面向5G的本地光纜網規(guī)劃及建設策略研究

王義濤，郭曉非，姚利民（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通江西分公司，江西南昌 330000）

0 前言

隨著三大運營商5G 試驗網建設的不斷深入，5G大規(guī)模網絡建設的時間窗口越來越近。本地光纜網作為本地信息傳送的基礎物理資源，處于非常重要的地位。光纜網由于受客觀地理條件和市政管理的影響，建設難度大、周期長，其網絡結構是否清晰且便于維護，網絡容量是否可支撐中遠期業(yè)務發(fā)展，是制約5G 時期能否大規(guī)?？焖俳ㄕ镜年P鍵因素。因此有必要對現網本地光纜網絡結構和承載能力進行評估，適當提前部署，更好地支撐5G時期快速建站需求。

1 5G網絡架構承載需求分析

1.1 5G網絡架構

5G 網絡架構包括核心網（CN）和無線接入網（RAN）2部分。5G CN將全面虛擬化，部署在不同層級的數據中心（DC）中，因此5G CN 傳輸承載主要體現在不同層級DC 之間的互聯(lián)。5G RAN 傳輸承載主要滿足5G 基站之間以及5G 基站至核心網之間的互聯(lián)，包括前傳、中傳和回傳3部分（見圖1和圖2）。

1.2 5G CN承載需求分析

5G 初期，uRLLC 業(yè)務尚不會開展，5G 核心網僅部署到省核心DC和本地核心DC，邊緣DC和移動邊緣計算（MEC）尚不會部署，這時5G核心網傳輸承載主要體現在本地核心和省核心之間，對應本地傳輸核心層和省干傳輸。

圖1 5G初期網絡架構

圖2 5G中后期網絡架構

5G 中后期，本地網內的部分匯聚機房將逐步改造為邊緣DC。為了滿足時間敏感服務的低延遲要求，將會在邊緣DC 上部署MEC，將部分5G 核心網的功能放入MEC 中，這時5G 核心網傳輸承載主要體現在本地匯聚—本地核心—省核心之間，對應本地傳輸匯聚層、本地傳輸核心層和省干傳輸。

5G CN 網絡連接的復雜性主要體現在要求承載網對L3的支持上，傳輸承載的網絡結構可維持目前結構不變。5G核心網網絡連接如圖3所示。

1.3 5G RAN承載需求分析

圖3 5G核心網網絡連接

5G 初期，CU 和DU 采用合設模式，5G RAN 在物理上與4G RAN 的BBU 和RRU 兩級架構類似，采用CU/DU 和AAU 兩級架構，其承載網絡結構也與4G 時期類似，僅包括前傳和回傳。前傳負責基站—綜合業(yè)務接入點/DU 集中點的業(yè)務調度，一般采用裸光纖承載；回傳負責綜合業(yè)務接入點/DU 集中點—核心節(jié)點的業(yè)務調度，對應本地傳輸系統(tǒng)的核心匯聚層和接入層。

5G 中后期，CU 和DU 將分設，CU 在邊緣DC 虛擬化集中部署，5G RAN 逐步演進為CU、DU 和AAU 三級架構，相應的承載網架構分解為前傳、中傳和回傳。前傳承載范圍和承載方式不變；中傳負責綜合業(yè)務接入點/DU 集中點—邊緣DC 節(jié)點的業(yè)務調度，主要對應本地傳輸系統(tǒng)的接入層；回傳負責邊緣DC 節(jié)點—核心節(jié)點和邊緣DC 節(jié)點之間的業(yè)務調度，主要對應本地傳輸系統(tǒng)的核心匯聚層。

由于5G CN 網絡功能的分布式部署，基站至核心網之間的網絡連接變得復雜，但也主要體現在要求承載網對L3的支持上，傳輸承載的網絡結構仍將維持目前結構不變。5G RAN承載網絡架構如圖4所示。

2 5G承載光纜需求分析

2.1 5G承載本地光纜架構分析

本地光纜網按照垂直分層、水平分區(qū)的目標架構進行建設的理念在業(yè)界早已形成共識，近年來國內三大運營商也基本按照該理念開展本地光纜網的建設。根據該理念，本地光纜網按照層級劃分為核心層、匯聚層、接入主干層、接入配線層和引入層，城區(qū)接入主干層根據連接范圍和主要用途又可分為一級接入主干（簡稱“一級主干”）和二級接入主干（簡稱“二級主干”），接入配線層和引入層又可合并為末端接入層（見圖5）。光纜結構方面核心層以環(huán)型/Mesh 型為主，匯聚層和接入主干層以環(huán)型為主，接入配線層和引入層以樹型為主。

圖4 5G RAN承載網絡架構

圖5 5G時期本地光纜網架構

從圖5可以看出，垂直分層、水平分區(qū)的本地光纜網架構能夠較好地支撐5G 承載。5G CN 傳輸承載在5G 初期僅占用本地光纜網的核心層光纜，在5G 中后期增加占用本地光纜網的匯聚層光纜。5G RAN 前傳占用光纜涉及接入主干層、接入配線層和引入層，5G RAN 中傳/回傳占用光纜涉及核心層、匯聚層、接入主干層以及接入配線層。

因此滿足5G承載，本地光纜網僅需對各層級光纜的網絡結構及纖芯容量進行評估和優(yōu)化補充完善即可，不需要對整體架構進行調整。

2.2 5G承載光纜需求分析

2.2.1 5G CN承載和5G RAN中傳/回傳光纜需求分析

5G CN 承載和5G RAN 中傳/回傳均由傳輸系統(tǒng)直接承載，因此其對光纜的需求主要體現在相應傳輸系統(tǒng)對光纜的需求上。從網絡結構上，相關傳輸系統(tǒng)結構將與4G時期基本一致，因此僅需按既定目標對光纜網結構逐步完善，并對纖芯不足段落增補纖芯即可。

2.2.2 5G RAN前傳光纜需求分析

根據DU 是否集中部署，5G 前傳有DRAN 和CRAN 2種部署模式。

DRAN 模式下，AAU 和DU 共站址部署，AAU 和DU 之間直接通過尾纖站內互聯(lián)，不需要額外敷設光纜。

CRAN 模式下，AAU 和DU 部署在不同站址，通過拉遠的方式互聯(lián)。DU 一般安裝在綜合業(yè)務接入點機房或DU 集中點接入機房。AAU 與DU 間傳輸時延要求小于100 μs，因此AAU 和DU 之間的理論最大拉遠距離為20 km。

CRAN 模式下根據DU 部署位置和AAU 接入位置可分為4種典型前傳接入方式（見圖6）。

圖6 CRAN模式下典型5G RAN前傳接入方式

方式1：AAU 站點直接上聯(lián)至匯聚機房、綜合業(yè)務接入機房或DU集中點，此時前傳僅占用引入層光纜。

方式2：AAU 站點接至主干光交，然后通過主干光纜上聯(lián)至匯聚機房、綜合業(yè)務接入機房或DU 集中點，此時前傳主要占用引入層光纜和二級主干光纜。

方式3：多個AAU 站點先接至配線光交，然后通過配線光纜、主干光交、主干光纜上聯(lián)至匯聚機房、綜合業(yè)務接入機房或DU 集中點，此時前傳占用引入層光纜、接入配線光纜和二級主干光纜。

方式4：多個AAU 站點先接至配線光交，再通過配線光纜直接上聯(lián)至匯聚機房、綜合業(yè)務接入機房或DU集中點，此時前傳占用引入層光纜和接入配線光纜。

CRAN 模式下前傳一般有光纖直驅、無源波分、有源波分等3種承載方案。各承載方案不同接入方式下光纖占用情況詳見表1。

從長期網絡演進來看，5G 時代基站密度將大幅增加，CRAN 模式的低成本建網和網絡簡化的優(yōu)勢將更加顯著，同時也為后期CU 的云化部署打下更好的基礎，各大電信運營商紛紛提出5G 采用CRAN 為主的建網模式。CRAN 模式下無源波分和有源波分方案主要優(yōu)勢是大量減少了對接入主干光纜纖芯的消耗，但由于引入了大量設備，一般情況下綜合建網成本高于光纖直驅方案。因此，現網光纜資源豐富或光纜建設便利的區(qū)域，建議優(yōu)選光纖直驅方案。由于單纖雙向（BiDi）技術不僅可節(jié)約50%光纖資源，同時有利于簡化地面鏈路時鐘部署，減少不對稱時鐘補償，因此應推進光纖直驅BiDi 的技術應用。有源波分由于具有較強的OAM 能力，當對網絡性能和可維護性要求較高時可考慮有源波分方案。

表1 CRAN模式下各承載方案光纜占用對比

3 5G承載光纜建設策略

5G 對光纜的大規(guī)模占用主要是接入主干光纜和末端接入光纜。其中接入主干光纜應提前部署并合理規(guī)劃網絡結構，末端接入光纜應隨5G站點建設以保證投資精準。5G 的典型應用場景主要集中在城區(qū)和工業(yè)園區(qū)等，因此本文重點分析城區(qū)光纜網建設策略。

3.1 城區(qū)接入主干光纜組網策略

3.1.1 純二級主干組網模式

組網特點：以兼作綜合業(yè)務接入點的匯聚節(jié)點為中心，與綜合業(yè)務接入區(qū)內的綜合業(yè)務接入點、主干光交共同組網。

適用場景：適用于業(yè)務量集中、面積較小、區(qū)內有匯聚節(jié)點的區(qū)域。

根據二級主干光纜與匯聚節(jié)點的關系，可分為2種組網模式（見圖7 和圖8）。其中主干光纜中兩匯聚節(jié)點間直達纖芯用作匯聚層光纜，綜合業(yè)務區(qū)1 內的匯聚節(jié)點不收斂綜合業(yè)務區(qū)2中的業(yè)務。

圖7 純二級主干組網模式1

圖8 純二級主干組網模式2

3.1.2 一級/二級主干混合組網模式

組網特點：以綜合業(yè)務接入點為中心，與綜合業(yè)務接入區(qū)內的其他綜合業(yè)務接入點、主干光交共同組成二級主干光纜；各綜合業(yè)務接入點通過新建直達光纜或借用沿途二級主干等其他光纜直達纖芯與匯聚區(qū)內匯聚節(jié)點互通，組成一級主干光纜。

適用場景：適用于業(yè)務量分布較廣、面積較大的區(qū)域。

一級/二級主干混合組網可分為以下5種模式。

模式1：借用二級主干光纜中匯聚節(jié)點至綜合業(yè)務接入點之間的直達纖芯組成一級主干光纜，該二級主干光纜與上聯(lián)的綜合業(yè)務接入點位于同一個的綜合業(yè)務接入區(qū)（見圖9）。

注意事項：①對于新建的光纜，相交的段落優(yōu)先同纜分纖使用，若區(qū)域內需接入業(yè)務量較大可以分纜建設，原主干光纜環(huán)較大時可以采用此方式進行拆分；②相交的綜合業(yè)務接入點負責綜合業(yè)務區(qū)2整個區(qū)域的業(yè)務收斂，綜合業(yè)務區(qū)2 內其他綜合業(yè)務接入點負責區(qū)域內局部業(yè)務的收斂。

適用場景：適用于相交的綜合業(yè)務接入點機房條件較好，能夠起到有效分擔匯聚節(jié)點機房裝機壓力作用的區(qū)域。

圖9 一級/二級主干混合組網模式1

模式2：與模式1 類似，不同之處在于提供一級主干光纜纖芯的二級主干光纜與上聯(lián)主干節(jié)點位于不同的綜合業(yè)務接入區(qū)（見圖10）。

圖10 一級/二級主干混合組網模式2

適用場景：適用于相交的綜合業(yè)務接入點機房條件一般，不能起到有效分擔匯聚節(jié)點機房裝機壓力作用的區(qū)域。

模式3：利舊上聯(lián)主干節(jié)點至匯聚機房的現網基站接入等光纜資源組成一級主干光纜（見圖11）。

圖11 一級/二級主干混合組網模式3

注意事項：應做好上聯(lián)光纜的纖芯使用規(guī)劃，作為一級主干的上聯(lián)光纜纖芯原則上應通過直熔等方式改造為直達光纜，并保障其安全性。

模式4：單獨新建匯聚節(jié)點、各綜合業(yè)務區(qū)上聯(lián)綜合業(yè)務接入點之間的一級主干光纜，組成一級主干光纜環(huán)（見圖12）。

圖12 一級/二級主干混合組網模式4

模式5：相鄰綜合業(yè)務區(qū)主干節(jié)點之間新建上聯(lián)光纜，并利用各二級主干光纜中的部分直達光纜纖芯，共同組成一級主干光纜環(huán)（見圖13）。

圖13 一級/二級主干混合組網模式5

適用場景：相鄰綜合業(yè)務接入區(qū)之間部分主干節(jié)點距離較近，光纜建設方便。

3.2 城區(qū)接入主干光纜建設原則

a）應充分利用并挖潛既有資源，切實結合5G 需求適度提前進行主干光纜的規(guī)劃建設。光纜容量滿足但纖芯分配不合理的，應優(yōu)先調整纖芯分配以滿足5G站點接入；剩余光纜纖芯資源不足的，應優(yōu)先對現網3G/4G RRU進行級聯(lián)改造。

b）接入主干光纜環(huán)長建議最大不超過8 km，其中密集城區(qū)以4～6 km為宜，一般城區(qū)以6～8 km為宜。

c）當5G 站址不確定時，新建接入主干光纜建議增加備用（直通）纖芯的容量分配，待后期5G站址確定后再進行纖芯分配。

3.3 CRAN模式下5G站點接入策略

a）應根據所在區(qū)域現網情況靈活選用圖6中的接入方式。

b）應充分利用現網資源，當現網末端接入光纜空余纖芯不足時，應優(yōu)先對現網3G/4G RRU 進行級聯(lián)改造。

c）新建末端接入光纜應同時考慮其他業(yè)務的綜合承載需求，纖芯容量建議接入配線層不少于24 芯、引入層不少于12芯。

d）對于AAU 部署規(guī)模較大的5G 室分站點，應通過測算TCO 成本考慮是否在室分站點新建DU 集中點機房。

4 室分站點5G RAN部署方式選擇

當前傳采用光纖直驅方案時，室分站點5G RAN一般有AAU 拉遠至現網綜合業(yè)務接入點/BBU 集中點機房（簡稱“AAU 拉遠”）和在室分站點新建DU 集中點機房（簡稱“新建DU 集中點”）2 種部署方式。隨室分站點AAU 部署數量的不同，2 種部署方式的TCO（建設+5 年運營）成本不同。室分站點AAU 部署數量越多，AAU 拉遠方式所占用配線光纜和主干光纜纖芯越多，現網機房的裝機壓力也越大；室分站點AAU 部署數量越少，新建DU 集中點方式中新建DU 集中點機房成本將越突出。因此2種部署方式存在一個TCO 成本平衡點。工程中應根據室分站點AAU 部署數量，因地制宜，合理選擇室分站點5G RAN的部署方式。

4.1 新建物理室分站點

新建物理室分站點TCO 成本測算示例如表2 所示，不同AAU部署數量模型下，2種部署方式的TCO成本對比詳見圖14。

圖14 新建物理室分站點2種部署模式5年TCO對比

從圖14 可以看出，當室分站點AAU 數量為27 個時，5G RAN 2種部署方式TCO成本達到平衡點。建議AAU 數量≤27 的室分站點優(yōu)選AAU 拉遠模式，AAU 數量＞27的室分站點優(yōu)選新建DU集中點模式。

4.2 利舊現有室分站點

利舊現有室分站點不同AAU 部署數量模型下，2種部署方式的TCO成本對比如圖15所示。

表2 新建物理室分站點2種部署模式TCO成本對比分析

圖15 利舊現有室分站點2種部署模式5年TCO對比

從圖15 可以看出，當室分站點AAU 數量為24 個時，5G RAN 2種部署方式TCO成本達到平衡點。建議AAU 數量≤24 的室分站點優(yōu)選AAU 拉遠模式，AAU 數量＞24的室分站點優(yōu)選新建DU集中點模式。

5 結束語

5G 網絡整體投資需求巨大，其中本地光纜網投資占了很大比例，因此應合理規(guī)劃本地光纜網結構和容量，適度超前建設接入主干光纜，在能夠快速接入5G站點、滿足5G 網絡演進承載需求的同時，通過建設方案的優(yōu)化合理降低TCO成本。