利用半被动波分复用（WDM）技术对物理光纤网络进行弹性重构，以实现弹性强的5G前传网络：一项大规模试点研究

《Optical Fiber Technology》：Elastic reconfiguration of physical fiber network with semi-passive WDM for resilient 5G fronthaul: a large-scale pilot study

弹性光缆重构与半被动波分复用技术在5G前传网络中的综合应用研究。提出主干光缆环网与接入层光纤共享的统一资源池构建方案，采用半被动WDM技术实现光纤核心收敛与毫秒级自动线路保护。通过金华市231个ODN网格的大规模试点验证，释放120公里管道资源，光纤利用率提升35%，服务接入距离缩短326米，投资回收期3-4年。研究建立了涵盖技术性能、资源效率和经济效益的综合评估体系，为5G前传网络弹性重构提供理论与实践参考。

　　

Xin Gong

中国人民武装警察部队工程大学信息工程学院，中国西安710086

摘要

第五代移动通信技术（5G）对前端网络在低延迟、高带宽和高可靠性方面的严格要求，促使我们必须从根本上重新思考底层的物理基础设施。本文通过系统地提出一种弹性光纤物理网络重构方案来应对这一需求。该方案通过构建干线光缆环和共享接入光缆，形成了一个统一且高效的光纤资源池。此外，引入了半被动波分复用（WDM）技术来实现光纤芯的集中管理和自动线路保护，有效解决了光纤资源有限和可靠性不足的双重挑战。该方案的可行性通过在浙江省金华市城区进行的大规模试点验证，涵盖了231个光分配网络（ODN）室网格。结果表明，重构后释放了120公里的管道资源，光分配箱（ODB）端口中的46,000个光纤芯得到了释放，平均光纤芯共享率提高了约35%，平均服务接入距离缩短了326米，并实现了毫秒级的切换线路保护能力。基于试点数据的经济成本模型表明，投资回收期约为3至4年。本研究为5G前端网络的高效和弹性重构提供了理论支持和实践路径。

引言

5G的部署正在推动移动前端网络向低延迟、高带宽和高可靠性的方向发展。特别是集中式无线接入网络（C-RAN）架构的广泛应用，通过集中基带处理功能，提高了计算资源利用效率和运营便利性[1]，[2]。然而，这种集中化也对连接远程射频单元（RRU）或活动天线单元（AAU）与集中处理站点的前端网络的光纤资源提出了前所未有的需求。如图1所示，从分布式无线接入网络（D-RAN）向C-RAN的转变从根本上重塑了物理连接模型。在5G背景下，传统的基带单元（BBU）进一步分解为分布式单元（DU）和集中式单元（CU），从而加剧了对灵活高效前端传输层的需求。面对这一挑战，现有的光纤物理网络暴露出两个核心缺点：资源利用效率低和结构刚性，这成为5G大规模部署的主要瓶颈。

当前网络面临的挑战主要体现在两个方面。首先，在网络结构层面，尽管C-RAN在降低运营成本和提升无线网络性能方面具有显著优势，但其星型前端拓扑结构消耗了大量光纤，并且通常缺乏有效的物理保护机制。这不仅增加了光缆、ODB和管道资源的压力，而且由于AAU到DU/CU连接的长度增加和缺乏冗余，大大增加了服务中断的风险。其次，在资源利用方面，宏观和微观数据分析都表明现有网络中存在大量规划不善的点对点直连光缆。例如，在浙江省金华市进行的抽样调查显示，超过一半的144芯干线光缆利用率低于30%，而每个物理接入点部署的光缆长度过长，导致严重的投资闲置和宝贵管道资源的浪费。图2量化了这两个问题，该图基于作者对中国移动集团有限公司浙江公司的资源管理系统的统计分析得出。这种资源浪费和结构脆弱的现状与5G及未来网络对高效性和灵活性的要求形成了鲜明对比。

因此，对现有光纤物理网络进行弹性重构以实现高效资源利用和增强网络弹性具有紧迫的研究意义和工程价值。本文系统地提出了一种适用于5G前端的弹性光纤物理网络重构方案。其主要贡献体现在三个相互关联的方面：提出了一种集成重构方法，将干线光缆环的形成与接入层光纤芯共享相结合，构建了一个统一的可调度资源池；首次实现了基于半被动WDM的毫秒级自动线路保护方案的大规模城市部署和实证验证，该方案能够在共享基础设施上实现光纤芯的集中管理和可靠保护；并通过覆盖75个光分配网络网格的试点，建立了一个综合评估框架，综合了技术性能、资源效率和经济洞察力，以证明该方案的实际可行性。

相关研究

相关工作

近年来，关于提高5G前端网络的光纤资源利用效率和网络弹性方面的研究非常广泛[3]，[4]。移动前端网络向低延迟、高带宽和高可靠性的发展激发了人们对优化底层物理基础设施的各种研究[5]。现有的光纤物理网络通常存在两个核心缺点：资源利用效率低和结构刚性强，这构成了5G大规模部署的主要障碍。

整体重构策略

该方案的核心目标是从碎片化、低效率的光缆布局转变为统一且弹性的网络结构。这通过两个互补的行动来实现：战略性地增加和重组干线光缆、分配电缆和ODB，以实现光纤芯的灵活按需分配；以及系统地用高容量电缆替换孤立的低光纤数量电缆。后一个行动整合了许多小型电缆。

技术理由和半被动WDM的选择

在C-RAN架构下部署5G前端网络不仅对带宽和延迟有严格要求，还对网络可靠性和光纤资源效率有高要求。传统的基站传输网络通常采用基于环的拓扑结构，并具有固有的保护机制。相比之下，新兴的5G前端网络采用点对多点拓扑结构，类似于PON，但这种结构缺乏物理保护机制。

评估方法

在浙江省金华市的实际ODN中进行了大规模试点，以评估所提出的结合半被动WDM的弹性光纤网络重构方案的实际效果。该研究采用了“前后对比”框架，这是一种在工程验证研究中广泛使用的方法，用于量化现实世界网络中的架构变化。

结论

本研究提出了一种结合半被动WDM的集成弹性光纤网络重构方案，以解决5G前端网络的关键问题：光纤利用效率低、结构刚性强和缺乏物理保护。该方案通过将干线电缆转换为环状结构，并将接入电缆整合为共享资源池，创建了一个统一的可调度光网络基础设施。在金华市进行的涉及75个ODN网格的大规模试点表明，该方案有效释放了资源。

CRediT作者贡献声明

Xin Gong：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。

资助

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。