基于CRAN的5G前傳網(wǎng)絡(luò)規(guī)模建設(shè)方案研究*

1 研究背景

隨著運(yùn)營商5G試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)不斷深入，5G網(wǎng)絡(luò)逐漸進(jìn)入大規(guī)模部署階段。“5G商用，承載先行”，快速高效的規(guī)模部署滿足需求的5G承載網(wǎng)絡(luò)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。在5G承載網(wǎng)中，前傳是其技術(shù)難度最大、成本最敏感、對維護(hù)效率影響最大的部分，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性價(jià)比的高效前傳網(wǎng)絡(luò)對5G承載網(wǎng)規(guī)模建設(shè)具有重要的意義[1]。

5G前傳部署中，具有“集中化、協(xié)作化、云計(jì)算化”和“綠色節(jié)能”特征的CRAN組網(wǎng)模式是演進(jìn)的重要方向[2-3]。CRAN在降低基站選址難度、降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維成本、協(xié)作化提升網(wǎng)絡(luò)性能等方面具有良好的優(yōu)勢，但CRAN大規(guī)模部署會迅速消耗機(jī)房、光纜基礎(chǔ)資源等設(shè)施，給5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署提出了挑戰(zhàn)[3-4]。本文通過分析基于CRAN的5G前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和建設(shè)需求，提出了基于“一張光纜網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的5G前傳網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署解決方案，實(shí)現(xiàn)

2 基于CRAN的5G前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和需求分析

5G NR將基站分為集中單元CU和分布單元DU兩個(gè)功能實(shí)體，5G RAN從4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的基帶單元BBU與射頻拉遠(yuǎn)單元RRU的兩級結(jié)構(gòu)演進(jìn)到了CU、DU和AAU（有源天線處理單元）的三級結(jié)構(gòu)[5]。當(dāng)CU和DU分離部署時(shí)，相應(yīng)的承載網(wǎng)分解為前傳、中傳和回傳，AAU-DU之間稱為前傳，負(fù)責(zé)基站AAU和綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)/DU集中點(diǎn)的業(yè)務(wù)調(diào)度。CRAN部署模式下，DU堆疊在中心機(jī)房集中部署，AAU放置在遠(yuǎn)端天面，它們之間通過CPRI接口利用光纖進(jìn)行連接[3]，基于CRAN的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CRAN的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于RAN廣覆蓋的特性，5G前傳網(wǎng)絡(luò)中的AAU數(shù)量巨大，對承載網(wǎng)末端資源消耗極大。光纜需求是5G前傳網(wǎng)絡(luò)部署所遇到的首要突出問題，對于光纖基礎(chǔ)設(shè)施，一方面要滿足大帶寬、低時(shí)延、高精度的要求，另一方面要控制日益增長的建設(shè)成本，以保持網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)可行性，作為業(yè)務(wù)承載的基礎(chǔ)，光纖基礎(chǔ)設(shè)施資源正成為5G差異化競爭要點(diǎn)[1,6]。此外，CRAN部署還需要大量的機(jī)房及其配套設(shè)施，使得前傳網(wǎng)絡(luò)成本幾乎占到接入承載網(wǎng)50%以上[1]。因此，解決CRAN建網(wǎng)時(shí)前傳網(wǎng)絡(luò)對光纜、機(jī)房和配套的需求及成本問題是規(guī)模部署必須要解決的難題。

3 運(yùn)營商“一張光纜網(wǎng)”規(guī)劃

滿足5G規(guī)模建設(shè)對光纜的需求并能最大限度控制成本增長的方法就是通過“一張光纜網(wǎng)”規(guī)劃，對接入光纜網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)，通過對現(xiàn)有光纜網(wǎng)進(jìn)行整合優(yōu)化，充分利用已有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施，包括機(jī)房、光纜等，將5G基站接入光纜與有線寬帶接入光纜有效融合，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入[7,8]?！耙粡埞饫|網(wǎng)”目標(biāo)架構(gòu)如圖2所示。資源合理配置，有效降低網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房和配套成本，搭建優(yōu)質(zhì)可靠、具有平滑演進(jìn)能力、成本效益俱佳的5G前傳網(wǎng)絡(luò)。

圖2 “一張光纜網(wǎng)”目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

“一張光纜網(wǎng)”基于網(wǎng)格化進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，通過引入“綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)”，將匯聚區(qū)劃分為更小的微網(wǎng)格，將匯聚機(jī)房的光纖匯聚、流量匯聚功能進(jìn)一步下沉，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)資源的匹配。

綜合業(yè)務(wù)匯聚區(qū)承擔(dān)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)業(yè)務(wù)匯聚/收斂功能，通常由2~4個(gè)相鄰的綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)組成，區(qū)內(nèi)至少應(yīng)含2個(gè)以上骨干匯聚機(jī)房節(jié)點(diǎn)。綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)是為滿足基站、專線、家庭寬帶等業(yè)務(wù)接入需求，結(jié)合行政區(qū)域、自然區(qū)劃、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和客戶分布，劃分而成的能獨(dú)立完成業(yè)務(wù)匯聚的區(qū)域，綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)要明確業(yè)務(wù)歸屬，固化業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，從而形成有序、清晰的光纜接入網(wǎng)。綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)內(nèi)應(yīng)至少設(shè)置2個(gè)普通匯聚節(jié)點(diǎn)，城市中心區(qū)域其面積不大于3平方公里，一般城區(qū)面積不大于6平方公里，區(qū)域內(nèi)應(yīng)包括匯聚節(jié)點(diǎn)、主干接入光纜、分纖點(diǎn)、末端接入光纜等網(wǎng)絡(luò)要素。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋及資源精細(xì)化管控，進(jìn)一步縮短業(yè)務(wù)末端接入距離，提升業(yè)務(wù)接入效率及降低重復(fù)建設(shè)率，還可以將綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)劃分為更小的“微網(wǎng)格”，其覆蓋半徑根據(jù)業(yè)務(wù)密集程度一般為100~600 m。

“一張光纜網(wǎng)”結(jié)構(gòu)下，接入主干光纜雙歸至兩個(gè)匯聚機(jī)房，采用主干光交箱實(shí)現(xiàn)配線環(huán)/鏈的纖芯分配，配線環(huán)雙歸至兩個(gè)主干光交箱，配線鏈單歸至一個(gè)主干光交箱，配線箱作為二級分纖點(diǎn)按微網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分，主干光纜一般288芯，按獨(dú)享纖芯+共享纖芯+預(yù)留纖芯分配，配線光纜一般144芯，成端48芯，后續(xù)按需12芯成端。

4 基于CRAN的5G前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

4.1 DU集中部署典型場景模型

DU集中部署是5G前傳網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。DU集中部署后可利用基帶池共享方式，實(shí)現(xiàn)基帶容量動態(tài)共享和基帶資源動態(tài)分配和調(diào)度，更好的應(yīng)用于產(chǎn)生“話務(wù)遷徙”的區(qū)域，通過基帶集中處理、協(xié)作式無線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。但DU集中部署對光纖、機(jī)房等設(shè)施消耗較大，建設(shè)過程需找到不同場景下無線與傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的平衡點(diǎn)，使業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)平衡，更好的發(fā)揮DU集中化部署的整體效益。

在實(shí)際的規(guī)劃建設(shè)中，應(yīng)在“一張光纜網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)下，收集現(xiàn)網(wǎng)的管道、光纜、匯聚節(jié)點(diǎn)、設(shè)備組網(wǎng)拓?fù)滟Y料，以網(wǎng)格化管理，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全性、建設(shè)可實(shí)施性、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行綜合評估，得出最優(yōu)的DU集中化部署方案，降低無線及傳輸資源成本，實(shí)現(xiàn)資源合理化使用及達(dá)到綜合效益最大化。

根據(jù)DU的集中度從高到低可分為以下2種模型：CRAN大集中和CRAN小集中。兩種模型的典型部署場景如圖3所示。

圖3 CRAN典型部署場景

4.1.1 模型1：CRAN大集中

DU集中部署在匯聚機(jī)房或綜合接入機(jī)房，各綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)的AAU拉遠(yuǎn)點(diǎn)接入至CRAN機(jī)房的DU池，根據(jù)業(yè)務(wù)集中經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)CRAN機(jī)房集中部署15臺DU，接入15個(gè)5G基站（45個(gè)AAU），CRAN機(jī)房數(shù)量為基站數(shù)量/15。每個(gè)基站3個(gè)AAU全程需占用6芯光纖（使用無源波分占用1芯）。每站點(diǎn)末端接入長度約為0.5 km，同時(shí)前傳需全程占用配線和主干纖芯。

4.1.2 模型2：CRAN小集中

DU選擇在微網(wǎng)格配線箱上所在條件較好的原有基站機(jī)房進(jìn)行集中部署，CRAN機(jī)房由原基站機(jī)房改造而來，根據(jù)業(yè)務(wù)集中經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)CRAN機(jī)房集中部署5臺DU，接入5個(gè)5G基站（15個(gè)AAU），CRAN機(jī)房數(shù)量為基站數(shù)量/5。AAU就近接入所在微網(wǎng)格的CRAN機(jī)房的DU池，每個(gè)基站3個(gè)AAU全程占用6芯（使用無源波分占用1芯），每站點(diǎn)末端接入長度約0.5 km，前傳不需占用主干及配線光纜纖芯。

表1 利舊管道成本計(jì)算表

4.2 DU集中部署模型配套建設(shè)造價(jià)分析

4.2.1 造價(jià)測算參數(shù)說明

（1）利舊管道成本計(jì)算方式

利舊管道成本=原有管道新建時(shí)的成本×A（A=a×b×c）×利舊管道長度

其中，原有管道新建時(shí)的成本按2孔25萬/公里計(jì)取；a表示管道擴(kuò)建難度調(diào)整系數(shù)，b表示管道建設(shè)難度調(diào)整系數(shù)，c表示管道子管價(jià)值調(diào)整系數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

（2）利舊光纜成本計(jì)算方式

利舊光纜成本=主干光纜單芯造價(jià)×纖芯占用率×占用主干纖芯數(shù)量+配線光纜單芯造價(jià)×纖芯占用率×占用配線纖芯數(shù)量

其中，纖芯占用率表示1條光纜實(shí)際占用的芯數(shù)比例（部分為備用纖芯），根據(jù)光纜網(wǎng)建設(shè)纖芯分配現(xiàn)狀計(jì)算得出，光纜占用率為65%，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

（3）利舊光纜纖芯公里投資=折合管道成本投資+折合光纜纖芯成本投資。

利舊配線光纜成本=折合子管投資+折合纖芯投資=3.44/(144*0.65)+0.09=0.13萬元/纖芯公里

利舊主干光纜成本=折合子管投資+折合纖芯投資=3.44/(288*0.65)+0.07=0.09萬元/纖芯公里

表2 利舊光纜成本計(jì)算表

（4）末端接入光纜一般為24或48芯光纜，無論采用哪種組網(wǎng)方式，該段光纜建設(shè)成本差異不大，在本模型中按2.5萬元/皮長公里計(jì)取。

4.2.2 DU集中部署模型配套建設(shè)造價(jià)測算方法

（1）光纜部分

模型1為CRAN大集中，AAU至DU分別占用主干、配線和末端光纜纖芯；模型2為CRAN小集中，AAU至DU僅占用末端光纜纖芯，DU上聯(lián)占用主干和配線光纜纖芯；采用類似原4G基站的DU和AAU共址合設(shè)的方案稱為DRAN模型，DRAN上聯(lián)全程占用主干、配線和末端光纜纖芯。從考慮纖芯資源利用效率角度出發(fā)，所有測算采用無源波分彩光直驅(qū)方式測算，測算結(jié)果如表3所示。

表3 光纜造價(jià)計(jì)算表

（2）機(jī)房及設(shè)備部分

考慮到網(wǎng)絡(luò)更迭基本以5年為一個(gè)技術(shù)更新周期，機(jī)房租金以5年計(jì)（不考慮機(jī)房配套其他建設(shè)造價(jià)），傳輸設(shè)備數(shù)量等于機(jī)房數(shù)量。因基站主設(shè)備在各種模型造價(jià)相當(dāng)，且天面租金和建設(shè)造價(jià)在各種模型中相同，僅測算配套建設(shè)造價(jià)，并不包含天面租金和造價(jià)，測算結(jié)果如表4所示。

表4 機(jī)房及設(shè)備造價(jià)計(jì)算表

4.2.3 DU集中部署模型造價(jià)測算

我們從全網(wǎng)規(guī)劃的站點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合“一張光纜網(wǎng)”綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)和主干/配線光纜現(xiàn)狀，以業(yè)務(wù)密集區(qū)域和業(yè)務(wù)分散區(qū)域兩個(gè)典型場景需求來進(jìn)行測算分析，需求數(shù)據(jù)如表5所示，測算結(jié)果分別如表6和表7所示。

表5 典型場景需求數(shù)據(jù)

表6 業(yè)務(wù)密集區(qū)域典型場景測試結(jié)果

表7 業(yè)務(wù)分散區(qū)域典型場景測試結(jié)果

5 結(jié)論與建議

針對上述典型場景造價(jià)測算分析，可以得出以下結(jié)論和建議：

（1）只要實(shí)施DU集中部署的CRAN方式，均比原來4G建設(shè)時(shí)DU至AAU共址的DRAN模式更加有利于提升綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)的整體效益。

（2）在業(yè)務(wù)密集區(qū)域，采用模型1比模型2更加經(jīng)濟(jì)，因此，在業(yè)務(wù)密集區(qū)域應(yīng)盡量采用模型1的CRAN大集中方式建設(shè)；在業(yè)務(wù)相對分散區(qū)域，采用模型2造價(jià)更低，因此，在業(yè)務(wù)分散區(qū)域應(yīng)盡量采用模型2的CRAN小集中方式建設(shè)。

（3）機(jī)房造價(jià)占比很高，因此采用CRAN集中部署DU設(shè)備，可以大幅度節(jié)省機(jī)房投資。當(dāng)然，集中后的CRAN機(jī)房對于供電、備電等要求也會更高，需在選址時(shí)綜合考慮。

（4）由于主干/配線光纜的纖芯資源在一張光纜網(wǎng)分布中屬于戰(zhàn)略性資源，在后續(xù)擴(kuò)容相對困難。因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化調(diào)整時(shí)，建議不能僅僅考慮成本造價(jià)，而應(yīng)根據(jù)DU池的集中程度和纖芯使用情況的平衡程度進(jìn)行綜合考慮，盡量結(jié)合彩光（無源波分）等技術(shù)手段的使用來降低纖芯占用需求。

（5）從網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的角度考慮，DU池越集中，維護(hù)集中度越高、故障定位越迅速，便于集中投入維護(hù)力量進(jìn)行安全保障；但從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全角度考慮，DU池越集中帶來的單點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)越大，故障影響面也越大。因此需要根據(jù)建設(shè)及維護(hù)保障要求等實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。