無源波分高效解決5G前傳接入的難題

  4G時代，受傳輸光纜資源限制和早期建站模式的影響，C-RAN在中國聯通的基站建設中未能大規模應用;5G時代，目標網架構將采用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短缺問題。

  未來5G建站、家寬和政企業務的發展，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、協調、工期等方面的困難，將大大影響網絡建設效率，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，5G建設初期采用DU/CU合設的2級架構，解決前傳和回傳問題，未來可能采用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組網采用DRAN和CRAN 2種方案。為了解決機房空間、動力配套、租金增加等問題，同時考慮未來DU池組化以及在成本和網絡的演進，5G RAN組網主要采用CRAN模式，實現DU大集中或者小集中。

  2.2 廣東聯通5G前傳接入遇到的難題

  2.2.1 廣東聯通5G前傳接入方案

  廣東聯通5G基站將根據傳輸錨點規劃進行前傳接入，前傳DU-AAU互聯接入主要受前傳接入建設進度、光纜纖芯資源情況、機房配套情況等因素影響。根據各種場景，廣東聯通提出“傳輸錨點+CRAN”、“傳輸錨點+R-CAN”、“傳輸錨點+DRAN”3種靈活的接入方式(圖2)。

圖2 廣東聯3種接入方式

  2.2.2 廣東聯通5G前傳接入遇到的困難

  a)5G承載網組網光纜需求大，接入光纜嚴重不足。

  在3G、4G建設中，由于IPRAN承載網性能不足，同時采用大規模DRAN，造成網絡規模偏大及架構不合理，以及考慮未來新的智能城域網接入層設備帶寬及端口能力大大提升，要求每個環路錨點數量控制在4~6個，其中價值區域每個環路錨點數量控制在4~5個;一般區域每個環路錨點數量控制在5~6個。

  重新部署的接入層網絡需要大量環形保護的纖芯資源，且保證紅線外雙物理路由的非同溝同纜光纜資源，但由于現網光纜有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時期(至少7年以上)建成的12芯/24芯的小芯數光纜，經過長時間質量劣化和割接，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。

  為降低無線站點安裝難度、減少鐵塔等租賃費，廣東聯通提出了“傳輸錨點+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、維護成本和網絡云化上較DRAN 有一定優勢，但增加了前傳接入光纖資源消耗。

  前期4G宏站，BBU-RRU通過RRU串聯方式前傳只需2芯就可互聯接入;但對于5G宏站，100 MHz頻譜站點DU-AAU需要3個25G eCPRI互聯接口，纖芯需求6芯;在未來共建共享模式下，200 MHz頻譜站點需要6個25G eCPRI互聯接口，纖芯需求為12芯，末端前傳接入纖芯資源已經面臨巨大挑戰。例如每個錨點設備接入不超過8~10個基站，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、無源波分以及有源/半無源波分等。

  3.1 光纖直驅方案

  光纖直驅是無線接入的傳統解決方案。在共4G的站點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，同時可保障高精度同步傳輸。

  單纖雙向光模塊技術成熟，可通過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務接入問題。

  3.3 無源波分方案

  無源波分方案是基于CWDM粗波分技術，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波波長為1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm)業務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務的混合傳輸，滿足不同速率、不同業務類型的混合傳輸，解決移動基站前傳、家庭寬帶、智能城域網和政企客戶接入等工程中局部光纖資源不足的問題。

  3.4 有源/半無源波分方案

  有源波分方案主要是基于DWDM技術下，分為有源和無源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。目前業務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可調諧DWDM 光模塊，波長自適應，與DU/AAU端口無關，在設備上插入普通灰光模塊后可正常工作，無需波長規劃。

  前傳方案對比分析

  5G各種前傳方案從技術、建設周期以及成本效益方面對比如下。

  4.1 技術方案對比

  從網絡規劃、組網、保護方案、兼容性、電源引入及網絡運營OAM上對比各種前傳方案(見表1)。

表1 技術方案對比

  4.2 建設周期對比

  以5G共4G站址，上聯站點約1 km，原有光纜只剩余3芯，已無空余纖芯承載新增5G業務，需新建48芯光纜、采用單纖雙向光模塊、新增無源或有源波分設備進行纖芯擴展。

  4.2.1新建光纜

  在不考慮市政報建或者協調問題，新敷設1 km光纜通過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(見表2)。

表2 新建光纜建設周期

  4.2.2 無源波分或者單纖雙向光模塊

  利舊原有纖芯，可上站安裝無源波分或者單纖雙向光模塊，無源波分只需1芯，單纖雙向光模塊需要3芯， 2~3天可完成割接開通(見表3)。

表3 無源波分建設周期

  4.2.3 有源或半無源波分方案

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

表4 有源/半無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，無源波分方案的TCO較優(見表5)。

  如采用新建光纜、有源/半無源波分等前傳方案，每個5G站點投資均在2~3萬以上，無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景下，從技術、建設周期以及成本效益分析，無源波分具有低成本、快速開通的特點。

  無源波分方案的特點

  從承載業務、兼容性、安裝配置等方面分析，無源波分方案具有低成本、高質量、高靈活性的特點，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，不改變現有網絡構架和布局，同纜纖芯合并，可達到最大18倍纖芯擴展。

  b)彩光模塊在無線、數據、傳輸、接入設備上兼容，適應100M~25G各種業務端口，配置靈活，支持數字診斷功能，使用時可保證模塊的發光功率、過載點、接收靈敏度、溫度等參數在原網管上正常顯示。

  c)無需供電，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)無源波分設備體積小、即插即用、免配置、環境適應能力強，溫度范圍為-40℃-+85℃。

圖3所示的是無源波分(1:6)方案。圖4所示的是無源波分(1:12)方案。

圖3 無源波分(1:6)方案

圖4 無源波分(1:12)方案

  無源波分優化方案及應用場景建議

  6.1 5G前傳無源波分方案

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

  DU設備3個光口分別使用不同波長的彩光模塊(前6波波長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，再通過不同波長的彩光模塊一一對應連接到3個AAU設備的光口上。

圖5 5G前傳無源波分方案

  6.2 4G/5G前傳混合傳輸無源波分方案

  在基站的接入光纜只剩下1~2芯，無法滿足12芯的4G和5G前傳DU-AAU互聯纖芯需求情況下，在BBU和RRU側機房，各部署1臺1:12的合分波設備(見圖6)。

  由于CWDM技術的后6波承載25 Gbit/s速率業務，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范圍在±6.5 nm以內，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。

  考慮到無源波分1:12彩光模塊波長規格較多，可用2套1:6無源波分設備代替，但需增加1芯傳輸。

圖6 4G/5G 混合傳輸前傳方案

  6.3 特殊場景的無源波分方案

  在地鐵、高鐵、高速、隧道等鏈型網絡場景下，每個洞室/站點只部署1個RRU(2芯需求)。

  以解決3個洞室為例，在BBU側基站放置1個1:6無源合分波設備，在每個洞室/站點的RRU側各放置1個1:6合分波設備。DU側3個光口通過合波器合波為1芯拉遠到第一個洞室的分波設備，將前2波λ1、λ2分波出來連接到RRU 1，第二個洞室的合分波器通過1芯與第一個洞室的合分波器端口互聯，實現剩余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 特殊場景前傳方案

  6.4 深圳聯通4G/5G混合傳輸試點

  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，無線主設備廠家為中興。無源波分設備(1:12)設備配置(見表6)。

表6 無源波分(1:12)設備配置

  測試結果：無源波分設備割接后，彩光模塊平均發送光功率、接收靈敏度在指標范圍內，工作正常，經中興無線網管確認，業務情況開通正常，設備指標正常，與中興無線設備完全兼容，5G&4G混傳滿足承載要求。

  結束語

  根據5G網絡建設初期，堅持綜合TCO成本最優是趨勢，實現低成本建網是基礎，多種創新解決方案提高網絡競爭力。光纖直驅、無源波分、有源波分、半無源波分等各種前傳接入方案各有優缺，應結合現有實際光纜纖芯資源情況和未來5G業務發展需求、網絡部署規劃、投資成本等多方面因此綜合考慮。

  通過對各種前傳方案的分析及研究，并在廣深5G實驗網上的測試，無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采用無源波分方式解決，可大量節省建設成本、縮短建設周期、減少機房動力改造投資、降低運營成本等有著明顯的效果，主要評估如下：

  a)TCO效果明顯。前傳采用無源波分方案，單站新建末端接入光纜造價從2.5萬降低到0.8萬元左右，降低72%。2020年預計5G站點新建規模約11799個，按照2019年建設情況，約24.6%站點因纖芯不足需新建光纜，采用無源波分，節省建設投資4934萬以上。

  b)靈活兼容，實現多業務承載。無源波分的彩光模塊可兼容無線、數據、傳輸、接入設備，支持100M~25G各種業務端口，配置靈活，滿足4G/5G、數字化室分、政企樓宇接入和傳輸等多業務承載需求。

  c)加快5G建設進度。無源波分設備安裝簡單，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。

  本文通過對5G前傳方案的創新方案分析及研究，在大規模5G建網成本、能耗的壓力下，該方案能大幅降低運營商的投資成本和運營成本;同時該方案具很好的借鑒及推廣價值，社會效益明顯。

  參考文獻

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

  [2] 王海軍，龐冉，劉琦，5G時代 IPRAN網絡技術需從多角度進行革新[J]，通信世界全媒體

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

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

  作者簡介：

  郭文玨: 廣東工業大學 學士 現工作于中國聯通廣東省分公司網絡發展部