5G前傳技術方案可行性分析和應用策略研究

  針對業(yè)界聚焦的 5G 前傳光纖直驅 Duplex、BiDi 方案和低成本 CWDM、 LWDM、MWDM、DWDM方案，首先對不同類別區(qū)域的光纜管道建設需求和規(guī)模應用時的綜合成本建立了數(shù)學計算模型，采用定量的方法對其進行了全面預測。然后從工程建設可行性和網(wǎng)絡建設成本兩方面對5G前傳各技術方案規(guī)模應用的可行性進行了論證分析。最后給出了5G前傳網(wǎng)絡演進和各技術方案的應用策略建議，供電信運營商評估和制定網(wǎng)絡建設技術方案時參考。

  引 言

  5G RAN 組網(wǎng)分為 DRAN 和 CRAN，CRAN 較 DRAN更節(jié)省TCO，且CRAN為三大電信運營商5G前傳的主要建設模式，但CRAN也增加了對末端光纖資源的消耗和對末端網(wǎng)絡資源的管控難度。如何選擇5G前傳技術方案，以光纖直驅為主還是以設備系統(tǒng)承載為主，仍是擺在電信運營商面前的一道難題。

  本文主要從工程建設可行性和網(wǎng)絡建設造價角度建立數(shù)學分析模型，通過定量分析，論證5G前傳技術方案的應用策略。

  01 5G 前傳技術方案簡介

  按照技術類型，業(yè)界共提出了光纖直驅、低成本 WDM和電層匯聚三大類5G前傳解決方案，如圖1所示。

圖1 5G前傳技術方案

  其中光纖直驅方案在AAU與DU端口之間直接使用光纖連接，根據(jù)采用的光模塊類型分為雙纖雙向(Duplex)和單纖雙向(BiDi) 2種技術;低成本WDM方案在AAU與DU之間采用WDM技術將多條5G前傳信號合并在1根光纖中傳輸，從而節(jié)省光纖資源，根據(jù)技術制式的不同分為粗波分復用(CWDM)、細波分復用(LWDM)、中等波分復用(MWDM)、密集波分復用(DWDM)和5G前傳N×25GWDM-PON等5種技術方案;電層匯聚方案在AAU與DU之間采用電層匯聚技術將多條5G前傳信號匯聚在1條更高速的鏈路中傳輸，從而節(jié)省光纖資源，根據(jù)匯聚電層處理方式的不同分為簡易OTN和低時延分組2種技術方案。

  簡易OTN和低時延分組方案需要對信號進行電層轉換處理，降低時延難度較大，時間同步信號的傳輸也需要進行特定處理，同時DU側和AAU側設備均要求有源，這對AAU側設備的安裝條件要求較高;而 WDM-PON方案中有較多技術細節(jié)尚待研究，實現(xiàn)成本較高。因此，目前簡易OTN方案、低時延分組方案和WDM-PON方案業(yè)界參與度均比較低。本文主要分析目前業(yè)界聚焦的光纖直驅方案和低成本WDM中的CWDM、LWDM、MWDM和DWDM方案。

  02 工程建設可行性分析

  業(yè)務開通時臨時建設通信管道的難度很大，不具備可行性，為保證業(yè)務能夠及時接入，通信管道需要隨道路提前建設。本地光纜網(wǎng)按照層級劃分為核心光纜、匯聚光纜、接入主干光纜和末端接入光纜，5G前傳主要占用接入主干光纜和末端接入光纜，其路由幾乎覆蓋了所有城市道路。由于業(yè)務發(fā)展和技術演進的不確定性，電信運營商初期在各條道路上均建設多孔管道的投資壓力非常大，若這些道路上1孔管道能夠滿足目標需求，對電信運營商來說則是較為理想的方案。

  接入主干光纜和末端接入光纜主要承載基站、寬帶和大客戶專線等3類業(yè)務。根據(jù)近年來電信運營商網(wǎng)絡建設情況，本文按以下原則對接入主干光纜和末端接入光纜的纖芯需求進行分析。

  a) 3G基站主要采用DRAN方式接入，占用的接入主干光纜和末端接入光纜均按2芯/站估算。

  b) 4G基站主要采用CRAN方式和雙纖雙向光纖直驅方案接入。對接入主干光纜和末端接入光纜的占用，級聯(lián)按2芯/站、不級聯(lián)按6芯/站估算。

  c) 5G基站按頻譜寬度為200M考慮。

  2.1 末端接入光纜目標需求分析

  末端接入光纜纖芯需求與站點接入業(yè)務量的大小成正比。對于3G/4G/5G共址基站，各5G前傳技術方案下，單站基站業(yè)務對末端接入光纜纖芯需求目標見表1。

表1 單站基站業(yè)務末端接入光纜纖芯占用

  2.2 接入主干光纜目標需求分析

  接入主干光纜纖芯需求與其覆蓋區(qū)域的業(yè)務量大小成正比，對其覆蓋區(qū)域業(yè)務量大小的評估，需考慮區(qū)域內(nèi)業(yè)務密度和區(qū)域面積大小等2個因素。

  2.2.1 業(yè)務密度分析

  根據(jù)各類業(yè)務特點建立的業(yè)務密度模型如表2所示，其中各類業(yè)務模型建立原則如下。

表2 業(yè)務密度模型

  a)基站密度參考各制式基站全覆蓋所需的站間距測算，其中5G基站按初期同4G、中后期為4G的1.5倍考慮。

  b)寬帶用戶密度參照城市建成區(qū)人口密度劃分，中心城區(qū)按2萬人/km2、7000戶/km2，普通城區(qū)按1萬人/km2、3500戶/km2，并按25%的市場占有率估算。

  c)大客戶密度參考建成區(qū)樓宇密度和相關市場公開數(shù)據(jù)估算。

  2.2.2 區(qū)域面積分析

  接入主干光纜主要采用環(huán)型結構和144芯建設，一般環(huán)長為4~10km，以末端接入距離不超過1km為原則，不同環(huán)長接入主干光纜覆蓋面積如表3所示。

表3 接入主干光纜覆蓋面積

  2.2.3 接入主干光纜分析

  寬帶用戶按分光比1∶32、大客戶按2芯/條，以接入主干光纜的環(huán)長為變量，計算出不同環(huán)長接入主干光纜滿足區(qū)域內(nèi)業(yè)務接入時所需144芯光纜的條數(shù)，如表4和表5所示。

表4 5G初期不同環(huán)長接入主干光纜需求

單位：條

表5 5G中后期不同環(huán)長接入主干光纜需求

單位：條

  2.3 工程建設可行性評估

  根據(jù)5G前傳各技術方案對接入主干光纜和末端接入光纜目標需求的分析，可得出各方案工程建設可行性情況如下。

  a)雙纖雙向光纖直驅方案所需纖芯資源和管孔資源巨大，不具備建設可行性。

  b)單纖雙向光纖直驅方案僅對于管孔資源豐富(至少2孔)的區(qū)域具備建設可行性，對多數(shù)區(qū)域不具備工程建設可行性。

  c)CWDM/LWDM/MWDM/DWDM方案所需纖芯資源相差不多，在光纜建設方案合理的情況下絕大多數(shù)區(qū)域1孔管道資源可以滿足區(qū)域5G等業(yè)務的接入，工程建設可行性最強。

  03 經(jīng)濟性分析

  3.1 分析對象

  為能夠相對真實客觀地對各方案造價進行比較，以前傳需求通道數(shù)為6個25G單個200M頻譜寬度的 5G基站為分析對象，從資源占用角度，將各方案承載該基站所需使用的設備、光纜、管道綜合建設成本作為比較對象，其中設備僅估算各組成部件的技術成本，不考慮產(chǎn)業(yè)鏈成熟度因素。造價評估界面為圖2 中虛線框內(nèi)所涉及的設備、光纜和管道。

圖2 造價評估界面

  3.2 設備造價分析

  3.2.1 光模塊造價分析

  5G前傳各技術方案25G光模塊關鍵功能器件區(qū)別如表6所示。結合市場調(diào)研情況，各種光模塊相對成本對比如圖3所示，參考已規(guī)模商用的10km25G Duplex和BiDi光模塊的市場平均價格，計算出各種光模塊單位造價模型(見表6)。

圖3 各種25G光模塊相對成本

表6 5G前傳25G光模塊關鍵功能器件組成

  3.2.2 合分波器造價分析

  5G前傳各技術方案合分波器關鍵功能器件區(qū)別如表7所示。結合市場調(diào)研情況，各種合分波器相對成本對比如圖4所示，參考已規(guī)模商用的6波無源 CWDM合分波器的市場平均價格，得出的各種合分波器單位造價模型見表7。

圖4 各種合分波器相對成本

表7 5G前傳合分波器關鍵功能器件組成

  .2.3 波長轉換板卡造價分析

  DWDM設備波長轉換板卡參考其實現(xiàn)功能，按 300元/路估算。

  3.2.4 設備綜合造價分析

  根據(jù)各技術方案特點，各方案單站設備組成見表8，計算出各方案單站設備造價如表9所示。

表8 各系統(tǒng)設備組成

表9 單站設備造價

  3.3 光纜管道造價分析

  3.3.1 光纜單位造價分析

  5G前傳主要占用接入主干光纜和末端接入光纜。根據(jù)近年來網(wǎng)絡建設情況，接入主干光纜以144芯為主，單位造價約230元/芯公里(利舊管道);末端接入光纜以24芯為主，單位造價約380元/芯公里(利舊管道)。

  3.3.2 管道單位造價分析

  通信管道各地造價差異較大，當采用共建共享方式建設時造價相對較低。按共建共享方式建設時單位造價5萬元/孔公里考慮，每孔管道按穿放4條光纜， 可計算出接入主干光纜占用管道資源的單位造價為 87元/芯公里，末端接入光纜占用管道資源的單位造價為521元/芯公里。

  3.3.3 5G前傳各方案纖芯占用

  根據(jù)5G前傳各技術方案系統(tǒng)特點，單個5G基站占用的光纜纖芯如表10所示。12通道DWDM系統(tǒng)容量可以滿足2個共建共享基站接入，為準確反映造價情況，表10中按占用接入主干光纜0.5芯、末端接入光纜1芯進行造價計算。

表10 光纜纖芯占用分析

  3.4 單站綜合造價比較

  假設末端接入光纜長度為變量x，接入主干光纜平均占用長度為4km。各方案單站綜合造價曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 各方案單站綜合造價(不含管道)

圖6 各方案單站綜合造價(含管道)

  從圖5和圖6可以得出以下4條結論。

  a) 光纖直驅方案中雙纖雙向單站造價遠大于單纖雙向。

  b) 在考慮管道投資的情況下，當半有源DWDM 方案在末端接入光纜距離大于0.8km時，單站造價小于單纖雙向光纖直驅方案。

  c) 各種低成本WDM方案單站造價均小于單纖雙向光纖直驅方案，末端接入光纜距離越長優(yōu)勢越明顯。

  d) LWDM和MWDM方案從技術實現(xiàn)上成本相當，具體哪種方案更有優(yōu)勢主要體現(xiàn)在后期2種方案的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上。

  04 應用策略分析

  根據(jù)工程建設可行性和經(jīng)濟性分析， 5G前傳各方案應用策略建議如下。

  a) 技術上DWDM是最理想的方案，其中半有源 DWDM更適用于5G前傳場景，但如何進一步降低成本仍是其規(guī)模應用的關鍵。

  b) 單站設備成本控制在萬元以內(nèi)，低成本WDM 方案相對光纖直驅方案更能體現(xiàn)出價格優(yōu)勢。

  c) 半有源LWDM和半有源MWDM的OAM能力和綜合成本適中，是目前相對理想的方案。

  d) 光纖直驅方案嚴重占用管線資源，綜合成本高，工程建設周期長、難度大，僅適用于現(xiàn)網(wǎng)纖芯資源非常豐富、能夠滿足業(yè)務目標需求的區(qū)域。因此建議盡快推動半有源LWDM/MWDM產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和規(guī)模應用。

  e) 半有源LWDM/MWDM成熟之前，若現(xiàn)網(wǎng)末端接入光纜不小于24芯且纖芯資源不滿足5G接入需求，建議優(yōu)先采用無源CWDM方案;否則建議優(yōu)先采用單纖雙向光纖直驅方案。

  f) 5G前傳技術方案過多，不利于產(chǎn)業(yè)鏈的快速成熟，同時LWDM和MWDM仍存在接入主干光纜纖芯占用過多的問題，建議統(tǒng)一標準，利用O波段低色散優(yōu)勢，共同推進O波段DWDM產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。這樣一方面可有效降低目前C波段DWDM成本，另一方面可降低接入主干光纜的建設壓力，從而進一步降低5G前傳綜合造價。

  05 結束語

  本文根據(jù)各方案功能組成建立模型，對規(guī)模應用后的成本進行估算，從而評估各方案應用的經(jīng)濟可行性。但實際市場價格因受產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、應用規(guī)模等多種因素的影響，會有較大差別。此外，各地實際現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境千差萬別，各地應根據(jù)本地區(qū)市場目標和網(wǎng)絡現(xiàn)狀，參考本文分析方法，綜合考慮本地區(qū)的5G前傳建設策略。

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  作者：王義濤、錢永良、段宏