5G數(shù)字室分設(shè)備成本分析

劉 灝

(中國電信股份有限公司天津分公司，天津 300385)

1 5G時(shí)代室內(nèi)分布系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全面建設(shè)和初步成型,網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)已經(jīng)升級(jí)為全面提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感受。4G網(wǎng)絡(luò)約70%的業(yè)務(wù)在室內(nèi)發(fā)生，5G時(shí)代這一比例將上升至85%[1]。室內(nèi)分布系統(tǒng)如何解決5G時(shí)代的多種挑戰(zhàn)，同時(shí)有效控制建設(shè)成本，就成了5G室內(nèi)覆蓋研究的重要課題。

1.1 更密集的基帶資源需求

從3G網(wǎng)絡(luò)開始，室分系統(tǒng)的容量問題逐漸突出。單一小區(qū)的吞吐能力已經(jīng)無法滿足整棟建筑的使用需求，扇區(qū)裂分和增加頻段已經(jīng)成為通用手段。在人員和話務(wù)密集的高價(jià)值場(chǎng)所，為了能夠減少用戶使用感受的波動(dòng)，避免大規(guī)模擴(kuò)容施工，往往需要在建設(shè)時(shí)投入更多的基帶資源，充分預(yù)留能力。

1.2 更高的路徑損耗

由于頻段升高至2.6 GHz甚至3.5 GHz，室外宏基站信號(hào)的穿透效果大幅下降，室外低頻5G受到頻率寬度的影響，能夠提供的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及主力頻段，室內(nèi)深度覆蓋迫切需要通過室分系統(tǒng)[2]。同時(shí),在5G頻段下，饋線的路徑損耗已經(jīng)大幅增加，因此在進(jìn)行室分設(shè)計(jì)時(shí)，必須更高效地將功率資源分配至發(fā)射端。

1.3 覆蓋目標(biāo)不確定

在5G網(wǎng)絡(luò)中，由于大量物聯(lián)設(shè)備的引入，室分系統(tǒng)需要覆蓋的位置以及業(yè)務(wù)內(nèi)容更加不確定。在2B場(chǎng)景下，以人為本的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)不再適用，無法通過傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)重點(diǎn)覆蓋目標(biāo)。

1.4 施工難度增加

隨著信息化的發(fā)展，建筑內(nèi)的弱電需求快速增加，弱電布線需求與路由資源的矛盾愈明細(xì)，造成樓宇室內(nèi)分布系統(tǒng)施工難度大幅提高。以饋線為核心的DAS系統(tǒng)經(jīng)常遇到線纜無法敷設(shè)的問題，需要更加靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滿足基帶和功率資源的傳遞。

2 數(shù)字室分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

室內(nèi)分布的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)無線資源的傳遞和分發(fā)。隨著技術(shù)的演進(jìn)，室分系統(tǒng)經(jīng)歷了3個(gè)階段：在移動(dòng)通信發(fā)展初期，室內(nèi)覆蓋的主題是無線信號(hào)的延伸，即射頻功率資源在室內(nèi)分發(fā)。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷升高，在實(shí)現(xiàn)功率傳遞的基礎(chǔ)上，需要增加基帶資源的分配，以滿足更高的容量需求。5G時(shí)代除了射頻功率和基帶容量的轉(zhuǎn)發(fā)，還需要實(shí)現(xiàn)更高的峰值速率。需要室分系統(tǒng)在頻譜、通道數(shù)等方面進(jìn)一步提升能力，數(shù)字化室分系統(tǒng)憑借自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以很好地滿足上述需求。

2.1 數(shù)字室分的組成

數(shù)字室分即數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)(Digital Indoor System，DIS)，也稱毫瓦級(jí)分布式小基站，一般由基帶單元(Baseband Unit，BBU)、擴(kuò)展單元、射頻單元(pico Remote Radio Unit，pRRU)3個(gè)部分組成，基帶單元與擴(kuò)展單元通過光纖連接，擴(kuò)展單元之間可通過光纖進(jìn)行級(jí)聯(lián)，利用光傳輸實(shí)現(xiàn)基帶資源的傳遞[3]。射頻單元通過網(wǎng)線或光電復(fù)合纜上連至擴(kuò)展單元，是完成基帶信號(hào)到射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行無線發(fā)射的實(shí)體。

2.2 數(shù)字室分特點(diǎn)分析

2.2.1 組網(wǎng)架構(gòu)

數(shù)字室分使用網(wǎng)線或光纜替代了饋線，采用類似AC-交換機(jī)-AP的組網(wǎng)架構(gòu)。這從根本上消除了饋纜線路損耗，具有更靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4]。硬件的改變，在施工層面將室分建設(shè)與普通弱電布線拉齊。射頻單元還可以外接天饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)的融合，獲得更靈活的組網(wǎng)[5]。數(shù)字室分在組網(wǎng)靈活性上，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)模式。

2.2.2 供電方式

射頻單元通過POE協(xié)議從擴(kuò)展單元獲取電源，因此5G數(shù)字室分的射頻單元具備更多樣的射頻功率等級(jí)。除了能提供最大4個(gè)發(fā)射通道外，每通道發(fā)射功率能夠達(dá)到750 mW，還可支持200 MHz或更高的頻譜帶寬，實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。供電方式的改變除了提升了末端設(shè)備的發(fā)射功率，更主要的是通過有源的方式實(shí)現(xiàn)射頻單元的納管，實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道及功率可控可調(diào)。

2.2.3 基帶能力

在數(shù)字室分系統(tǒng)中，基帶資源滲透至射頻單元。在安裝擴(kuò)展單元和射頻單元的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了基帶能力的預(yù)留。需要擴(kuò)容時(shí)，只需要通過后臺(tái)操作，就可以實(shí)現(xiàn)邏輯小區(qū)的自由配置。在基帶資源處理能力上，數(shù)字室分相比DAS系統(tǒng)具有革命性的優(yōu)勢(shì)，特別適合高容量、高價(jià)值場(chǎng)景。數(shù)字室分自誕生起，就以優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)特性獲得了廣泛關(guān)注，在解決高需求場(chǎng)景上發(fā)揮了非常重要的作用。

2.2.4 建設(shè)成本

和傳統(tǒng)室分相比，數(shù)字室分增加了數(shù)字化轉(zhuǎn)換功能，預(yù)留了大量的基帶能力，因此建設(shè)成本，特別是設(shè)備成本過高，同樣也是數(shù)字室分最大的特點(diǎn)。這個(gè)問題從4G時(shí)代數(shù)字室分誕生起就非常突出，成本問題是影響數(shù)字室分廣泛使用的最大瓶頸。

3 數(shù)字室分設(shè)備成本組成

作為5G室內(nèi)覆蓋的首選，數(shù)字室分的建設(shè)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。在建設(shè)過程中，如何更高效地利用數(shù)字化室分，合理地控制建設(shè)成本，是5G時(shí)代的一個(gè)重要課題。然而，數(shù)字室分在體現(xiàn)了設(shè)備商對(duì)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)理解的同時(shí)，還承載著對(duì)利潤的預(yù)期，因此數(shù)字室分的設(shè)備成本組成十分復(fù)雜。

3.1 設(shè)備成本構(gòu)成

根據(jù)功能網(wǎng)元不同，可以將數(shù)字室分的設(shè)備成本劃分為基帶單元、擴(kuò)展單元、射頻單元、軟件、輔材和服務(wù)費(fèi)等部分。

3.1.1 硬件成本

硬件成本包括基帶單元、擴(kuò)展單元、射頻單元三大功能單元以及輔材成本。根據(jù)當(dāng)前主流5G數(shù)字室分設(shè)備定價(jià)規(guī)則，擴(kuò)展單元和射頻單元設(shè)備成本需要考慮設(shè)備本身及安裝組件等關(guān)鍵配套材料[6]。

基帶單元的設(shè)備成本包括機(jī)框和所有板卡模塊(典型配置包括BBU機(jī)框、主控板、基帶板、安裝套件等)。輔材成本包括光模塊、線纜等附屬材料。服務(wù)費(fèi)和軟件為非硬件部分，考慮到都需要支付給設(shè)備廠家，因此也納入設(shè)備成本范疇。服務(wù)費(fèi)為設(shè)備廠商進(jìn)行調(diào)試開通等服務(wù)記取的相關(guān)費(fèi)用。

3.1.2 軟件成本

軟件成本是5G數(shù)字室分設(shè)備成本的核心，是5G研發(fā)投入的體現(xiàn)以及基帶能力的具體量化，同時(shí)也是價(jià)格計(jì)算中的難點(diǎn)。典型的軟件成本包括數(shù)字室分載頻軟件功能、網(wǎng)管軟件、基帶合并功能等。軟件的計(jì)算規(guī)則相對(duì)復(fù)雜，且不同軟件量綱不同，如基帶合并功能大多按照擴(kuò)展單元數(shù)量記取，而載頻軟件包則受pRRU數(shù)量、劃分無線邏輯小區(qū)數(shù)量、組網(wǎng)規(guī)則等多個(gè)因素影響，計(jì)算規(guī)則最為復(fù)雜。

3.2 數(shù)字室分成本控制點(diǎn)

數(shù)字室分的設(shè)備成本是一種典型的多量綱計(jì)費(fèi)模式，各組成部分成本的受控因素較多，基帶能力、組網(wǎng)接口能力、傳輸能力等都會(huì)對(duì)設(shè)備成本產(chǎn)生影響，并且各控制點(diǎn)還存在互相制約或綁定的情況。經(jīng)過分析整理，雖然可確定關(guān)鍵的成本控制點(diǎn)，但在實(shí)際進(jìn)行設(shè)備采購或組網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，很難做到多個(gè)控制點(diǎn)同時(shí)把控，不易形成高效的管控方案。如表1所示，使用5G數(shù)字室分實(shí)際組網(wǎng)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注四大類和11個(gè)成本控制點(diǎn)。

表1 數(shù)字室分設(shè)備成本主要控制點(diǎn)

4 數(shù)字室分設(shè)備成本分析方法

為了更深入理解數(shù)字室分設(shè)備成本構(gòu)成，清楚把握設(shè)備成本控制點(diǎn)，本研究需要在實(shí)際建設(shè)組網(wǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，抽象建立一種分析模型，便于設(shè)計(jì)、規(guī)劃、采購環(huán)節(jié)更好地把握成本變化趨勢(shì)和各環(huán)節(jié)內(nèi)在聯(lián)系。

4.1 分析模型建立

為了簡(jiǎn)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，暴露成本組成的核心，通過建立以下模型進(jìn)行分析：(1)每臺(tái)BBU、每臺(tái)擴(kuò)展單元下掛的pRRU需要盡量接近理論上限。(2)基帶資源保持最低配置，暫不考慮容量需求額外增加軟件容量情況。(3)以每pRRU平均成本作為核心對(duì)比指標(biāo)。

本模型的特點(diǎn)是：基帶單元、擴(kuò)展單元、基帶軟件都處于最大利用狀態(tài)。整個(gè)室分系統(tǒng)總設(shè)備成本為理論最低值，有效簡(jiǎn)化軟件費(fèi)等多量綱計(jì)算的復(fù)雜度。

本研究通過分析每pRRU平均成本隨pRRU數(shù)量變化的規(guī)律，分析數(shù)字室分組網(wǎng)規(guī)模對(duì)設(shè)備成本的影響。

現(xiàn)實(shí)組網(wǎng)時(shí)，不論因具體需求增加擴(kuò)展單元，或由于容量負(fù)荷增加基帶軟件，造成總成本額外增加，這部分成本可以在本模型基礎(chǔ)上增加。

針對(duì)不同規(guī)格的數(shù)字室分設(shè)備，可同時(shí)建立多個(gè)分析模型進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

4.2 典型規(guī)格數(shù)字室分成本分析

綜合當(dāng)前主流設(shè)備商5G數(shù)字室分產(chǎn)品，選擇某設(shè)備廠家兩種規(guī)格到室分設(shè)備建立分析模型。兩種設(shè)備基礎(chǔ)規(guī)格相同，采用3.5 GHz頻段，4T4R模式，單通道功率250 mW，內(nèi)置天線，光電復(fù)合纜傳輸。無線頻寬參數(shù)不同，分別選用100 MHz和200 MHz兩種。組網(wǎng)規(guī)則參數(shù)相同，為每基帶單元最大支持48個(gè)pRRU，每擴(kuò)展單元最大支持8個(gè)pRRU，每16個(gè)pRRU需要計(jì)取一個(gè)軟件單元。兩種5G數(shù)字室分設(shè)備成本變化模型如圖1所示。

圖1 兩種典型規(guī)格數(shù)字室分設(shè)備成本模型

5 分析結(jié)論

5.1 數(shù)字室分設(shè)備成本典型特征

通過分析兩種規(guī)格數(shù)字室分在分析模型下的單pRRU成本變化情況，可以確定5G數(shù)字室分設(shè)備成本的3個(gè)典型特性。

第一，設(shè)備規(guī)格不同，成本差異明顯。設(shè)備的規(guī)格，特別是無線頻譜能力，需要靠大量的基帶資源實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)設(shè)備成本的影響十分明顯。200 MHz頻寬的pRRU硬件成本約是100 MHz類型的1.4倍，此外，還要匹配使用更高規(guī)格的軟件，擴(kuò)展單元也需要提升規(guī)格。

第二，單pRRU成本隨設(shè)備數(shù)量增加呈下降趨勢(shì)，BBU作為提供基帶能力的實(shí)體，不論pRRU的使用數(shù)量，都需要在建設(shè)初始一次性投入，隨著pRRU使用數(shù)量的增加被逐步分?jǐn)偂?/p>

第三，單pRRU成本的周期性躍升，pRRU數(shù)量每增加8個(gè)，單pRRU成本即出現(xiàn)一次躍升，并且每16個(gè)pRRU躍升幅度更大。發(fā)生變化的原因是，擴(kuò)展單元的接口數(shù)量為8個(gè)，第9臺(tái)pRRU需要增加1臺(tái)擴(kuò)展單元。而每個(gè)載頻軟件允許接入16臺(tái)pRRU，第17臺(tái)pRRU需要增加1個(gè)軟件。如擴(kuò)展單元設(shè)備接口規(guī)格變化，或載頻軟件與pRRU個(gè)數(shù)關(guān)系變化，躍升的規(guī)律會(huì)出現(xiàn)變化，但躍升情況仍然存在。

5.2 數(shù)字室分設(shè)備成本分析結(jié)果

進(jìn)一步分析兩種規(guī)格數(shù)字室分設(shè)備成本占比的變化情況，可以得出兩個(gè)結(jié)論。

第一，pRRU成本始終為數(shù)字室分總成本最大組成，但在不同規(guī)格的設(shè)備模型中，pRRU成本在總成本中的占比相對(duì)穩(wěn)定。

第二，pRRU規(guī)格提升，軟件成本占比大幅增加。這兩個(gè)特征體現(xiàn)了前文反復(fù)強(qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)，即基帶(載頻)資源是數(shù)字室分的核心，在5G數(shù)字室分設(shè)計(jì)中，如何規(guī)劃和分配基帶資源，需要格外注意。

6 結(jié)語

5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歷次無線移動(dòng)通信換代，數(shù)字室分的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度仍有很大提升空間。因頻譜、組網(wǎng)方式不同，數(shù)字室分的產(chǎn)品種類眾多，并且仍在不斷變化之中。在這種情況下，進(jìn)行大規(guī)模建網(wǎng)，更需要有效控制建設(shè)成本。本文所屬模型可以有效實(shí)現(xiàn)細(xì)化分析，并提高管控程度，在網(wǎng)絡(luò)需求、建設(shè)效率與投入上取得平衡。