無(wú)源波分高效解決5G前傳接入的難題

  4G時(shí)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)通的基站建設中未能大規模應用;5G時(shí)代，目標網(wǎng)架構將采用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(zhù)短缺問(wèn)題。

  未來(lái)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資源，使管道資源日益緊缺。新建光纜在投資成本、協(xié)調、工期等方面的困難，將大大影響網(wǎng)絡(luò )建設效率，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承載架構需求

  根據IMT-2020 5G 承載需求白皮書(shū)，5G建設初期采用DU/CU合設的2級架構，解決前傳和回傳問(wèn)題，未來(lái)可能采用CU、DU分離的3級架構方案。5G承載架構如圖1所示。

圖1 5G承載架構

  4G RAN組網(wǎng)采用DRAN和CRAN 2種方案。為了解決機房空間、動(dòng)力配套、租金增加等問(wèn)題，同時(shí)考慮未來(lái)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(shí)現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基站將根據傳輸錨點(diǎn)規劃進(jìn)行前傳接入，前傳DU-AAU互聯(lián)接入主要受前傳接入建設進(jìn)度、光纜纖芯資源情況、機房配套情況等因素影響。根據各種場(chǎng)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，接入光纜嚴重不足。

  在3G、4G建設中，由于IPRAN承載網(wǎng)性能不足，同時(shí)采用大規模DRAN，造成網(wǎng)絡(luò )規模偏大及架構不合理，以及考慮未來(lái)新的智能城域網(wǎng)接入層設備帶寬及端口能力大大提升，要求每個(gè)環(huán)路錨點(diǎn)數量控制在4~6個(gè)，其中價(jià)值區域每個(gè)環(huán)路錨點(diǎn)數量控制在4~5個(gè);一般區域每個(gè)環(huán)路錨點(diǎn)數量控制在5~6個(gè)。

  重新部署的接入層網(wǎng)絡(luò )需要大量環(huán)形保護的纖芯資源，且保證紅線(xiàn)外雙物理路由的非同溝同纜光纜資源，但由于現網(wǎng)光纜有50%以上末端接入光纜建設年份在5年以上，尤其是核心城區有20~30%的光纜是在2G/3G時(shí)期(至少7年以上)建成的12芯/24芯的小芯數光纜，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)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(wú)線(xiàn)站點(diǎn)安裝難度、減少鐵塔等租賃費，廣東聯(lián)通提出了“傳輸錨點(diǎn)+CRAN”的接入方式，DU集中放置，與傳輸設備在同一機房，AAU與DU不同機房部署。該方式雖然在建設成本、維護成本和網(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(guò)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(gè)25G eCPRI互聯(lián)接口，纖芯需求6芯;在未來(lái)共建共享模式下，200 MHz頻譜站點(diǎn)需要6個(gè)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。例如每個(gè)錨點(diǎn)設備接入不超過(guò)8~10個(gè)基站，按光纖直驅接入方式，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、單纖雙向光模塊、無(wú)源波分以及有源/半無(wú)源波分等。

  3.1 光纖直驅方案

  光纖直驅是無(wú)線(xiàn)接入的傳統解決方案。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方案。

  3.2 單纖雙向光模塊方案

  現有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(shí)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(guò)DU/AAU主設備配置單纖雙向光模塊快速解決纖芯資源不足區域業(yè)務(wù)接入問(wèn)題。

  3.3 無(wú)源波分方案

  無(wú)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(cháng)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(mǎn)足不同速率、不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的混合傳輸，解決移動(dòng)基站前傳、家庭寬帶、智能城域網(wǎng)和政企客戶(hù)接入等工程中局部光纖資源不足的問(wèn)題。

  3.4 有源/半無(wú)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(wú)源2種解決方案，主要由有源局端設備、局端模塊(普通模塊)、有源或無(wú)源的遠端設備、遠端光模塊(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波等不同波數的合波和解波。

  在局端的DU側，采用有源的WDM或者OTN接入型設備;在遠端的AAU側，有源方案需增加單獨的有源設備，半有源方案則無(wú)需新增設備，直接用彩光模塊接入AAU設備。

  有源設備上的光模塊采用波長(cháng)可調諧DWDM 光模塊，波長(cháng)自適應，與DU/AAU端口無(wú)關(guān)，在設備上插入普通灰光模塊后可正常工作，無(wú)需波長(cháng)規劃。

  前傳方案對比分析

  5G各種前傳方案從技術(shù)、建設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 )規劃、組網(wǎng)、保護方案、兼容性、電源引入及網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)OAM上對比各種前傳方案(見(jiàn)表1)。

表1 技術(shù)方案對比

  4.2 建設周期對比

  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(wú)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(wú)源或有源波分設備進(jìn)行纖芯擴展。

  4.2.1新建光纜

  在不考慮市政報建或者協(xié)調問(wèn)題，新敷設1 km光纜通過(guò)光纖直驅方式解決前傳接入，建設周期為5天左右，如需新增桿路或者管道，建設周期需要增加不少于10天(見(jiàn)表2)。

表2 新建光纜建設周期

  4.2.2 無(wú)源波分或者單纖雙向光模塊

  利舊原有纖芯，可上站安裝無(wú)源波分或者單纖雙向光模塊，無(wú)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(kāi)通(見(jiàn)表3)。

表3 無(wú)源波分建設周期

  4.2.3 有源或半無(wú)源波分方案

  利舊原有纖芯，上站安裝有源/半無(wú)源波分設備，需要協(xié)調設備安裝加電以及調試開(kāi)通工作，完成割接開(kāi)通需要5-7天(表4)。

表4 有源/半無(wú)源波分設備建設周期

  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投資有限的情況，無(wú)源波分方案的TCO較優(yōu)(見(jiàn)表5)。

  如采用新建光纜、有源/半無(wú)源波分等前傳方案，每個(gè)5G站點(diǎn)投資均在2~3萬(wàn)以上，無(wú)源波分的投資則可控制在幾千元內。

表5 成本效益分析

  綜上，在5G前傳的纖芯不足的場(chǎng)景下，從技術(shù)、建設周期以及成本效益分析，無(wú)源波分具有低成本、快速開(kāi)通的特點(diǎn)。

  無(wú)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(wú)源波分方案具有低成本、高質(zhì)量、高靈活性的特點(diǎn)，可節省光纜建設成本、縮短建設周期。

  a)利用現有光纜的光纖資源，不改變現有網(wǎng)絡(luò )構架和布局，同纜纖芯合并，可達到最大18倍纖芯擴展。

  b)彩光模塊在無(wú)線(xiàn)、數據、傳輸、接入設備上兼容，適應100M~25G各種業(yè)務(wù)端口，配置靈活，支持數字診斷功能，使用時(shí)可保證模塊的發(fā)光功率、過(guò)載點(diǎn)、接收靈敏度、溫度等參數在原網(wǎng)管上正常顯示。

  c)無(wú)需供電，設備安裝條件靈活，可支持標準19英寸機架固定、掛墻抱桿、放置在光交箱等等，建設周期短，便于維護。

  d)無(wú)源波分設備體積小、即插即用、免配置、環(huán)境適應能力強，溫度范圍為-40℃-+85℃。

圖3所示的是無(wú)源波分(1:6)方案。圖4所示的是無(wú)源波分(1:12)方案。

圖3 無(wú)源波分(1:6)方案

圖4 無(wú)源波分(1:12)方案

  無(wú)源波分優(yōu)化方案及應用場(chǎng)景建議

  6.1 5G前傳無(wú)源波分方案

  在基站的接入光纜只剩下1芯，無(wú)法滿(mǎn)足6芯的前傳DU-AAU互聯(lián)纖芯需求情況下，在DU側和AAU側機房，各部署1臺1:6的合分波設備(見(jiàn)圖5)，以滿(mǎn)足5G DU-AAU的3x25GeCPRI接口需求。

  DU設備3個(gè)光口分別使用不同波長(cháng)的彩光模塊(前6波波長(cháng)1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm)，與合分波設備連接，合波到1芯后，拉遠到遠端AAU側的合分波設備分波恢復為6波，再通過(guò)不同波長(cháng)的彩光模塊一一對應連接到3個(gè)AAU設備的光口上。

圖5 5G前傳無(wú)源波分方案

  6.2 4G/5G前傳混合傳輸無(wú)源波分方案

  在基站的接入光纜只剩下1~2芯，無(wú)法滿(mǎn)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側機房，各部署1臺1:12的合分波設備(見(jiàn)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(cháng)范圍在±6.5 nm以?xún)?，光模塊成本將為前6波的3~4倍?？紤]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(wú)源波分1:12彩光模塊波長(cháng)規格較多，可用2套1:6無(wú)源波分設備代替，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(chǎng)景的無(wú)源波分方案

  在地鐵、高鐵、高速、隧道等鏈型網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景下，每個(gè)洞室/站點(diǎn)只部署1個(gè)RRU(2芯需求)。

  以解決3個(gè)洞室為例，在BBU側基站放置1個(gè)1:6無(wú)源合分波設備，在每個(gè)洞室/站點(diǎn)的RRU側各放置1個(gè)1:6合分波設備。DU側3個(gè)光口通過(guò)合波器合波為1芯拉遠到第一個(gè)洞室的分波設備，將前2波λ1、λ2分波出來(lái)連接到RRU 1，第二個(gè)洞室的合分波器通過(guò)1芯與第一個(gè)洞室的合分波器端口互聯(lián)，實(shí)現剩余λ3-λ4波繼續向后傳輸，完成RRU2、RRU3的光口連接，有效節省隧道纖芯資源(圖7)。

圖7 特殊場(chǎng)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設備位于深圳沙井錦繡和二機房，AAU設備位于寶安區沙井和一新村B區13棟樓頂，無(wú)線(xiàn)主設備廠(chǎng)家為中興。無(wú)源波分設備(1:12)設備配置(見(jiàn)表6)。

表6 無(wú)源波分(1:12)設備配置

  測試結果：無(wú)源波分設備割接后，彩光模塊平均發(fā)送光功率、接收靈敏度在指標范圍內，工作正常，經(jīng)中興無(wú)線(xiàn)網(wǎng)管確認，業(yè)務(wù)情況開(kāi)通正常，設備指標正常，與中興無(wú)線(xiàn)設備完全兼容，5G&4G混傳滿(mǎn)足承載要求。

  結束語(yǔ)

  根據5G網(wǎng)絡(luò )建設初期，堅持綜合TCO成本最優(yōu)是趨勢，實(shí)現低成本建網(wǎng)是基礎，多種創(chuàng )新解決方案提高網(wǎng)絡(luò )競爭力。光纖直驅、無(wú)源波分、有源波分、半無(wú)源波分等各種前傳接入方案各有優(yōu)缺，應結合現有實(shí)際光纜纖芯資源情況和未來(lái)5G業(yè)務(wù)發(fā)展需求、網(wǎng)絡(luò )部署規劃、投資成本等多方面因此綜合考慮。

  通過(guò)對各種前傳方案的分析及研究，并在廣深5G實(shí)驗網(wǎng)上的測試，無(wú)源波分在纖芯不足的區域，新建光纜建設難度較大或建設成本較高時(shí)采用無(wú)源波分方式解決，可大量節省建設成本、縮短建設周期、減少機房動(dòng)力改造投資、降低運營(yíng)成本等有著(zhù)明顯的效果，主要評估如下：

  a)TCO效果明顯。前傳采用無(wú)源波分方案，單站新建末端接入光纜造價(jià)從2.5萬(wàn)降低到0.8萬(wàn)元左右，降低72%。2020年預計5G站點(diǎn)新建規模約11799個(gè)，按照2019年建設情況，約24.6%站點(diǎn)因纖芯不足需新建光纜，采用無(wú)源波分，節省建設投資4934萬(wàn)以上。

  b)靈活兼容，實(shí)現多業(yè)務(wù)承載。無(wú)源波分的彩光模塊可兼容無(wú)線(xiàn)、數據、傳輸、接入設備，支持100M~25G各種業(yè)務(wù)端口，配置靈活，滿(mǎn)足4G/5G、數字化室分、政企樓宇接入和傳輸等多業(yè)務(wù)承載需求。

  c)加快5G建設進(jìn)度。無(wú)源波分設備安裝簡(jiǎn)單，利用現有光纜的少量光纖資源，達到最大18倍纖芯擴展，降低建站難度，大大縮短了建設周期。

  本文通過(guò)對5G前傳方案的創(chuàng )新方案分析及研究，在大規模5G建網(wǎng)成本、能耗的壓力下，該方案能大幅降低運營(yíng)商的投資成本和運營(yíng)成本;同時(shí)該方案具很好的借鑒及推廣價(jià)值，社會(huì )效益明顯。

  參考文獻

  [1] IMT-2020(5G)推進(jìn)組研究報告，5G 前傳技術(shù)和組網(wǎng)應用方案研究

  [2] 王海軍，龐冉，劉琦，5G時(shí)代 IPRAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)需從多角度進(jìn)行革新[J]，通信世界全媒體

  [3]蔡一鴻，莊飚、鄧玲，一種低成本、高質(zhì)量的5G傳輸錨點(diǎn)方案，《郵電設計技術(shù)》

  [4]陶源,宋海濱，面向5G C-RAN的傳送網(wǎng)建設策略探討，《郵電設計技術(shù)》

  作者簡(jiǎn)介：

  郭文玨: 廣東工業(yè)大學(xué) 學(xué)士 現工作于中國聯(lián)通廣東省分公司網(wǎng)絡(luò )發(fā)展部