5G前傳技術(shù)方案可行性分析和應(yīng)用策略研究

王義濤，錢永良，段 宏（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州，450007）

0 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(yùn)營商5G 前傳的主要建設(shè)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(luò)資源的管控難度。如何選擇5G前傳技術(shù)方案，以光纖直驅(qū)為主還是以設(shè)備系統(tǒng)承載為主，仍是擺在電信運(yùn)營商面前的一道難題。

本文主要從工程建設(shè)可行性和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)造價(jià)角度建立數(shù)學(xué)分析模型，通過定量分析，論證5G 前傳技術(shù)方案的應(yīng)用策略。

1 5G前傳技術(shù)方案簡介

按照技術(shù)類型，業(yè)界共提出了光纖直驅(qū)、低成本W(wǎng)DM 和電層匯聚三大類5G 前傳解決方案，如圖1 所示。其中光纖直驅(qū)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(shù)；低成本W(wǎng)DM 方案在AAU 與DU 之間采用WDM 技術(shù)將多條5G 前傳信號(hào)合并在1根光纖中傳輸，從而節(jié)省光纖資源，根據(jù)技術(shù)制式的不同分為粗波分復(fù)用（CWDM）、細(xì)波分復(fù)用（LWDM）、中等波分復(fù)用（MWDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）和5G 前傳N×25G WDM-PON 等5 種技術(shù)方案；電層匯聚方案在AAU 與DU 之間采用電層匯聚技術(shù)將多條5G 前傳信號(hào)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(shí)延分組2種技術(shù)方案。

圖1 5G前傳技術(shù)方案

簡易OTN 和低時(shí)延分組方案需要對信號(hào)進(jìn)行電層轉(zhuǎn)換處理，降低時(shí)延難度較大，時(shí)間同步信號(hào)的傳輸也需要進(jìn)行特定處理，同時(shí)DU 側(cè)和AAU 側(cè)設(shè)備均要求有源，這對AAU 側(cè)設(shè)備的安裝條件要求較高；而WDM-PON 方案中有較多技術(shù)細(xì)節(jié)尚待研究，實(shí)現(xiàn)成本較高。因此，目前簡易OTN 方案、低時(shí)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(qū)方案和低成本W(wǎng)DM 中的CWDM、LWDM、MWDM和DWDM方案。

2 工程建設(shè)可行性分析

業(yè)務(wù)開通時(shí)臨時(shí)建設(shè)通信管道的難度很大，不具備可行性，為保證業(yè)務(wù)能夠及時(shí)接入，通信管道需要隨道路提前建設(shè)。本地光纜網(wǎng)按照層級(jí)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(wù)發(fā)展和技術(shù)演進(jìn)的不確定性，電信運(yùn)營商初期在各條道路上均建設(shè)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(biāo)需求，對電信運(yùn)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(wù)。根據(jù)近年來電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(jìn)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(qū)方案接入。對接入主干光纜和末端接入光纜的占用，級(jí)聯(lián)按2芯/站、不級(jí)聯(lián)按6芯/站估算。

c）5G基站按頻譜寬度為200 M考慮。

2.1 末端接入光纜目標(biāo)需求分析

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

表1 單站基站業(yè)務(wù)末端接入光纜纖芯占用

2.2 接入主干光纜目標(biāo)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(wù)量大小成正比，對其覆蓋區(qū)域業(yè)務(wù)量大小的評估，需考慮區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)密度和區(qū)域面積大小等2個(gè)因素。

2.2.1 業(yè)務(wù)密度分析

根據(jù)各類業(yè)務(wù)特點(diǎn)建立的業(yè)務(wù)密度模型如表2所示，其中各類業(yè)務(wù)模型建立原則如下。

表2 業(yè)務(wù)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、7 000 戶/km2，普通城區(qū)按1 萬人/km2、3 500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(guān)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(jié)構(gòu)和144 芯建設(shè)，一般環(huán)長為4～10 km，以末端接入距離不超過1 km 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(jì)算出不同環(huán)長接入主干光纜滿足區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)接入時(shí)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(shè)可行性評估

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

a）雙纖雙向光纖直驅(qū)方案所需纖芯資源和管孔資源巨大，不具備建設(shè)可行性。

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

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 分析對象

為能夠相對真實(shí)客觀地對各方案造價(jià)進(jìn)行比較，以前傳需求通道數(shù)為6 個(gè)25G 單個(gè)200 M 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(shè)備、光纜、管道綜合建設(shè)成本作為比較對象，其中設(shè)備僅估算各組成部件的技術(shù)成本，不考慮產(chǎn)業(yè)鏈成熟度因素。造價(jià)評估界面為圖2中虛線框內(nèi)所涉及的設(shè)備、光纜和管道。

圖2 造價(jià)評估界面

3.2 設(shè)備造價(jià)分析

3.2.1 光模塊造價(jià)分析

5G 前傳各技術(shù)方案25G 光模塊關(guān)鍵功能器件區(qū)別如表6 所示。結(jié)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10 km 25G Duplex 和BiDi 光模塊的市場平均價(jià)格，計(jì)算出各種光模塊單位造價(jià)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(guān)鍵功能器件組成

3.2.2 合分波器造價(jià)分析

5G 前傳各技術(shù)方案合分波器關(guān)鍵功能器件區(qū)別如表7 所示。結(jié)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(jià)格，得出的各種合分波器單位造價(jià)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(guān)鍵功能器件組成

3.2.3 波長轉(zhuǎn)換板卡造價(jià)分析

DWDM 設(shè)備波長轉(zhuǎn)換板卡參考其實(shí)現(xiàn)功能，按300元/路估算。

3.2.4 設(shè)備綜合造價(jià)分析

根據(jù)各技術(shù)方案特點(diǎn)，各方案單站設(shè)備組成見表8，計(jì)算出各方案單站設(shè)備造價(jià)如表9所示。

表9 單站設(shè)備造價(jià)

3.3 光纜管道造價(jià)分析

3.3.1 光纜單位造價(jià)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(luò)建設(shè)情況，接入主干光纜以144 芯為主，單位造價(jià)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(jià)約380 元/芯公里（利舊管道）。

3.3.2 管道單位造價(jià)分析

通信管道各地造價(jià)差異較大，當(dāng)采用共建共享方式建設(shè)時(shí)造價(jià)相對較低。按共建共享方式建設(shè)時(shí)單位造價(jià)5萬元/孔公里考慮，每孔管道按穿放4條光纜，可計(jì)算出接入主干光纜占用管道資源的單位造價(jià)為87元/芯公里，末端接入光纜占用管道資源的單位造價(jià)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(shù)方案系統(tǒng)特點(diǎn)，單個(gè)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(gè)共建共享基站接入，為準(zhǔn)確反映造價(jià)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(jìn)行造價(jià)計(jì)算。

表10 光纜纖芯占用分析

3.4 單站綜合造價(jià)比較

假設(shè)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4 km。各方案單站綜合造價(jià)曲線分別如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以得出以下4條結(jié)論。

圖5 各方案單站綜合造價(jià)（不含管道）

圖6 各方案單站綜合造價(jià)（含管道）

a）光纖直驅(qū)方案中雙纖雙向單站造價(jià)遠(yuǎn)大于單纖雙向。

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

c）各種低成本W(wǎng)DM 方案單站造價(jià)均小于單纖雙向光纖直驅(qū)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(shù)實(shí)現(xiàn)上成本相當(dāng)，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。

4 應(yīng)用策略分析

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

a）技術(shù)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(jìn)一步降低成本仍是其規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

b）單站設(shè)備成本控制在萬元以內(nèi)，低成本W(wǎng)DM方案相對光纖直驅(qū)方案更能體現(xiàn)出價(jià)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(qū)方案嚴(yán)重占用管線資源，綜合成本高，工程建設(shè)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(wù)目標(biāo)需求的區(qū)域。因此建議盡快推動(dòng)半有源LWDM/MWDM 產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和規(guī)模應(yīng)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(qū)方案。

f）5G前傳技術(shù)方案過多，不利于產(chǎn)業(yè)鏈的快速成熟，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，利用O波段低色散優(yōu)勢，共同推進(jìn)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(shè)壓力，從而進(jìn)一步降低5G前傳綜合造價(jià)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)各方案功能組成建立模型，對規(guī)模應(yīng)用后的成本進(jìn)行估算，從而評估各方案應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性。但實(shí)際市場價(jià)格因受產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、應(yīng)用規(guī)模等多種因素的影響，會(huì)有較大差別。此外，各地實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境千差萬別，各地應(yīng)根據(jù)本地區(qū)市場目標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)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(shè)策略。