纤到无线回程或去程网络的出现是最近发生的事,然而其技术成熟度已经得到很好的证明。然而, 我们必须注意到的是,以下各节所讨论的光学元件需要满足无线环境特定的某些条件, 才能使基于光纤的无线网络具有弹性和经得起未来的考验。

不同种类的收发器

收发器是所有网络的关键组成部分。今天,850nm 或 1310nm 的、数据速率高达 10Gb /秒的灰色光纤主要部署在一个简单的点对点的去程光纤网络中,移动运营商正在通过叠加更多的天线的方式,来增加每个基站的容量。每一个带有 RRH 的天线都需要一个专用的光纤来进行去程连接。此外,这些有大量 RRH 的基站是与中央办公室的 C-BBU 连接在一起的。因此,增加更多的光纤线路可以满足目前的带宽需求。

随着移动运营商将他们的网络升级为 4G LTE,考虑到这些小基站的补充和 DAS,去程网络将无处不在,人们会认为安装新的光纤将过于昂贵。一旦光纤到达一个基站站点,可以简单地通过使用彩色收发器和复用技术来增加其容量。对于无源去程/回程方法, 彩色收发器可以直接连接到 RRH,并利用公共无线电接口 (CPRI) 或开放式基站体系结构倡议 (OBSAI) 协议,将收发器安装在 C-BBU 。

2003 年, 爱立信、华为、NEC、北电和西门子进行了合作,并将 CPRI 作为控制器与 RRH[7]之间的数字化基站接口的标准。位于中央办公室和 RRH 的无线电设备控制器 (REC) 需要支持至少一个 CPRI 选项( 如图 4 所示) 以及相应的线比特率。

CPRI 线率包括信号和控制数据中的信息数据。目前, CPRI 率的定义为低于 10.1376Gb/秒。一个 9.8Gb/秒的 CPRI 线率可以维持一个通过 8x8 MIMO 天线实现的 20MHz 的 LTE 载波带宽。

OBSAI 是 2002 年在现代、LGE、诺基亚、西门子和中兴之间进行的合作中制定的。与 CPRI 类似, OBSAI 率为从 728 Mbps 到 6.8 Gb/s 不等。目前, CPRI 的市场占有率高于 OBSAI。在 CPRI 情况下,BBU 和 RRU 之间的链接长度可以是几十公里。在人口稠密的地区或无线互联网服务较差的地方, 可以通过在基站和托管站点上放置带有以太网协议的附加彩色收发器的方式,来设计小型基站和 DAS 的卸载。以太网速度可以从 GbE 到 100Gb/s 不等。

然而, 远程站点的收发器需要坚固和具有弹性,以抵御极端的环境条件, 因为这些位置不会全部都具有环境措施。目前,所有 2.45 Gb/s 粗 WDM(CWDM) 波长和八个 9.83Gb/s CWDM 红色 lambda (1470nm-1610nm) CPRI 收发器可用于恶劣环境,其工作温度范围为 从 - 40 到 + 85C。在设计一个去程/回程网络时,重要的是要研究可使用的封装、波长、功率预算等,最重要的是,如果设计一个无源网络,就要研究收发器正常工作的温度范围。

更高容量的 WDM

多路复用可以通过不同的维度实现:时间、波长、调制/相位、极化和空间。顾名思义,波分复用 (WDM) 是将不同通道的波长复用成单一的光纤,是扩展网络容量时候容易做到的最好方法之一。取决于光纤的可用性、线路情况和连接基站和中央办公室的位置等条件,去程及回程网络可以有各种各样的拓扑结构,如环形、总线、菊花链或点对点、使用单光纤或光纤对等,而所有形式都可以利用多路复用进行加强。

取决于相邻通道的波长或频率间隔,WDM 细分为两种主要类型,密集的 WDM(DWDM) 和粗 WDM(CWDM)。由于 DWDM 中的密集通道和 DWDM 系统的低线宽要求,更稳定的激光器如 DFB 或 ECL 将是必不可少的。

另一方面, CWDM 系统使用 FP 激光器, 其成本低于 DWDM 对应的元件。发射激光器可能经常要与温度控制器一起使用, 以确保激光器的中心波长不会大大偏离操作带宽。在网络设计中, CWDM 或 DWDM 的选择主要取决于距离、通道数和所需的数据速率。此外,多路复用器的添加/删除功能使其在位置方面具有了灵活性。韩国 SK 电信是首批在去程网络中使用 WDM 的运营商之一。

CWDM 提供多达 16 个通道, 而 DWDM 可以携带 80 个波长 (在 C 波段), 考虑 L 波段情况下,其可以扩展到 80 个以上的通道。随着 WDM 技术的发展,容量的增加是无限的。然而, 由于成本在部署中起着至关重要的作用,因此,具有室外强化参数的、低成本的 DWDM 技术仍在研究中。基于 CWDM 的去程技术在经济上更加实惠,由于 CWDM 收发器能够承受极端情况, 因此今天多数的新去程设施都使用了该技术。

WDM 也得到了兴人们的趣, 因为其在远程站点不需要电源和管理, 因此不会产生额外的运营成本。WDM 可以安装在非常紧凑和坚固的外壳中,如图 5 所示,其符合外部设备 (OSP) 的规范。

去程/回程网络的保护

由于移动数据服务的每位数据的收入非常低,因此必须部署一个在资本支出和运营成本中都具有成本效益的解决方案,其还要是不会过时的技术,并可以实现无缝通信。虽然成本可能是一个重要的决定因素,但在小基站到宏基站部署的光纤线路保护也需要有弹性,以应对苛刻的环境条件和任何电力中断。

图 6 是半无源 OPS 在移动去程应用中的情况。本例假设:使用 16 个双向线路(CPRI 或 GbE)通过两根光纤在中央办公室 (CO) 和 RRH 节点之间实现传输。在 RRH 节点上部署了一个无源耦合器,而在中央办公室使用了有源交换机。一个 RRH 节点通常有三个或更多个 RRH。在这个例子中,假设使用了三个独立运行于三个不同的波长的 RRH 。
通过在 RRH 中插入相应的收发器来得到适当的波长。在多路复用器的帮助下,三根光纤中的三种不同波长的会被组合成一根光纤。多路复用器后面的 3-dB 耦合器会将 WDM 信号分裂成两个工作和备份线路。在中央办公室, 有源交换机会检测工作线路中的信号, 并在发生故障时切换到备份线路。

由于在 RRH 端使用了纯粹的无源耦合器,因此,在使用上述的半无源 OPS 架构时,在远程节点上不需要任何电源,从而使运行成本降到最低,并使得设计对电力中断具有弹性。在需要时,也有可能通过在 RRH 节点上使用反射器,来实现无源远程监视和管理。此设计适用于苛刻的环境和扩展的温度范围,并且可以在点到点和环形拓扑中,支持进行 WDM 或光纤添加/删除 (OADM) 的集成。在中央办公室的 BBU 单元具有需要监测的交换机的网络管理权限,以及用户定义的阈值。

去程及回程的无源监视

对于去程应用,新的 reflector-based real-time (基于反射器的实时)光纤监测的实现如图 7 所示。该方法不仅能检测故障,而且还能识别出其中的原因,从而帮助运营商快速诊断问题和减少服务中断。中央办公室将需要一个 WDM 多路复用器来将 CPRI / GbE 线路与 1625/1650 nm 端口进行耦合,以便用于 OTDR 监控。

在远端会插入一个与在线衰减器一样封装的的反射器。集成在适配器中的滤光片会阻止 1650 nm 波长,并将实现 1260 - 1618nm 波长的传输。反射的 1650 nm OTDR 信号会回到 OTDR 接收器,然后显示出反射器所在位置的距离。反射器也可以作为一根跳接电缆或尾纤来制造。封装选择取决于所需的规范和安装要求。

在实践中,不同去程分支中的反射器与中央办公室的距离并不相同。一旦安装得当,反射器可以用来对网络进行实时诊断,而不用中断服务。

通过将安装过程中所使用的参考路径与实时路径进行比较,就可以对故障进行确定。反射器的高反射率 (95%) 提高了 OTDR 的空间分辨率,并提升了性能。反射器有最大 1dB 的插入损失,并需要在网络规划中进行计算。

The Passive Advantage(无源优势)

随着移动去程及回程部署的快速增长,重要的是选择具有良好的投资回报的技术。使用 WDM 波长的、光谱高效的、无源移动前程和回程具有以下优点:

使用简单的即插即用模块增加基站容量。
具有较低的 CAPEX (比有源型低50% )和较低的 OPEX (支持/维护、场地租赁和节能)的经济优势。
降低延迟,提高最大允许距离。
中心位置的 BBU 需要更少的资源,包括空间、能源、冷却。
坚固且有弹性,可用于外部设备应用环境。
服务的完全透明,即。与运输、迁移无关,容易实现长期的变化。

结论

在今后的网络和互联世界中,我们将看到数据流量的空前增长,其需要部署新颖的去程/回程技术,该技术需要在恶劣的环境中具有更高的性能,并有更低功耗和更低成本。

针对这些要求,本文阐述了不同的具有温度强化的彩色收发器、不同封装的多路复用器以及保护方案和监测手段,在扩展无线容量和覆盖范围时候,这些都是网络设计和规划的组成部分。每一次升级都不是通过一个简单的解决方案完成的,逐步解决技术和业务上的挑战,将会让去程及回程的演进变得更加简单和高效。
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