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内容概要:本文详细介绍了面向下一代移动通信的前传网络关键技术,涵盖了前传网络的需求、技术和实现架构等方面。文章重点分析了三种主要的前传架构——数字前传技术、模拟前传技术和数模结合前传技术,探讨了各自的网络架构、关键技术和未来发展方向。此外,文中还讨论了相干载波聚合的点到多点技术、下一代相干无源光网络技术以及新型前传光信号调制与传输技术。最后,文章展望了未来前传网络的发展方向,包括毫米波和太赫兹光无线基带前传、超低时延和超高灵活性前传网络技术以及天地一体化异构前传网络。 适合人群:通信行业研究人员、高校师生及相关技术人员。 使用场景及目标:①帮助研究人员了解前传网络的技术现状和发展趋势;②为未来移动前传网络的研究提供理论和技术参考;③推动下一代移动通信技术的实际应用和发展。 其他说明:本文强调了前传网络在未来移动通信中的重要作用,指出了当前面临的挑战和未来的改进方向,旨在为相关领域的研究和开发提供有价值的指导。
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面向下一代移动通信的前传网络关键技术 赵俊皓 等热点专题
中兴通讯技术
2023 年 10 月 第 29 卷第 5 期 Oct. 2023 Vol. 29 No. 5
面向下一代移动通信的
前传网络关键技术
Key Technologies for Fronthaul Network in
Next-Generation Mobile Communication
赵俊皓/ZHAO Junhao,张俊文/ZHANG Junwen,
迟楠/CHI Nan
( 复旦大学 电磁波信息科学教育部重点实验室,中国 上海200433 )
(Key Laboratory of EMW Information (MoE), Fudan University, Shanghai
200433, China)
DOI:10.12142/ZTETJ.202305008
网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1228.TN.20231016.1012.010.html
网络出版日期:2023-10-17
收稿日期:2023-08-08
摘要:下一代宽带移动通信的容量相对 5G通信提升百倍至千倍,这对支撑其发展的前传光通信网络的物理基础提出了巨大的挑战。系统回顾和
梳理了移动前传网络的需求、技术和实现架构等。以光纤无线融合接入为基础,重点针对数字前传技术、模拟前传技术和数模结合前传技术 3
类移动前传架构,围绕其网络架构、关键技术和未来发展方向进行了深入的分析和探讨,并对未来前传网络关键技术进行展望。本研究可为未
来移动前传网络的研究提供参考。
关键词:前传网络;接入网;光载无线
Abstract: The next-generation broadband mobile communication is expected to increase capacity by hundreds to thousands of times com⁃
pared with 5G communication, posing significant challenges to the physical foundation of the fronthaul optical communication network that
supports its development. A systematic review of mobile fronthaul networks is provided, including their requirements, technologies, and
implementation architectures. Furthermore, three types of mobile fronthaul architectures based on radio-over-fiber access are highlighted:
digital fronthaul technology, analog fronthaul technology, and hybrid digital-analog fronthaul technology. Then the network architectures, key
technologies, and future development directions are discussed, offering valuable insights and references for the research on the mobile fron⁃
thaul networks of future communication.
Keywords: fronthaul network; access network; radio-over-fiber
引用格式:赵俊皓, 张俊文, 迟楠. 面向下一代移动通信的前传网络关键技术 [J]. 中兴通讯技术, 2023, 29(5): 45-55. DOI: 10.12142/ZTETJ.202305008
Citation: ZHAO J H, ZHANG J W, CHI N. Key technologies for fronthaul network in next-generation mobile communication [J]. ZTE technol⁃
ogy journal, 2023, 29(5): 45-55. DOI: DOI: 10.121 42/ZTETJ.202305008
进
入21 世纪以来,通信需求的爆炸性增长给宽带通信接
入带来巨大考验,也为新型高速通信技术的发展提供
机遇。如图 1 (a) 所示,与 5G 相比,下一代宽带移动通信
在数据容量、网络覆盖范围、能源消耗、时延、可靠性以及
网络连接密度方面提出新的需求
[1]
,通信容量提升百倍至千
倍,这对支撑其发展的前传光通信网络的物理基础提出重大
挑战。随着数据流量的指数级增长,现有前传光网络带宽已
不能完全满足未来业务流量需求,亟需物理层通信技术的变
革。当前,以通用公共无线接口(CPRI) 为主要接口标准的
集中式无线接入网
[2]
和云无线接入网是主流的前传网络。但
由于存在低频谱效率和大数据速率需求,CPRI 的可扩展性
受到限制。如今,移动前传网络的发展面临两大挑战:一方
面,未来移动前传网络亟需寻求新的光前传网络实现架构,
实现大带宽、高速率、低时延的移动前传网络;另一方面,
亟需开发新型前传数据调制、传输和解调实现方式,压缩前
传通信的带宽,以进一步提高前传通信的传输效率。
对此,业界展开了大量深入的研究。在网络架构实现方
面,相干技术的下沉为高速短距离光接入及光互连提供了机
遇,包括基于相干载波聚合技术的点到多点相干技术
[3]
,以
及基于相干的无源光网络
[4]
,均有望提供巨大的前传通信网
基金项目:国家自然科学基金资助项目 (62171137、62235005、61925104);
上海市自然科学基金资助项目(21ZR1408700)
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中兴通讯技术
2023 年 10 月 第 29 卷第 5 期 Oct. 2023 Vol. 29 No. 5
络带宽,这也为超高速的移动前传光网络提供了物理基础。
另一方面,随着光纤无线电融合 (RoF) 技术的发展,新型
前传数据调制、传输和解调成为可能。针对 CPRI 低效率的
数据传输,压缩前传网络的数据量成为研究热点
[5]
。有望替
代 CPRI 的前传技术分支有:数字前传技术、模拟前传技术
和数模结合前传技术等。其中,数字前传技术的研究热点聚
焦于压缩数字信号数据,以获取更高频谱效率
[6]
;模拟前传
技术的研究热点在于如何更好地补偿模拟信号的非线性失
真
[7]
;数模结合前传技术则结合了数字信号的高保真度和模
拟信号的高频谱效率的优点,实现了两者间较好的结合
[8]
。
而近年来,随着毫米波、太赫兹等无线通信技术的发展,业
界也提出了光子毫米波、光子太赫兹承载的前传网络
[9-10]
,
以满足未来前传网络的大规模密集布站需求。
本文中,我们以未来前传网络的需求为导向,系统回顾
和梳理了移动前传网络的需求、技术和实现架构等。此外,
本文以光纤无线融合接入为基础,重点针对数字前传技术、
模拟前传技术和数模结合前传技术,围绕其网络架构、关键
技术和未来发展方向进行深入分析和探讨;进一步地,对未
来前传光网络关键技术进行展望,为未来移动前传网络的研
究提供参考。
1 移动前传的发展
移动前传 (MFH) 是无线接入网功能划分的产物。5G
乃至 B5G 的接入网架构如图 1 (b) 所示。在接入网的发展
中,随着接入网架构的变化,前传网络的功能定位也在随之
改变。如图 2 所示,在 3G 接入网中,基带处理单元 (BBU)
和 远 程 无 线 电 单 元 (RRU) 作 为 一 个 整 体 , 通 过 回 传
(Backhaul) 网络与核心网连接;4G 时代,BBU 与 RRU 被拆
分开,它们之间的链接定义为前传 (Fronthaul) 网络,一般
由光纤承载;5G 时代后,接入网又被进一步拆分,BBU 被
拆分成了中央单元 (CU) 和分布单元 (CU)。CU和DU之间
形成了新的链路称为中传 (Midhaul),而RRU也由于功能的
增加演变成了射频单元 (RU)。
为了实现更加有效的功能划分,第 3 代合作伙伴计划
图1 6G 网络需求和 5G RAN 网络架构
(a)6G 网络需求
[1]
(b)5G RAN 网络架构
CU:中央单元 DU:分布单元 eMBB:增强移动带宽 mMTC:海量机器类通信 RU:射频单元 URLLC:高可靠低时延通信
图2 不同代际移动通信网络的前传网络网架构
BBU:基带处理单元 CU:中央单元 DU:分布单元 RRU:远程无线电单元 RU:射频单元
极高的数据
速率/容量
极广的覆盖
范围扩展
极低能源
消耗
极低时延
极高可靠性
极密集的
网络连接
mMTC
eMBB URLLC
·峰值速率>100 Gbit/s
·超高的上下行容量
·Gbit/s级网络全覆盖
·新的覆盖区域:对空(1×10
4
m),
海上(3.7×10
5
m)
·经济实惠的毫米波/太赫兹网络和设备
·无源器件
·端到端超低时延<1 ms
·稳定的低时延
·极高的服务质量
·安全、私密、灵活网络
核心网
移动回传
移动中传
移动前传
移动前传
RU
RU
CU DU
3G
4G
5G and beyond
移动回传核心网
核心网
核心网
移动回传
移动回传
移动中传
移动前传
移动前传
BBU
BBU RRU
RRU
RU
DUCU
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2023 年 10 月 第 29 卷第 5 期 Oct. 2023 Vol. 29 No. 5
(3GPP) 以网络层、数据链接层和物理层为基础提出了 8 种
不同的功能划分选项,如图 3 所示。业内可根据实用需求,
以不同功能划分为基础定义接入网。随着技术的发展和不同
需求的增加,以功能划分为原则,形成了许多种不同结构的
接入网,如分布式无线接入网、集中式无线接入网、云无线
接入网和开放式无线接入网等。前传网络的功能定位也随之
改变,形成了图 2 中 3G、4G、5G 乃至 B5G 的不同接入网架
构。这种网络架构的演进既是网络功能的细化和功能分解的
需要,也是系统对带宽、时延和处理能力的进一步优化。展
望未来通信网络,前传网络将在 5G 的基础上,进一步提升
传输带宽,降低时延,并展现高度的灵活性。
在前传网络之间的传输、连接和控制标准规范方面,业
内根据不同实际需求在不同的功能区间制定了多种前传标准
协 议 接 口 。 4G 前 传 标 准 接 口 是 通 用 公 共 无 线 电 接 口
(CPRI),由原始设备制造商联盟于 2003 年制定。CPRI 通常
应用于选项 8,使用同步数据传输协议,其比特率取决于天
线数量。对于一个多单元多天线系统,CPRI 的比特率可由
式 (1) 表示:
B
CPRI
= S∙A∙f
s
∙b
s
∙2∙(
16
15
)∙LC
, (1)
其中,
S
为单元数,
A
为每个单元中的天线数量,
f
s
表示采
样率,
b
s
表示每个样本的比特数 (一般取 15 或 8),参数2表
示 I 和 Q 两路处理,16/15 表示多余的开销信息,LC 为约束
编码 (一般取 10/8 或 66/64,取决于 CPRI 网络比特率选项)。
由式 (1) 可知,CPRI 协议下的传输速率不会根据实际
网络负载的变化而进行调整,这是产生 CPRI 低利用率的主
要原因。4G前传网络主要采用CPRI 协议,但由于5G网络速
率需求大幅提升、天线数量成倍增加,CPRI 难以满足 5G 高
容量需求。4G 网络中载波带宽一般为 20 MHz,快速傅里叶
逆变换 (IFFT) 点数为 2 048,子载波间隔为 15 kHz,采样
频率为 30.72 MHz (2 048×15 kHz),采样位宽为 30 bit (I/Q
各 15 bit)。根据式 (1) 可以算出每单元单天线下所需的
CPRI 速率为 1.228 8 Gbit/s。如果采用 8×8 多输入多输出
(MIMO),单条线路的CPRI 速率需求就为9.830 4 Gbit/s (8×
1.228 8 Gbit/s)。5G新空口定义载波带宽为100 MHz,IFFT点
数为 4 096,子载波间隔为 30 kHz,采样频率为 122.88 MHz
(4 096×30 kHz),采样位宽为 30 bit (I/Q 各 15 bit),可以算
出每单元单天线下所需的 CPRI 速率为 4.915 2 Gbit/s,而 5G
采用 64TRx MIMO 时,最终单 条线 路的 CPRI 速率 需求为
314.57 Gbit/s (=64×4.915 2 Gbit/s)。5G 的 CPRI 速率需求较
4G增长了几十倍。为此,3GPP TR 38.801、电气和电子工程
师协会 (IEEE) 和国际电信联盟标准化部门 (ITU-T) 等组
织制定了新的解决方案,例如将BBU的功能进行拆分,让部
分功能下沉至RRU中,以降低接口之间的传输速率需求。
随着功能结构的拆分,新的接口协议也由此诞生。增强
型通用公共无线电接口 (eCPRI),是用于连接无线基站 DU
与 RU 的前传接口协议,以物理层功能内部拆分为基础。相
比于 CPRI,eCPRI 在选项 7 内新增了选项 7-1、7-2a、7-2
和 7-3,目的就是将调制、映射、预编码以及循环前缀添加
等数字信号处理 (DSP) 功能下沉到 RU 中,以此来减轻前
传传输速率的压力,大幅提升前传网络的高效性和灵活性。
新一代前传光网络正在如上的功能拆分的基础上,进一步创
新前传光网络架构,发展物理层前传通信技术,满足未来前
传的带宽、效率和灵活性需求。
2 相关工作
随着前传网络更深层次的覆盖与应用,业界对未来前传
网络的发展趋势展开了一系列的研究。例如,文献[11]预测
图3 新一代移动前传网络的不同功能划分选项
MAC:媒体接入控制层 PDCP:分组数据汇聚协议层 PHY:物理层 RLC:无线链路层控制协议层 RRC:无线资源控制层
网络层
RRC PDCP
高RLC
低RLC
高MAC
低MAC 高PHY 低PHY
RRC PDCP
高RLC 低RLC 高MAC
低MAC
高PHY 低PHY
射频
选项
1
选项
2
选项
3
选项
4
选项
5
选项
6
选项
7
选项
8
数据链路层 物理层
47
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