面向5G的室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)傳輸線纜研究

楊定楚，王 權(quán)，祝 琳（.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；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033）

0 引言

正如2G伴隨語音，3G伴隨數(shù)據(jù)，4G伴隨移動互聯(lián)網(wǎng)，人們對5G的期待則是：以超大帶寬、超低時(shí)延和超強(qiáng)連接的能力，使能全行業(yè)數(shù)字化，成為社會基礎(chǔ)的生產(chǎn)力。統(tǒng)計(jì)表明，目前4G移動網(wǎng)絡(luò)中超過70%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場景。伴隨5G業(yè)務(wù)種類持續(xù)增多和行業(yè)邊界不斷擴(kuò)展，運(yùn)營商室內(nèi)移動網(wǎng)絡(luò)將更加重要，將是運(yùn)營商在5G時(shí)代的核心競爭力之一。面向5G的室內(nèi)覆蓋數(shù)字化系統(tǒng)（DIS），也必將成為未來5G室內(nèi)業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)能力的主要建設(shè)方式。

5G的更高速率提出了更高的CPRI接口要求，室內(nèi)分布系統(tǒng)中線纜布放的施工量大，一旦布放再修改難度大，因此傳輸線纜的選擇成為5G數(shù)字化室分面臨的主要問題。

1 5G室內(nèi)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分析

1.1 5G室內(nèi)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)要求

4G承載的是“移動互聯(lián)網(wǎng)”，而5G的定位不僅僅是能為用戶提供更好體驗(yàn)和更多業(yè)務(wù)的eMBB網(wǎng)絡(luò)，更是連接行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)。因此，5G將不僅僅是簡單的一張通信網(wǎng)，更是作為底層網(wǎng)絡(luò)深入到社會各行各業(yè)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、自動駕駛、智慧家庭、無線醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、新社交網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人AI輔助、工業(yè)制造和物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)玫?G技術(shù)的支撐。這意味著5G時(shí)代的業(yè)務(wù)場景與4G相比差異巨大，也對5G網(wǎng)絡(luò)提出更高的技術(shù)要求［1-3］（見表1）。

根據(jù)ITU-R對不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的要求以及室內(nèi)關(guān)鍵業(yè)務(wù)場景，對5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)定義如下（見表2）。

表1 5G的八大新業(yè)務(wù)的參數(shù)指標(biāo)

表2 ITU-R定義的5G和室內(nèi)5G目標(biāo)網(wǎng)關(guān)鍵能力指標(biāo)

容量：2022年高清視頻和各類VR業(yè)務(wù)滲透率合計(jì)超40%，入門級VR視頻要求下行速率約100 Mbit/s，上行要求10 Mbit/s。針對5G室內(nèi)高容量場景：容量密度2.5 Gbit/s/1 000 m2。

時(shí)延：智能制造要求低至1 ms的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及99.999%高可靠的網(wǎng)絡(luò)。

新業(yè)務(wù)：越來越多室內(nèi)業(yè)務(wù)需要精準(zhǔn)定位。如商場展館的室內(nèi)導(dǎo)航客流監(jiān)控（5 m）、制造園區(qū)的資產(chǎn)盤點(diǎn)物料跟蹤（1 m）。

1.2 室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)是5G室內(nèi)覆蓋的重要選擇

表3給出了傳統(tǒng)DAS與DIS比較。從表3可以看出，面向5G部署傳統(tǒng)DAS相對于DIS存在較多的難點(diǎn)和劣勢，傳統(tǒng)DAS已經(jīng)很難承載5G業(yè)務(wù)［4］。

綜上，對于面向5G的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)室分向5G演進(jìn)改造問題多，室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)將成為重要的技術(shù)選擇。

表3 傳統(tǒng)DAS與DIS比較

1.3 室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)分析

1.3.1 室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)

室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)并非5G時(shí)代的新生事物，早在4G中期，為了應(yīng)對MBB時(shí)代數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)，主設(shè)備廠商就推出了數(shù)字化的室分系統(tǒng)。圖1為某設(shè)備廠商的數(shù)字化的室分系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)

室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)包含3層：BBU處理基帶信號，RHUB解決頭端的傳輸和供電問題，pRRU接收射頻信號并完成中頻處理。

1.3.2 室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)特征

頭端有源化、運(yùn)維可視化和傳輸線纜的IT化是室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)的3個(gè)基本特征。這3個(gè)特征很好地匹配了4G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，DIS也成為室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首選。

a）頭端有源化。室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)的頭端既可以組合成一個(gè)小區(qū)進(jìn)行連續(xù)覆蓋，解決業(yè)務(wù)移動性問題，又可以進(jìn)行小區(qū)分裂，極限場景每一個(gè)頭端都能分裂成一個(gè)小區(qū)，可以靈活地匹配室內(nèi)熱點(diǎn)的容量訴求，所有操作均可由軟件遠(yuǎn)程完成。

b）運(yùn)維可視化。室內(nèi)數(shù)字化架構(gòu)端到端可管可控。

c）傳輸線纜IT化。室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)使用IT線纜，如網(wǎng)線和光纖，可獲得性強(qiáng)，施工簡易，成本更低。

1.3.3 室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)向5G演進(jìn)關(guān)鍵問題

面向5G演進(jìn)DIS的頭端有源化，支持多頻多模，集成4G和5G，未來進(jìn)行簡單的頭端替換就可以支持5G，使之具備了向5G演進(jìn)的基本能力。但是，5G更大帶寬的傳輸要求，對傳輸線纜提出了更高的要求，如果不能合理地選擇傳輸線纜，5G到來之后，DIS同樣需要重新建設(shè)，不能平滑地向5G演進(jìn)。因此傳輸線纜的選擇，成為DIS向5G演進(jìn)需要回答的關(guān)鍵問題。

2 面向5G演進(jìn)的傳輸線纜分析與選擇

2.1 傳輸與供電要求分析

2.1.1 傳輸要求

在室內(nèi)數(shù)字化的架構(gòu)中，pRRU負(fù)責(zé)射頻和中頻處理，將空口的射頻信號解調(diào)之后，還原成CPRI信號［5］。通過連接BBU-RHUB、RHUB-pRRU的CPRI端口，建立起它們之間的CPRI控制數(shù)據(jù)和CPRI用戶數(shù)據(jù)的傳輸通道。BBU將CPRI信號合并之后，還原成IP數(shù)據(jù)，通過前傳網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P的數(shù)據(jù)通信。

根據(jù)5G目標(biāo)網(wǎng)推導(dǎo)的結(jié)果，DIS需要支持4G和5G多頻多模并發(fā)，5G需要支持4T4R。以中國聯(lián)通當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)頻譜為例，假設(shè)中國聯(lián)通在5G獲得C Band 100 MHz頻帶，推算所需CRPI帶寬。

表4給出了中國聯(lián)通的Sub 3G和C-Band頻段的天線技術(shù)。

表4 中國聯(lián)通的Sub 3G和C-Band頻段的天線技術(shù)

載波占用CPRI帶寬計(jì)算方法：

載波占用線速率（CPRI帶寬）=CPRI凈荷/CPRI壓縮比/傳輸效率

CPRI凈荷＝采樣率×數(shù)據(jù)位寬×2（IQ）×天線數(shù)×載波數(shù)

式中：

采樣率——1 s內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，比如LTE 20 MHz帶寬采用的是30.72 MHz采樣率

數(shù)據(jù)位寬——對于LTE在非壓縮CPRI情況下，下行15 bit，上行12 bit

CPRI壓縮比——未壓縮數(shù)據(jù)所占帶寬與壓縮后數(shù)據(jù)所占帶寬之間的比值

CPRI壓縮特性通過壓縮I/Q數(shù)據(jù)位寬和降低樣點(diǎn)的采樣率來降低CPRI數(shù)據(jù)對CPRI帶寬的需求，使每個(gè)CPRI端口支持更多的載波或RRU/RFU/pRRU個(gè)數(shù)。

LTE協(xié)議規(guī)定頻譜利用效率可達(dá)90%，NR協(xié)議規(guī)定的頻譜利用率可達(dá)到98%，NR的頻譜利用率遠(yuǎn)高于LTE的頻譜利用率，NR為了達(dá)到協(xié)議規(guī)定的指標(biāo)要求，壓縮能力與LTE有所差異，如表5所示。

傳輸效率由編碼效率和CPRI效率共同決定。無線網(wǎng)絡(luò)BBU與RRU間的前傳網(wǎng)絡(luò)采用CPRI傳輸協(xié)議，傳輸鏈路上除了業(yè)務(wù)IQ數(shù)據(jù)外，還會通過控制字段傳輸控制信息，為了抗干擾，底層采用8B10B編碼。不同CPRI速率對應(yīng)的傳輸效率如表6所示。

表5 LTE和5G NR的CPRI壓縮模式

表6 CPRI凈荷和傳輸效率的對應(yīng)關(guān)系

載波占用CPRI的線速率=載波凈荷/傳輸效率，以中國聯(lián)通基本LTE、NR為例，得到頻段帶寬、CPRI速率的映射關(guān)系如表7所示。

表7 不同線速率情況下，頻段帶寬、CPRI速率的映射關(guān)系

2.1.2 供電要求

室內(nèi)數(shù)字化組網(wǎng)中，為簡化供電和線纜配套，遠(yuǎn)端設(shè)備都由匯聚RHUB設(shè)備集中供電，供電距離的長短及線纜選擇取決于遠(yuǎn)端設(shè)備的功耗。

按照業(yè)界當(dāng)前的能力，室內(nèi)設(shè)備每通道的功耗在7~12 W，不同設(shè)備廠家及不同芯片方案的功耗會有差異，不同場景配置下的功耗要求如表8所示。

表8 遠(yuǎn)端設(shè)備的功耗需求

表9 CAT5E、CAT6A和光電復(fù)合纜傳輸線纜的傳輸能力和供電能力

2.2 傳輸線纜能力分析

目前市場上主流的傳輸線纜有2種：雙絞線和光纜。雙絞線根據(jù)ISO/IEC 11801標(biāo)準(zhǔn)分類，考慮早期線纜規(guī)格較低，室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)在4G時(shí)代的帶寬要求已經(jīng)大于1 Gbit/s，因此五類線及以下不能滿足基本的傳輸要求，使用較多的是CAT5E超5類網(wǎng)線，最大帶寬能夠達(dá)到3.072 Gbit/s，以及超六類線，最大帶寬能夠達(dá)到 10.137 Gbit/s［6-11］。

光纜的特點(diǎn)是抗電磁干擾性極好、保密性強(qiáng)、速度快、傳輸容量大等。光纖有單模光纖與多模光纖。單模光纖在給定的工作波長中只能以單一模式傳輸，傳輸頻帶寬、傳輸容量大，適用于長距傳輸。而多模光纖在給定的工作波長中，以多個(gè)模式同時(shí)傳輸，有模式色散缺陷，其傳輸性能比單模光纖差，適宜于較小容量、短距傳輸。因此這里主要考慮單模光纖，其傳輸帶寬主要受限于光模塊的能力［12］。

除了傳輸能力之外，供電能力也是線纜選擇的重要依據(jù)。

POE是指在現(xiàn)有的以太網(wǎng)CAT5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不做任何改動的情況下，為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）在傳輸數(shù)據(jù)信號的同時(shí)，為此類設(shè)備提供直流供電。POE也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)（POL—— Power over LAN）或有源以太網(wǎng)（Active Ethernet），有時(shí)也被簡稱為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存以太網(wǎng)傳輸電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。

表9總結(jié)了幾類傳輸線纜的傳輸和供電能力［13-15］。其中，光電復(fù)合纜的供電能力是通過混合DC電纜來解決的。

DC電源線供電拉遠(yuǎn)計(jì)算說明：

式中：

P——拉遠(yuǎn)模塊的最大實(shí)測功耗（W）

U——拉遠(yuǎn)設(shè)備的最低工作電壓（V）

L——電源線拉遠(yuǎn)長度（m）

γ——銅導(dǎo)體的電導(dǎo)率，取值為57 m/Ω·mm2

ΔU——拉遠(yuǎn)電纜線壓降（V）

S——電源線導(dǎo)體截面面積（mm2）

如圖2所示，1.5 mm2電源線在拉遠(yuǎn)200 m情況下（52~60 V）［12］，源端不同輸入電壓下的遠(yuǎn)端設(shè)備功率值基本都大于100 W，相較雙絞線的PD功率71 W又大出很多。

圖2 源端電壓與遠(yuǎn)端設(shè)備功率之間的關(guān)系

2.3 傳輸線纜的選擇

根據(jù)前面章節(jié)對5G的CPRI傳輸帶寬、線纜的傳輸和供電能力的全面分析，4G時(shí)代主流的CAT5E網(wǎng)線已不能滿足5G傳輸和供電需求。CAT6A網(wǎng)線和光電復(fù)合纜將成為5G時(shí)代線纜的入門條件，如表10所示，根據(jù)不同線纜類別和拉遠(yuǎn)距離，分別給出了線纜能夠支持的LTE與5G NR頻譜資源配置方案。

表10 不同線纜類別和拉遠(yuǎn)距離對應(yīng)支持的LTE與5G NR頻譜資源配置方案

2.4 傳輸線纜部署實(shí)例分析和方案建議

2.4.1 Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 100 MHz 4T4R

遠(yuǎn)端設(shè)備功耗與具體頻譜配置相關(guān)，表11給出了Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 100 MHz 4T4R的傳輸線纜部署建議。

表11 Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 100 MHz 4T4R的傳輸線纜部署方案建議

如果是該配置場景，且遠(yuǎn)端盒子功耗可以在71 W以下，那么可以采用雙CAT6A網(wǎng)線，或者采用1根光電復(fù)合纜，如圖3所示。

2.4.2 Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 200 MHz 4T4R

如果考慮5G 200 MHz或者后續(xù)毫米波場景，那么遠(yuǎn)端設(shè)備的功耗將會超過71 W，甚至達(dá)到100 W以上，屆時(shí)將只有光電復(fù)合纜可以承載其傳輸和供電。因此，如果是該配置場景，由于傳輸帶寬以及遠(yuǎn)端設(shè)備功耗，建議選擇單根光電混合纜方案，支持更大的演進(jìn)能力，如表12和圖4所示。

圖3 Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 100 MHz 4T4R的傳輸線纜2種部署方案示意圖

3 結(jié)束語

5G的超大帶寬、超低時(shí)延、超高可靠性、超多連接、超高業(yè)務(wù)擴(kuò)展性以及超高精度室內(nèi)定位能力等特點(diǎn)，將有力支撐未來AR/VR、超高清視頻、智能制造、智能醫(yī)療等新生室內(nèi)業(yè)務(wù)，同時(shí)也決定了室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)將是5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的主流技術(shù)。

表12 Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 200 MHz 4T4R的傳輸線纜部署方案建議

圖4 Sub3G 3頻（80 MHz）2T2R+5G 200 MHz 4T4R的傳輸線纜部署方案示意圖

面向5G的室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)的CPRI接口高傳輸速率要求，以及線纜部署工程量大、不易修改的特點(diǎn)，決定了線纜的選擇成為5G室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，根據(jù)5G室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)的技術(shù)要求及線纜能力分析，給出了5G室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)全面使用CAT6A網(wǎng)線替代CAT5E網(wǎng)線建議，同時(shí)建議做好光電復(fù)合纜或CAT6A網(wǎng)線的預(yù)埋，為室內(nèi)分布系統(tǒng)向5G演進(jìn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。