4G時代,受傳輸光纜資源限制和早期建站模式的影響,C-RAN在中國聯(lián)通的基站建設(shè)中未能大規(guī)模應(yīng)用;5G時代,目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)將采用C-RAN大集中或者小集中建站方式,但C-RAN模式下前傳接入的瓶頸主要是纖芯資源不足,主干光纜也同樣面臨著短缺問題。
未來5G建站、家寬和政企業(yè)務(wù)的發(fā)展,需要大量的光纖基礎(chǔ)資源,使管道資源日益緊缺。新建光纜在投資成本、協(xié)調(diào)、工期等方面的困難,將大大影響網(wǎng)絡(luò)建設(shè)效率,所以采用低成本、高效、靈活的5G前傳接入方案迫在眉睫。
5G對前傳的需求
2.1 5G承載架構(gòu)需求
根據(jù)IMT-2020 5G 承載需求白皮書,5G建設(shè)初期采用DU/CU合設(shè)的2級架構(gòu),解決前傳和回傳問題,未來可能采用CU、DU分離的3級架構(gòu)方案。5G承載架構(gòu)如圖1所示。
圖1 5G承載架構(gòu)
4G RAN組網(wǎng)采用DRAN和CRAN 2種方案。為了解決機(jī)房空間、動力配套、租金增加等問題,同時考慮未來DU池組化以及在成本和網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn),5G RAN組網(wǎng)主要采用CRAN模式,實現(xiàn)DU大集中或者小集中。
2.2 廣東聯(lián)通5G前傳接入遇到的難題
2.2.1 廣東聯(lián)通5G前傳接入方案
廣東聯(lián)通5G基站將根據(jù)傳輸錨點(diǎn)規(guī)劃進(jìn)行前傳接入,前傳DU-AAU互聯(lián)接入主要受前傳接入建設(shè)進(jìn)度、光纜纖芯資源情況、機(jī)房配套情況等因素影響。根據(jù)各種場景,廣東聯(lián)通提出“傳輸錨點(diǎn)+CRAN”、“傳輸錨點(diǎn)+R-CAN”、“傳輸錨點(diǎn)+DRAN”3種靈活的接入方式(圖2)。
圖2 廣東聯(lián)3種接入方式
2.2.2 廣東聯(lián)通5G前傳接入遇到的困難
a)5G承載網(wǎng)組網(wǎng)光纜需求大,接入光纜嚴(yán)重不足。
在3G、4G建設(shè)中,由于IPRAN承載網(wǎng)性能不足,同時采用大規(guī)模DRAN,造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模偏大及架構(gòu)不合理,以及考慮未來新的智能城域網(wǎng)接入層設(shè)備帶寬及端口能力大大提升,要求每個環(huán)路錨點(diǎn)數(shù)量控制在4~6個,其中價值區(qū)域每個環(huán)路錨點(diǎn)數(shù)量控制在4~5個;一般區(qū)域每個環(huán)路錨點(diǎn)數(shù)量控制在5~6個。
重新部署的接入層網(wǎng)絡(luò)需要大量環(huán)形保護(hù)的纖芯資源,且保證紅線外雙物理路由的非同溝同纜光纜資源,但由于現(xiàn)網(wǎng)光纜有50%以上末端接入光纜建設(shè)年份在5年以上,尤其是核心城區(qū)有20~30%的光纜是在2G/3G時期(至少7年以上)建成的12芯/24芯的小芯數(shù)光纜,經(jīng)過長時間質(zhì)量劣化和割接,部分接入光纜資源已耗盡。
b)5G前傳接入光纖需求較4G翻倍。
為降低無線站點(diǎn)安裝難度、減少鐵塔等租賃費(fèi),廣東聯(lián)通提出了“傳輸錨點(diǎn)+CRAN”的接入方式,DU集中放置,與傳輸設(shè)備在同一機(jī)房,AAU與DU不同機(jī)房部署。該方式雖然在建設(shè)成本、維護(hù)成本和網(wǎng)絡(luò)云化上較DRAN 有一定優(yōu)勢,但增加了前傳接入光纖資源消耗。
前期4G宏站,BBU-RRU通過RRU串聯(lián)方式前傳只需2芯就可互聯(lián)接入;但對于5G宏站,100 MHz頻譜站點(diǎn)DU-AAU需要3個25G eCPRI互聯(lián)接口,纖芯需求6芯;在未來共建共享模式下,200 MHz頻譜站點(diǎn)需要6個25G eCPRI互聯(lián)接口,纖芯需求為12芯,末端前傳接入纖芯資源已經(jīng)面臨巨大挑戰(zhàn)。例如每個錨點(diǎn)設(shè)備接入不超過8~10個基站,按光纖直驅(qū)接入方式,纖芯總需求為48芯~60芯。
5G前傳解決方案
5G前傳接入的解決方案有光纖直驅(qū)、單纖雙向光模塊、無源波分以及有源/半無源波分等。
3.1 光纖直驅(qū)方案
光纖直驅(qū)是無線接入的傳統(tǒng)解決方案。在共4G的站點(diǎn)原有光纜的纖芯資源充足或者可新建光纜情況下,5G前傳可采用光纖直驅(qū)方案。
3.2 單纖雙向光模塊方案
現(xiàn)有4G基站BBU-RRU互聯(lián)端口采用10GE雙纖雙向光模塊,但在5G前傳纖芯不足的情況下,DU-AAU互聯(lián)端口可采用25GE單纖雙向光模塊,纖芯需求從6芯降為3芯,同時可保障高精度同步傳輸。
單纖雙向光模塊技術(shù)成熟,可通過DU/AAU主設(shè)備配置單纖雙向光模塊快速解決纖芯資源不足區(qū)域業(yè)務(wù)接入問題。
3.3 無源波分方案
無源波分方案是基于CWDM粗波分技術(shù),主要由合分波器、彩光模塊及其他安裝輔材組成。SFP彩光模塊(前6波波長為1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm)業(yè)務(wù)承載的速率可以達(dá)到25 Gbit/s以上,可支持6波、12波、18波單纖模塊的合波和解波以及多種業(yè)務(wù)的混合傳輸,滿足不同速率、不同業(yè)務(wù)類型的混合傳輸,解決移動基站前傳、家庭寬帶、智能城域網(wǎng)和政企客戶接入等工程中局部光纖資源不足的問題。
3.4 有源/半無源波分方案
有源波分方案主要是基于DWDM技術(shù)下,分為有源和無源2種解決方案,主要由有源局端設(shè)備、局端模塊(普通模塊)、有源或無源的遠(yuǎn)端設(shè)備、遠(yuǎn)端光模塊(普通模塊/彩光模塊)和合分波器組成。目前業(yè)務(wù)承載的速率可以達(dá)到10 Gbit/s,而25 Gbit/s在試驗階段,支持可支持6波、12波、40波等不同波數(shù)的合波和解波。
在局端的DU側(cè),采用有源的WDM或者OTN接入型設(shè)備;在遠(yuǎn)端的AAU側(cè),有源方案需增加單獨(dú)的有源設(shè)備,半有源方案則無需新增設(shè)備,直接用彩光模塊接入AAU設(shè)備。
有源設(shè)備上的光模塊采用波長可調(diào)諧DWDM 光模塊,波長自適應(yīng),與DU/AAU端口無關(guān),在設(shè)備上插入普通灰光模塊后可正常工作,無需波長規(guī)劃。
前傳方案對比分析
5G各種前傳方案從技術(shù)、建設(shè)周期以及成本效益方面對比如下。
4.1 技術(shù)方案對比
從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、組網(wǎng)、保護(hù)方案、兼容性、電源引入及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營OAM上對比各種前傳方案(見表1)。
表1 技術(shù)方案對比
4.2 建設(shè)周期對比
以5G共4G站址,上聯(lián)站點(diǎn)約1 km,原有光纜只剩余3芯,已無空余纖芯承載新增5G業(yè)務(wù),需新建48芯光纜、采用單纖雙向光模塊、新增無源或有源波分設(shè)備進(jìn)行纖芯擴(kuò)展。
4.2.1新建光纜
在不考慮市政報建或者協(xié)調(diào)問題,新敷設(shè)1 km光纜通過光纖直驅(qū)方式解決前傳接入,建設(shè)周期為5天左右,如需新增桿路或者管道,建設(shè)周期需要增加不少于10天(見表2)。
表2 新建光纜建設(shè)周期
4.2.2 無源波分或者單纖雙向光模塊
利舊原有纖芯,可上站安裝無源波分或者單纖雙向光模塊,無源波分只需1芯,單纖雙向光模塊需要3芯, 2~3天可完成割接開通(見表3)。
表3 無源波分建設(shè)周期
4.2.3 有源或半無源波分方案
利舊原有纖芯,上站安裝有源/半無源波分設(shè)備,需要協(xié)調(diào)設(shè)備安裝加電以及調(diào)試開通工作,完成割接開通需要5-7天(表4)。
表4 有源/半無源波分設(shè)備建設(shè)周期
4.3 成本效益對比
從CAPEX、OPEX成本上分析,在5G前傳末端接入的建設(shè)投資有限的情況,無源波分方案的TCO較優(yōu)(見表5)。
如采用新建光纜、有源/半無源波分等前傳方案,每個5G站點(diǎn)投資均在2~3萬以上,無源波分的投資則可控制在幾千元內(nèi)。
表5 成本效益分析
綜上,在5G前傳的纖芯不足的場景下,從技術(shù)、建設(shè)周期以及成本效益分析,無源波分具有低成本、快速開通的特點(diǎn)。
無源波分方案的特點(diǎn)
從承載業(yè)務(wù)、兼容性、安裝配置等方面分析,無源波分方案具有低成本、高質(zhì)量、高靈活性的特點(diǎn),可節(jié)省光纜建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期。
a)利用現(xiàn)有光纜的光纖資源,不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和布局,同纜纖芯合并,可達(dá)到最大18倍纖芯擴(kuò)展。
b)彩光模塊在無線、數(shù)據(jù)、傳輸、接入設(shè)備上兼容,適應(yīng)100M~25G各種業(yè)務(wù)端口,配置靈活,支持?jǐn)?shù)字診斷功能,使用時可保證模塊的發(fā)光功率、過載點(diǎn)、接收靈敏度、溫度等參數(shù)在原網(wǎng)管上正常顯示。
c)無需供電,設(shè)備安裝條件靈活,可支持標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)架固定、掛墻抱桿、放置在光交箱等等,建設(shè)周期短,便于維護(hù)。
d)無源波分設(shè)備體積小、即插即用、免配置、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),溫度范圍為-40℃-+85℃。
圖3所示的是無源波分(1:6)方案。圖4所示的是無源波分(1:12)方案。
圖3 無源波分(1:6)方案
圖4 無源波分(1:12)方案
無源波分優(yōu)化方案及應(yīng)用場景建議
在基站的接入光纜只剩下1芯,無法滿足6芯的前傳DU-AAU互聯(lián)纖芯需求情況下,在DU側(cè)和AAU側(cè)機(jī)房,各部署1臺1:6的合分波設(shè)備(見圖5),以滿足5G DU-AAU的3x25GeCPRI接口需求。
DU設(shè)備3個光口分別使用不同波長的彩光模塊(前6波波長1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm),與合分波設(shè)備連接,合波到1芯后,拉遠(yuǎn)到遠(yuǎn)端AAU側(cè)的合分波設(shè)備分波恢復(fù)為6波,再通過不同波長的彩光模塊一一對應(yīng)連接到3個AAU設(shè)備的光口上。
在基站的接入光纜只剩下1~2芯,無法滿足12芯的4G和5G前傳DU-AAU互聯(lián)纖芯需求情況下,在BBU和RRU側(cè)機(jī)房,各部署1臺1:12的合分波設(shè)備(見圖6)。
由于CWDM技術(shù)的后6波承載25 Gbit/s速率業(yè)務(wù),需要彩光光模塊芯片增加溫控手段控制溫度,保證光模塊的中心波長范圍在±6.5 nm以內(nèi),光模塊成本將為前6波的3~4倍。考慮到成本因素,前6波可用于傳輸5G DU-AAU的3x25GeCPRI接口,后6波用于傳輸4G BBU-RRU的3x10G CPRI接口。
考慮到無源波分1:12彩光模塊波長規(guī)格較多,可用2套1:6無源波分設(shè)備代替,但需增加1芯傳輸。
圖6 4G/5G 混合傳輸前傳方案
6.3 特殊場景的無源波分方案
在地鐵、高鐵、高速、隧道等鏈型網(wǎng)絡(luò)場景下,每個洞室/站點(diǎn)只部署1個RRU(2芯需求)。
以解決3個洞室為例,在BBU側(cè)基站放置1個1:6無源合分波設(shè)備,在每個洞室/站點(diǎn)的RRU側(cè)各放置1個1:6合分波設(shè)備。DU側(cè)3個光口通過合波器合波為1芯拉遠(yuǎn)到第一個洞室的分波設(shè)備,將前2波λ1、λ2分波出來連接到RRU 1,第二個洞室的合分波器通過1芯與第一個洞室的合分波器端口互聯(lián),實現(xiàn)剩余λ3-λ4波繼續(xù)向后傳輸,完成RRU2、RRU3的光口連接,有效節(jié)省隧道纖芯資源(圖7)。
圖7 特殊場景前傳方案
6.4 深圳聯(lián)通4G/5G混合傳輸試點(diǎn)
本次5G/4G混合傳輸測試DU設(shè)備位于深圳沙井錦繡和二機(jī)房,AAU設(shè)備位于寶安區(qū)沙井和一新村B區(qū)13棟樓頂,無線主設(shè)備廠家為中興。無源波分設(shè)備(1:12)設(shè)備配置(見表6)。
表6 無源波分(1:12)設(shè)備配置
測試結(jié)果:無源波分設(shè)備割接后,彩光模塊平均發(fā)送光功率、接收靈敏度在指標(biāo)范圍內(nèi),工作正常,經(jīng)中興無線網(wǎng)管確認(rèn),業(yè)務(wù)情況開通正常,設(shè)備指標(biāo)正常,與中興無線設(shè)備完全兼容,5G&4G混傳滿足承載要求。
結(jié)束語
根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期,堅持綜合TCO成本最優(yōu)是趨勢,實現(xiàn)低成本建網(wǎng)是基礎(chǔ),多種創(chuàng)新解決方案提高網(wǎng)絡(luò)競爭力。光纖直驅(qū)、無源波分、有源波分、半無源波分等各種前傳接入方案各有優(yōu)缺,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有實際光纜纖芯資源情況和未來5G業(yè)務(wù)發(fā)展需求、網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃、投資成本等多方面因此綜合考慮。
通過對各種前傳方案的分析及研究,并在廣深5G實驗網(wǎng)上的測試,無源波分在纖芯不足的區(qū)域,新建光纜建設(shè)難度較大或建設(shè)成本較高時采用無源波分方式解決,可大量節(jié)省建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期、減少機(jī)房動力改造投資、降低運(yùn)營成本等有著明顯的效果,主要評估如下:
a)TCO效果明顯。前傳采用無源波分方案,單站新建末端接入光纜造價從2.5萬降低到0.8萬元左右,降低72%。2020年預(yù)計5G站點(diǎn)新建規(guī)模約11799個,按照2019年建設(shè)情況,約24.6%站點(diǎn)因纖芯不足需新建光纜,采用無源波分,節(jié)省建設(shè)投資4934萬以上。
b)靈活兼容,實現(xiàn)多業(yè)務(wù)承載。無源波分的彩光模塊可兼容無線、數(shù)據(jù)、傳輸、接入設(shè)備,支持100M~25G各種業(yè)務(wù)端口,配置靈活,滿足4G/5G、數(shù)字化室分、政企樓宇接入和傳輸?shù)榷鄻I(yè)務(wù)承載需求。
c)加快5G建設(shè)進(jìn)度。無源波分設(shè)備安裝簡單,利用現(xiàn)有光纜的少量光纖資源,達(dá)到最大18倍纖芯擴(kuò)展,降低建站難度,大大縮短了建設(shè)周期。
本文通過對5G前傳方案的創(chuàng)新方案分析及研究,在大規(guī)模5G建網(wǎng)成本、能耗的壓力下,該方案能大幅降低運(yùn)營商的投資成本和運(yùn)營成本;同時該方案具很好的借鑒及推廣價值,社會效益明顯。
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作者簡介:
郭文玨: 廣東工業(yè)大學(xué) 學(xué)士 現(xiàn)工作于中國聯(lián)通廣東省分公司網(wǎng)絡(luò)發(fā)展部