共建共享模式下5G前傳承載方案研究

張國新，魏可欣，魏賢虎

(1.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，南京 210019； 2.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215031)

0 前 言

第五代移動通信技術(shù)(The 5th Generation Mobile Communication Technology，5G)是最新一代商用部署的無線移動通信技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面有較大創(chuàng)新，峰值速率較第四代移動通信技術(shù)(The 4th Generation Mobile Communication Technology，4G)有十倍的提升，毫秒級的信息傳輸時延和千億級的鏈路連接能力，成為了數(shù)字經(jīng)濟時代萬物互聯(lián)和人機之間深度交互的重要基礎(chǔ)。 5G作為一種通用技術(shù),將在全球范圍內(nèi)構(gòu)建經(jīng)濟社會中各行業(yè)數(shù)字化向信息技術(shù)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵基礎(chǔ)性技術(shù)配套設(shè)施，推動傳統(tǒng)領(lǐng)域的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息智能化的升級，成為下一個萬億規(guī)模的國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟增長的新動力。

2019年9月，中國電信和中國聯(lián)通聯(lián)合公布，計劃采用共建共享的模式組織5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，共同打造新一代信息通信服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，創(chuàng)新商業(yè)模式和業(yè)態(tài)，促進產(chǎn)業(yè)融合創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的發(fā)展，共建網(wǎng)絡(luò)強國。5G共建共享給5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，特別是5G前傳技術(shù)方案的選擇帶來了深遠的影響。本文將對5G前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及承載需求進行分析，提出5G前傳建設(shè)方案選擇建議，并給出相關(guān)建設(shè)指導(dǎo)原則。

1 5G前傳技術(shù)架構(gòu)

基于 5G無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)架構(gòu)的變化，5G前傳主要用于提供無線側(cè)網(wǎng)元設(shè)備有源天線單元(Active Antenna Unit，AAU)與集中單元(Centralized Unit，CU)/分布單元(Distributed Unit，DU)兩者之間的數(shù)據(jù)傳送。5G前傳主要有兩種部署場景，分別為分布式RAN(Distributed-RAN，D-RAN)和集中式RAN(Centralized-RAN，C-RAN)，其中C-RAN場景根據(jù)集中的基站規(guī)模差異可進一步細分為C-RAN小集中和C-RAN大集中這兩種模式。結(jié)合中國電信和中國聯(lián)通現(xiàn)有本地網(wǎng)光纜網(wǎng)架構(gòu)及基站部署情況，可將5G RAN的組網(wǎng)方式分為以下3種部署場景，對應(yīng)承載網(wǎng)絡(luò)分段示意如圖1所示。

圖1 面向不同 RAN 部署架構(gòu)的承載網(wǎng)絡(luò)分段

(1) C-RAN大集中：選取一般機樓/接入?yún)R聚機房進行CU/DU統(tǒng)一部署，相應(yīng)機樓/機房通常位于匯聚層中繼光纜與接入主干層光纜的交界處，大集中模式下覆蓋的基站數(shù)量一般為10～60個。

(2) C-RAN小集中：選取接入局所進行CU/DU 統(tǒng)一部署，一般位于接入主干層光纜與配線層光纜交界處，小集中模式下連接基站數(shù)一般為5～10個。

(3) D-RAN：選取宏站機房進行CU/DU 分布部署，覆蓋的基站數(shù)為 1～3個。

為降低機房要求、節(jié)約機房投資和提升部署效率，在共建共享建設(shè)模式下，5G RAN組網(wǎng)方式原則上以C-RAN為主。當前5G前傳主流技術(shù)方案主要包括光纖直驅(qū)、無源粗波分復(fù)用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)、中粗波分復(fù)用(Middle Wavelength Division Multiplexing,MWDM)和細波分復(fù)用(Little Wavelength Division Multiplexing,LWDM)等。在C-RAN組網(wǎng)模式下，CWDM方案相較光纖直驅(qū)方案，顯而易見的優(yōu)點是節(jié)省主干光纖，大幅降低了初期建網(wǎng)成本；MWDM和LWDM方案相對于CWDM方案而言，在設(shè)備可維護管理性和可靠性方面有一定的優(yōu)勢，但產(chǎn)業(yè)鏈成熟度有所欠缺且技術(shù)成本較高，同等接入能力情況下，MWDM和LWDM方案成本至少為CWDM方案的兩倍以上。電信聯(lián)通共建共享模式下，對于5G基站的建設(shè)成本有比較高的管控要求，綜合考慮建網(wǎng)成本及技術(shù)成熟度，CWDM方案成為5G規(guī)模建設(shè)階段的首選方案。

2 5G前傳承載實施方案

2.1 5G前傳承載需求分析

5G前傳的承載需求主要表現(xiàn)在帶寬、時延和時間同步3個方面。在帶寬方面，Sub6 Gbit/s/100 MHz前傳接口帶寬需求為3×25 Gbit/s；在時延方面，國際標準化組織要求前傳雙向時延在100 μs以內(nèi)；在時間同步方面，5G基本業(yè)務(wù)時間同步要求在+/-1.5 μs以內(nèi)。共建共享模式下，前傳承載需求相對于獨立組網(wǎng)主要體現(xiàn)在帶寬和光纖需求方面。共建共享時，相應(yīng)的基站支持200 MHz頻譜能力，可以采用200 MHz獨立載波或共享載波方式使用相應(yīng)頻譜資源。對于200 MHz獨立載波或共享載波基站，CU/DU都需要配置6個25 Gbit/s增強性通用公共無線電接口(enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI)，相較100 MHz基站來說，光纖的需求數(shù)量翻倍。

5G基站建設(shè)分為兩種場景：場景1只采用200 MHz獨立/共享載波進行3.5 Gbit/s基站部署，CU/DU配置6個25 Gbit/s前傳接口；場景2采用200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站+2.1 Gbit/s基站進行基站部署，3.5 Gbit/s基站CU/DU配置6個25 Gbit/s前傳接口，2.1 Gbit/s基站CU/DU配置3個10 Gbit/s前傳接口。兩種不同場景對應(yīng)的承載需求如表1所示，場景2對應(yīng)的承載方案示意圖如圖2所示。

表1 前傳承載需求

圖2 共建共享5G基站前傳架構(gòu)示意圖

2.2 5G前傳承載實施方案

在進行現(xiàn)網(wǎng)部署時，應(yīng)結(jié)合5G的基站規(guī)劃目標以及當前網(wǎng)絡(luò)的光纜資源現(xiàn)狀情況，合理選擇相應(yīng)站點的前傳承載方案，降低網(wǎng)絡(luò)綜合建設(shè)成本。對于采用D-RAN場景部署的基站，AAU與CU/DU位于同站址，建議配置單纖雙向白光模塊，采用光纖直連方案進行承載。對于采用C-RAN場景部署的基站，選擇CWDM方案可以有效節(jié)約基站引入光纜和接入主干光纜的纖芯消耗，節(jié)約建設(shè)投資。在C-RAN模式下進行5G基站建設(shè)時，如出現(xiàn)光纜纖芯資源不足的情況，主要存在以下兩種場景：

場景1：基于現(xiàn)有天面疊加且基站光纜空余可用纖芯資源較少(200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站、現(xiàn)有基站光纜空余3/4～7芯可用，200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站+2.1 Gbit/s基站、現(xiàn)有基站光纜空余3/4～10芯可用)，可以考慮兩種前傳承載方案，分別為“單纖雙向光模塊+新建引入光纜”和“CWDM方案”，采用C-RAN模式部署時，“CWDM方案”相對于“單纖雙向光模塊+新建引入光纜方案”，光纖資源需求較少、白光模塊與CWDM成本相差不大，總體綜合建設(shè)成本相對低，在此場景下接入光纜纖芯資源不足時，原則上應(yīng)采用CWDM方案進行部署。

場景2：基于現(xiàn)有天面疊加且基站光纜基本無空余可用纖芯資源(空余2芯及以下)，分兩種情況：

(1) 對于基站引入光纜總芯數(shù)不低于12芯的站點，可考慮采用將原有4G基站光纖直連改CWDM、組織2G/3G基站退網(wǎng)等方式騰退空余纖芯，用于5G基站組網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時可根據(jù)各站點實際情況靈活選擇相應(yīng)纖芯騰退方案。如騰退后空余纖芯數(shù)能達到3/4芯，則5G前傳應(yīng)選擇CWDM方案，可考慮采用4G與5G混傳的方式進行組網(wǎng)，選用10 Gbit/s+25 Gbit/s混合配置的CWDM設(shè)備。

(2) 對于基站引入光纜總芯數(shù)低于12芯的站點，或無法通過騰退方式具備3/4芯空余可用纖芯的站點，直接采用光纜新建方案，新建一條基站引入光纜就近接入光纜交接箱，距離綜合業(yè)務(wù)接入節(jié)點或CU/DU集中點較近時可直接接入綜合業(yè)務(wù)接入節(jié)點或CU/DU集中點。

3 無源波分建設(shè)指導(dǎo)原則

為了保障無源波分建設(shè)工程實施效率，提高無源波分設(shè)備的可維護管理性，進一步加強有線無線專業(yè)的配合，打造技術(shù)先進、覆蓋廣、體驗好和管理高效的5G前傳網(wǎng)絡(luò)，對以往無源波分部署過程中出現(xiàn)的問題進行了歸納總結(jié)，并形成了相關(guān)指導(dǎo)原則，主要包括波長使用原則、CWDM光模塊選擇和項目工程管理要求等3方面內(nèi)容。

(1) 波長使用原則

近期200 MHz獨立/共享載波基站采用2套6波25 Gbit/s CWDM系統(tǒng)疊加的方案，為便于維護管理、統(tǒng)一標準，5G基站部署時，第1、2和3扇區(qū)AAU側(cè)的光發(fā)送分別使用1 271、1 291和1 311 nm波長的光模塊，第1、2和3扇區(qū)DU側(cè)的光發(fā)送分別使用1 331、1 351和1 371 nm波長的光模塊，1 271和1 331 nm、1 291和1 351 nm、1 311和1 371 nm成對使用，此方案下AAU和BBU每扇區(qū)波長選擇參考如表2及圖3所示。

表2 200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站CWDM波長使用原則

圖3 200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站CWDM承載方案示意圖

對于3.5 Gbit/s基站和2.1 Gbit/s基站協(xié)同組網(wǎng)的場景，需采用12波長10 Gbit/s+25 Gbit/s混傳CWDM系統(tǒng)，為了提高無源波分系統(tǒng)可靠性、降低器件成本，建議前6波配置25 Gbit/s光模塊用于3.5 Gbit/s基站承載，后6波配置10 Gbit/s光模塊用于2.1 Gbit/s基站承載?；靷飨到y(tǒng)前6個25 Gbit/s波道的波長使用原則與6波25 Gbit/s CWDM系統(tǒng)的波長使用原則保持一致；對于后6個波長，第1、2和3扇區(qū)RRU的光發(fā)送分別使用1 471、1 491和1 511 nm的光模塊，第1、2和3扇區(qū)BBU的光發(fā)送分別使用1 531、1 551和1 571 nm的光模塊，1 471和1 531 nm、1 491和1 551nm、1 511和1 571 nm成對使用，此方案下AAU和BBU每扇區(qū)波長選擇參考如表3及圖4所示。

表3 200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站+2.1 Gbit/s基站(新建錨點)波長使用原則

圖4 200 MHz獨立/共享載波3.5 Gbit/s基站+2.1 Gbit/s基站CWDM承載方案示意圖

(2) CWDM光模塊選擇

25 Gbit/s CWDM光模塊根據(jù)最大傳輸距離，主要有10和15 km光模塊。根據(jù)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)規(guī)劃，綜合業(yè)務(wù)局站覆蓋半徑一般都在2 km以內(nèi)，因此一般站點采用10 km光模塊即可，個別偏遠站點可考慮采用15 km光模塊。10 Gbit/s CWDM光模塊根據(jù)最大傳輸距離，主要有10、20和40 km光模塊。一般站點采用10 km光模塊即可，個別偏遠站點可考慮采用20 km光模塊。

(3) 項目工程管理要求

用于5G前傳的CWDM設(shè)備應(yīng)與無線主設(shè)備同時立項、聯(lián)合實施。為節(jié)省光纜資源，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)總體成本，快速響應(yīng)移動網(wǎng)建設(shè)需求，應(yīng)加強有線和無線專業(yè)的配合，保證光纜資源及時滿足基站開通要求。為提高前傳線路可靠性，應(yīng)盡量提供不同路由的接入主干光纜供5G前傳使用。

應(yīng)根據(jù)場景因地制宜地選擇建設(shè)方案，建設(shè)方案中應(yīng)明確CWDM光模塊、CWDM復(fù)用器/解復(fù)用器的選擇及相關(guān)安裝要求；CWDM光模塊分為半色標和全色標兩種。半色標的CWDM光模塊符合工業(yè)溫度(-40～+85 ℃)的要求，安裝在AAU側(cè)。全色標的CWDM光模塊符合商業(yè)溫度(0～+70 ℃)的要求，安裝在DU側(cè)。根據(jù)波長使用原則，明確AAU側(cè)和DU側(cè)CWDM光模塊的對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)安裝。CWDM復(fù)用/解復(fù)用器按照設(shè)備標識成對使用，禁止混插，同時要保證CWDM光模塊與CWDM復(fù)用/解復(fù)用器端口一一對應(yīng)，避免錯連。施工過程中，無線主設(shè)備施工單位同步安裝、調(diào)測和驗收，按照相應(yīng)流程和標準完成安裝，確保收發(fā)兩端波長一一對應(yīng)。

4 結(jié)束語

綜上所述，在電信聯(lián)通共建共享模式下，降低綜合建設(shè)成本是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)，在實際網(wǎng)絡(luò)部署時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)光纜纖芯資源使用情況和業(yè)務(wù)發(fā)展需求，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計和施工等環(huán)節(jié)做好充分論證，堅持網(wǎng)絡(luò)綜合成本最低的原則。

在5G前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，CWDM方案具有明顯的優(yōu)勢。在纖芯資源緊張的區(qū)域，新建光纜難度較大或綜合建設(shè)成本較高時，建議5G前傳承載采用無源波分方案，可有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期、減少機房動力改造投資和降低網(wǎng)絡(luò)運營成本。

根據(jù)近兩年電信聯(lián)通共建共享的工程實踐經(jīng)驗，總結(jié)分析了無源波分建設(shè)指導(dǎo)原則，該指導(dǎo)原則具有很好的借鑒及推廣價值，不僅解決了5G前傳場景對光纜纖芯資源的消耗問題，也兼顧了4G網(wǎng)絡(luò)共址共建的需求，社會效益明顯。