无线回传的发展趋势和技术融合

无线回传网络是连接基站(BS) 和基站控制器(BSC)的信号传输网络，主要承担***核心网***之间的通信任务。在第二代无线通信(2G) 时代，语音业务是无线回传网的主要业务，它的速率恒定，带宽需求小，动态性要求低。无线回传承载网络主要采用同步数字体系(SDH)传输技术完成。第三代无线通信(3G)技术是2G 技术的后续发展技术，目前正在被广泛使用，截止到2012 年5 月份，中国移动电话用户中3G 用户已达到1.6 亿户，3G 渗透率达16% [1]。3G 网络的迅速发展，使得实时视频、移动互联网等3G IP 业务在无线回传网络中的比重稳步增加，传统的SDH无线承载网络已无法满足3G 业务对延时、服务质量等的需求。新一代无线回传承载网必然会向IP 方式演进，并提供更高的传输带宽、更多的用户数量以及更好的服务质量。以以太网无源光网络/千兆比无源光网络(EPON/GPON)为代表的无源光网络具有带宽大、部署灵活、多业务承载能力强等特点，有望在新一代无线回传承载网的建设中发挥更大的作用。

周臻庸

2019-7-12 14:18:20

1 无线回传技术发展趋势
以中国电信CDMA2000、中国联通WCDMA、中国移动TD-SCDMA 为代表的第3 代移动通信(3G)技术能够为用户提供实时视频、高速多媒体和移动Internet 访问业务。具体来说，用户可以通过3G 手机进行网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，为手机融入多媒体元素提供强大的支持。但为了提供这种服务，无线回传承载网不仅需要同时支持不同的数据接入传输速度，也需要在传输带宽、业务承载能力及时钟同步等方面提供更好的性能：
(1)更高的数据传输带宽3G 网络的空中接口技术，如高速下行数据分组接入(HSDPA) 等，会大幅度提高每用户数据速率，相应地无线回传承载网的带宽需求也就大大增加。
(2)更多的用户数目支持3G 基站的用户传输速率增加导致覆盖范围减小，同样的区域需要更多的基站才能覆盖，使得无线回传网络需要支持更多的用户数目。
(3)多业务承载与多颗粒调度能力3G 本地接入网应提供多种易用的标准接口来承载不同的业务，如时分复用(TDM)、以太网和异步传输模式(ATM) 等。此外，需要具有IP 数据包层面和TDM VC12/VC3/VC4 等不同层面、不同颗粒的业务调度、交换/交叉连接能力。
(4)时钟与时间同步要求3G 技术中对时钟频率以及相位同步的要求非常很高，具体指标如表1 所示[2-4]。新一代无线回传网络需要满足多种3G 制式在同步方面的要求，如时分同步码分多址(TD-SCDMA) 基站的时间同步要求，宽带码分多址(WCDMA) 和CDMA 1X建设初期和成熟阶段的频率同步要求以及未来在LTE 阶段可能需要满足业务的时间同步要求等。

表1 不同无线技术下的时钟同步要求
在数据业务的运维方面，无线回传网络要能够达到与SDH 网络类似的业务运维能力，能够提供图形化网管、端到端的业务配置、快速故障定位、自动保护倒换以及告警和性能的实时准确监控。满足端到网管需求。
3G 回传网络应当能够识别分组域数据业务的不同等级和分类，当网络拥塞时根据业务优先级和服务质量性能要求提供差异化服务，从而实现基于优先级的网络流差异化服务。

1 无线回传技术发展趋势
以中国电信CDMA2000、中国联通WCDMA、中国移动TD-SCDMA 为代表的第3 代移动通信(3G)技术能够为用户提供实时视频、高速多媒体和移动Internet 访问业务。具体来说，用户可以通过3G 手机进行网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，为手机融入多媒体元素提供强大的支持。但为了提供这种服务，无线回传承载网不仅需要同时支持不同的数据接入传输速度，也需要在传输带宽、业务承载能力及时钟同步等方面提供更好的性能：
(1)更高的数据传输带宽3G 网络的空中接口技术，如高速下行数据分组接入(HSDPA) 等，会大幅度提高每用户数据速率，相应地无线回传承载网的带宽需求也就大大增加。
(2)更多的用户数目支持3G 基站的用户传输速率增加导致覆盖范围减小，同样的区域需要更多的基站才能覆盖，使得无线回传网络需要支持更多的用户数目。
(3)多业务承载与多颗粒调度能力3G 本地接入网应提供多种易用的标准接口来承载不同的业务，如时分复用(TDM)、以太网和异步传输模式(ATM) 等。此外，需要具有IP 数据包层面和TDM VC12/VC3/VC4 等不同层面、不同颗粒的业务调度、交换/交叉连接能力。
(4)时钟与时间同步要求3G 技术中对时钟频率以及相位同步的要求非常很高，具体指标如表1 所示[2-4]。新一代无线回传网络需要满足多种3G 制式在同步方面的要求，如时分同步码分多址(TD-SCDMA) 基站的时间同步要求，宽带码分多址(WCDMA) 和CDMA 1X建设初期和成熟阶段的频率同步要求以及未来在LTE 阶段可能需要满足业务的时间同步要求等。

表1 不同无线技术下的时钟同步要求
在数据业务的运维方面，无线回传网络要能够达到与SDH 网络类似的业务运维能力，能够提供图形化网管、端到端的业务配置、快速故障定位、自动保护倒换以及告警和性能的实时准确监控。满足端到网管需求。
3G 回传网络应当能够识别分组域数据业务的不同等级和分类，当网络拥塞时根据业务优先级和服务质量性能要求提供差异化服务，从而实现基于优先级的网络流差异化服务。

刘勉励

2019-7-12 14:18:31

2 无源光网络和无线回传的技术融合
目前无线回传网络采用的通信方式有3 种：一是传统的电缆传输方式，即租用E1 线路或者自行铺设；二是光缆传输，需铺设专门的光缆传输从BTS 到BSC 的数据，且需配置光端机；三是无线传输，通常采用微波技术来实现。近年来，随着中国“三网融合”政策的确立，光纤宽带(FTTX)网络开始大规模建设，以EPON/GPON为代表的无源光纤网在中国进行了大量的部署，覆盖范围日益广泛。无源光网络具有带宽大、部署灵活、多业务承载能力强等特点，可以有效地降低运营商的建网成本，完成可以作为无线回传的承载网。
图1 所示为基于无源光网络(PON) 的无线回传网络结构示意图。在该网络中，光线路终端(OLT) 放置在中心局，与无线核心网络连接；光网络单元(ONU) 放置在移动基站处。无源光分路器和光缆构成光线路终端和光网络单元之间的无源光纤传输网络。通常PON 网络的光纤传输距离可以达到20 km，以PON 为基础的无线回传网可以覆盖直径40 km 的范围。

图1 PON 无线回传网结构
利用PON 网络承载无线回传网络的关键技术主要包括：
(1) 高速数据传输和超多用户支持能力3G 网络在大幅度提高了单用户的数据接入速率，也使得3G 基站的覆盖范围减小，无线回传承载网单网用户支持数目急剧增加，远远超过目前PON 网络规定的32 个用户数量，对PON 网络的功率预算是一个巨大的挑战。Neda Cvijetic[5]提出了一种软件定制的无线回传网络异质结构。该结构可以通过软件动态配置，适用于不同的无线回传网络场景，最多可以支持1 000 个以上的用户，为下一代无线回传网络的发展提供了一种全新的思路。
(2) 高精度时钟频率和时间同步技术如表1 所示，3G 网络对时钟频率和相位同步的要求很高。3G 毫微微(Femto) 基站覆盖范围小，成本压力大，无法配备全球定位系统(GPS) 作为频率和时钟同步装置。使用PON作为3G Femto 基站回传承载网时，必须支持频率和时钟同步功能。业界针对这一问题提出了很多解决方案，隋猛等[6]针对PON 网络中串并转换模块(SerDes)、ONU 响应时间带来的误差提出基于10G GPON 和10G EPON的时间同步标准技术方案，同步精度分别可以达到±25 ns 和±130 ns，现已被国际标准组织认可并作为正式标准。
(3)支持QoS 的差异化服务QoS 是指数据流通过网络时获得的端到端的服务质量保证。完善的QoS 机制能够合理地分配与监控有限的网络资源。不同的QoS 等级对延迟、抖动、带宽的需求各不相同，全球很多研究机构在这方面展开了深入的研究。NEC 公司的Neda Cvijetic[7]利用新型的OFDMA/TDMA-PON 的网络结构实现了200 个单元的100 Mb/s 传输，传输距离超过1.6 km，传输延迟小于1 ms。Kun Yang 等人[8]则研究了无源光网络和无线网络融合下具有QoS 等级的动态带宽分配方法(WE-DBA)。文献[8] 仿真结果表明该算法能够有效地提高网络吞吐率、平均/最大时延、资源利用和差异化服务等指标。

2 无源光网络和无线回传的技术融合
目前无线回传网络采用的通信方式有3 种：一是传统的电缆传输方式，即租用E1 线路或者自行铺设；二是光缆传输，需铺设专门的光缆传输从BTS 到BSC 的数据，且需配置光端机；三是无线传输，通常采用微波技术来实现。近年来，随着中国“三网融合”政策的确立，光纤宽带(FTTX)网络开始大规模建设，以EPON/GPON为代表的无源光纤网在中国进行了大量的部署，覆盖范围日益广泛。无源光网络具有带宽大、部署灵活、多业务承载能力强等特点，可以有效地降低运营商的建网成本，完成可以作为无线回传的承载网。
图1 所示为基于无源光网络(PON) 的无线回传网络结构示意图。在该网络中，光线路终端(OLT) 放置在中心局，与无线核心网络连接；光网络单元(ONU) 放置在移动基站处。无源光分路器和光缆构成光线路终端和光网络单元之间的无源光纤传输网络。通常PON 网络的光纤传输距离可以达到20 km，以PON 为基础的无线回传网可以覆盖直径40 km 的范围。

图1 PON 无线回传网结构
利用PON 网络承载无线回传网络的关键技术主要包括：
(1) 高速数据传输和超多用户支持能力3G 网络在大幅度提高了单用户的数据接入速率，也使得3G 基站的覆盖范围减小，无线回传承载网单网用户支持数目急剧增加，远远超过目前PON 网络规定的32 个用户数量，对PON 网络的功率预算是一个巨大的挑战。Neda Cvijetic[5]提出了一种软件定制的无线回传网络异质结构。该结构可以通过软件动态配置，适用于不同的无线回传网络场景，最多可以支持1 000 个以上的用户，为下一代无线回传网络的发展提供了一种全新的思路。
(2) 高精度时钟频率和时间同步技术如表1 所示，3G 网络对时钟频率和相位同步的要求很高。3G 毫微微(Femto) 基站覆盖范围小，成本压力大，无法配备全球定位系统(GPS) 作为频率和时钟同步装置。使用PON作为3G Femto 基站回传承载网时，必须支持频率和时钟同步功能。业界针对这一问题提出了很多解决方案，隋猛等[6]针对PON 网络中串并转换模块(SerDes)、ONU 响应时间带来的误差提出基于10G GPON 和10G EPON的时间同步标准技术方案，同步精度分别可以达到±25 ns 和±130 ns，现已被国际标准组织认可并作为正式标准。
(3)支持QoS 的差异化服务QoS 是指数据流通过网络时获得的端到端的服务质量保证。完善的QoS 机制能够合理地分配与监控有限的网络资源。不同的QoS 等级对延迟、抖动、带宽的需求各不相同，全球很多研究机构在这方面展开了深入的研究。NEC 公司的Neda Cvijetic[7]利用新型的OFDMA/TDMA-PON 的网络结构实现了200 个单元的100 Mb/s 传输，传输距离超过1.6 km，传输延迟小于1 ms。Kun Yang 等人[8]则研究了无源光网络和无线网络融合下具有QoS 等级的动态带宽分配方法(WE-DBA)。文献[8] 仿真结果表明该算法能够有效地提高网络吞吐率、平均/最大时延、资源利用和差异化服务等指标。

陈明

2019-7-12 14:18:36

3 结束语
无线网络从2G 向3G/LTE 的发展和演进是一个长期过程，大部分运营商会同时面临多种制式网络长期共存的问题。无线回传网采用何种技术，如何建网将会成为业界的讨论热点。可以肯定的是，无源光网络作为一种接入汇聚技术，具有高带宽、低成本、多种业务支持等特点，适用作为无线回传的承载网。无源光网络通过在大用户数目支持、时钟同步、QoS 保障等方面进行优化设计，从而为无线回传网提供分组化业务质量保证( 如端到端时延，抖动，运行、管理和维护)，是一种非常具有应用前景的无线回传网络承载方案。

刘磊

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周臻庸

刘勉励

陈明

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