強化既有PON功能與光介面　5G小基站「借光」融合接取網路

電信自由化與全球化，孕育了電信產業蓬勃發展與高度競爭，也演化出各式科技創新與新穎服務誕生，於此期間，固定有線網路與無線行動網路的競合時代邁向今日的融合架構，更突顯網路的多元性與相容性。

回顧近二十年來的網路演化，營運商所面臨營運挑戰和系統設備供應商的經營困境，都不斷促使各方面的改變與調整，而最為明顯的即是無線通訊的技術創新與網路演化，以及光通訊網路普及與延展所帶來的優質寬頻服務。

5G無線通訊網路的新世代來臨，除可提供民眾更優質的各式電信服務外，更將對全球各行各業帶來明顯衝擊與影響，尤其企業專頻專網的未來性更是值得期待。

5G網路需求指標之期待

回顧從1G到4G的無線通訊網路，其主要的服務對象皆是以人為中心，所演化出的各式電訊服務，如語音、訊息和影像等服務。而今日的5G無線通訊網路，則跳脫了過去的服務範疇，拓及至各行各業與各種事物，其所預期的涵蓋範圍更可說是包山包海，當然其所面臨的挑戰與難度也可想而知。

現階段針對5G的主要功能指標可由圖1來呈現，其中之八大指標主要是由過去4G時代所面臨的服務情形與現今所欲提供之服務來訂定，主要以eMBB、mMTC和uRLLC為核心，除頻寬需求指標的設定與預期單位面積內之服務頻寬與設備可連接數等，同時要求在高速行動下之連接與時間延遲等功能要求，此一系列的功能指標都非常高且不易達成，尤其當網路所欲服務之範圍與環境現況下，其所面臨的難度與挑戰將更大，同時所面臨的建置經費與維運成本更是一大難題。

綜觀上述所提之難題，如何在合宜之建置成本考量下來逐步構建5G無線通訊網路將是最主要的發展課題。當網路功能指標制定後，所需面臨的問題即是如何構建網路來提供服務，其中最困難的將是網路的覆蓋度與服務品質，尤其是地理環境的複雜度與用戶使用多元性，使得網路建置更為複雜。由於科技的持續進步與商業模式的不斷創新，今日5G時代的來臨，帶動頻譜的高效使用，但也受限於新導入之高頻頻譜，不僅物理特性相對較差，其傳輸距離較短且穿透性較弱，其產品研發難度更高，且生產難度與成本也相對較高。為了遷就頻譜物理特性的限制與滿足已制定之服務指標，大量的小基站建置將無可避免，為了滿足客戶使用情境與環境考量，如何有效地建置小基站將是一大考驗。

由於小基站的建置需求龐大，且考慮因素既多且複雜，如何讓小基站的規畫設計更有彈性，同時評估如何與現有之通訊接取網路融合將有利於提高網路建置效益與成本優化。配合5G小基站的主要功能考量，一般可區分為八大部分，可參考圖2說明。

為因應現場建置現況與產品規畫之彈性考量，此八大功能可依需求整合為Centralized Unit(CU)、Distributed Unit(DU)和Remote Unit(RU)等三種設備來完成，而相對應之介面可分為Option 1至Option 8，依實際應用之考量，尤以Option 2、6、7和8等四種介面較為廣泛採用。

於4G時代的小基站主要分為Baseband Unit(BBU)和Remote Radio Head(RRH)兩部分來完成，而其間之介面藉由光訊號來直接連接，主要為Common Public Radio Interface(CPRI)介面，亦等同於5G網路之Option 8介面，此介面為原始之無線訊號轉換，功能簡單但傳輸效益較差，同時需要較多之光纖鏈路。

針對Option 2、6、7和8等介面和其運作情形可簡述如圖3所示。

·Backhaul：

主要為後傳介面，負責5GC與CU的網路連接，也簡稱為NG介面。

·Midhaul：

主要為中傳介面，負責CU與DU的網路連接，也簡稱為F1介面。

·Fronthaul：

主要為前傳介面，負責DU與RU的網路連接，可分為Fx介面來包含Option 6和7與傳統之Option 8兩種類型。

從圖4可清楚了解CU/DU/RU之應用架構與其相關主要功能，也了解相關介面間所需之傳輸需求規範，其中最明顯的是，如採用CPRI介面來傳輸資訊，其所需頻寬將高達1Tbps，所需之傳輸設備將為CWDM/DWDM等級之設備完成前傳功能需求。為解決此一大量頻寬耗用情形，enhanced CPRI(eCPRI)介面的誕生，也帶來了高度期待，其主要功能既是優化CPRI之頻寬需求使用，其優化效率可高達十倍，同時可更易使用現有之光通訊介面，進而降低設備成本。

伴隨5G時代的來臨，電信營運商除面臨競業間之高度競爭與高額資金取得競標頻譜，同時面臨營業收入成長的困境下，仍需挹注大量資金與人力的投入來建置5G無線通訊網路等考量因素。營運商為保持競爭優勢和兼顧服務品質考量，如何降低網路建置投資金額將為其努力之方向，為此營運商成立O-RAN聯盟，大力倡導開放式平台，希望將軟硬體分離，期許小基站設備能夠進行拆解而避開品牌大廠之封閉式端到端網路架構，因此為達成此一目標，合理且高效的網路架構及標準化的網路介面便為必要條件。針對此開放式架構，F1與Fx介面為主要選項，F1介面應用於Midhaul架構來連接CU與DU，其較為成熟，已可導入運作；而Fx介面則較為複雜，因工作條件考量因素較多，現階段之規格制定尚未完備，因此仍需時間來優化，方可普及採用。目前IEEE 1914已擬定Option 7.2和7.3規範，其中Option 7.2主要用在專網應用，Option 7.3則為公網應用為主。

IAB發展趨勢

為優化小基站的建置架構，開放式O-RAN架構是營運商的首選，但基於5G所採用的頻譜，其物理特性之限制與預期提供服務之標準，因此需要較多的基地台來滿足服務覆蓋率，且同時須具備許多的光纖投落點來提供xHaul介面之傳輸連接。由於地理環境的複雜性與實際網路規畫的理想性有相當程度的落差，同時光纖投落點的配合度亦是一大考驗。為改善此一困境，Integrated Access Backhaul(IAB)可為另一種解決方案。

參考圖5之IAB應用架構，可分為IAB-donor和IAB-node兩種模式，而設備間之通訊可採用既有之5G頻譜來傳輸，同時利用IAB-node之特性可延伸至其他IAB-node，此線性式架構可便於網路規畫設計與通訊服務品質改善，同時其設備成本較低且易於建置。

IAB的無線通訊資源配置原理可採用TDM、FDM、SDM和Full Duplex等四種方式來規畫，其主要功能為有效運用無線通訊頻寬在IAB-donor/IAB-node與IAB-node/IAB-node間之雙向通訊及避免訊號干擾(圖6)。

如何有效設計IAB設備並導入至5G之小基站建置，將可有效降低投資成本，亦可加速建置速度，同時可避開光纖投落點之相依性與地理環境限制性。

演化/融合既有寬頻接取網路

現今有線寬頻網路之服務覆蓋率為Passive Optical Network(PON)和Cable Modem Termination System(CMTS)為主，若有效利用此兩種已廣泛建置之寬頻網路來提供5G xHaul傳輸路由，除可加速網路建置，亦可大幅節降建置成本。

由於此兩種網路之服務對象與傳輸品質要求與5G NR所需之標準有相當的差異，因此如何優化既有網路來滿足5G NR之需求將是一大挑戰。 參閱圖7的CMTS網路架構，可利用Cooperative Transport Interface(CTI)和Low Latency xHaul(LLX)來改善傳輸需求，並以Scheduling(SCH)模式來優化Bandwidth Report(BWR)需求，使CU/DU/RU在不同應用架構下可與CMTS網路協同運作。

隨著寬頻服務需求的普及，FTTx之網路建置業已大量普及，充分利用光纖的傳輸特性來不斷演化，詳圖8所示，可一覽過去二十年PON網路之持續演進及傳輸速率的不斷增加，同時充分利用各式波長於單一光纖內來共存與遞送頻寬服務。其中XGS-PON可提供現有之Backhaul與Midhaul之傳輸服務，而新一代的25G與50G介面，將可因應eCPRI的Fronthaul傳輸需求。

藉用PON網路的普及建置與傳輸特性，將可有效的與5G NR網路融合建置，參閱圖9可清楚了解如何應用各種架構來服務所欲服務之網路需求。如NG-PON2可直接提供10G光介面給Option 8之CPRI電路應用，而針對High Latency(HLS)和Low Latency(LLS)之傳輸需求則分別服務於Midhaul(F1 i/f)和Fronthaul(Fx i/f)之網路架構。

如欲配合既有傳輸網路之要求，5G NR之接取介面亦可經由不同之標準來與各式設備介接。詳圖10之說明，Option 8為CPRI介面，可直接與WDM設備或Dark Fiber來連接至DU，同時亦可經由RoE設備來將CPRI介面轉換為Option 7之eCPRI介面，進而連接至Time Sensitive Network(TSN)之DU設備。Option 2之F1介面與S1及NG介面可直接與典型之Carrier Ethernet設備對接，亦可和TSN Ethernet設備銜接。 於5G NR網路布建，CU/DU/RU可因網路環境與服務規範等因素來可考慮網路架構規畫，當服務於電信營運商之公眾網路時，eMBB與URLLC將為網路服務規畫之主要考量因素，如以服務企業私有專網時，一般會以mMTC和URLLC為主要規畫考量因素。為配合網路規畫考量，5G NR小基站的彈性布建架構將至關重要，同時也會考慮採用何種架構來處理所銜接之介面，如HLS/LLS與Option 2/7/8的考量與選用，將會決定網路之服務品質與未來擴容彈性。

擁抱開放架構時代

為迎接5G無線行動網路的世代，全球各大營運商皆在尋求網路開放式架構，重新組建網路設備生態，希望建構軟硬體分離之端到端系統架構，這也意謂著產業鏈將隨著市場需求而轉變，也將帶動白牌設備的需求興起。

回顧SD WAN的成功經驗，也激起營運商成立O-RAN聯盟，進而主導5G NR CU/DU/RU之開放組建，希望藉由開放式之小基站架構來達成系統軟硬分離模式，同時創造系統互聯互通之開放網路設備架構，除可避免系統設備商所提供之端到端封閉式網路架構，更可強化網路建置之自主性、節降網路設備投資金額、新功能之開發與導入時程、優化未來網路維運之彈性與效能等優點。

除了導入O-RAN之開放式架構，其所對應之xHaul介面和服務範疇亦至關重要，方可確保網路之正常運作。另外，如何有效的將小基站延展及與既有之寬頻接取網路銜接融合，亦將是營運商網路布建之一大考驗。IAB的設計架構將可有效彌補小基站的建置穿透力與局部服務覆蓋功能，因應xHaul的介接配合，如何優化既有之CMTS網路來提供傳輸服務，亦可強化PON網路功能與光介面特性，以利和對應之CU/DU/RU來銜接。經由上述多方之努力，於網路效能不變下，當小基站在大量布建下，所需之建置時間與成本，將可有效節降。

(本文作者為明泰科技市場行銷室協理)