5G前傳技術(shù)方案可行性分析和應(yīng)用策略研究

  針對(duì)業(yè)界聚焦的 5G 前傳光纖直驅(qū) Duplex、BiDi 方案和低成本 CWDM、 LWDM、MWDM、DWDM方案，首先對(duì)不同類(lèi)別區(qū)域的光纜管道建設(shè)需求和規(guī)模應(yīng)用時(shí)的綜合成本建立了數(shù)學(xué)計(jì)算模型，采用定量的方法對(duì)其進(jìn)行了全面預(yù)測(cè)。然后從工程建設(shè)可行性和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本兩方面對(duì)5G前傳各技術(shù)方案規(guī)模應(yīng)用的可行性進(jìn)行了論證分析。最后給出了5G前傳網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和各技術(shù)方案的應(yīng)用策略建議，供電信運(yùn)營(yíng)商評(píng)估和制定網(wǎng)絡(luò)建設(shè)技術(shù)方案時(shí)參考。

  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(yíng)商5G前傳的主要建設(shè)模式，但CRAN也增加了對(duì)末端光纖資源的消耗和對(duì)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(yíng)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(guò)定量分析，論證5G前傳技術(shù)方案的應(yīng)用策略。

  01 5G 前傳技術(shù)方案簡(jiǎn)介

  按照技術(shù)類(lèi)型，業(yè)界共提出了光纖直驅(qū)、低成本 WDM和電層匯聚三大類(lèi)5G前傳解決方案，如圖1所示。

圖1 5G前傳技術(shù)方案

  其中光纖直驅(qū)方案在A(yíng)AU與DU端口之間直接使用光纖連接，根據(jù)采用的光模塊類(lèi)型分為雙纖雙向(Duplex)和單纖雙向(BiDi) 2種技術(shù);低成本WDM方案在A(yíng)AU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×25GWDM-PON等5種技術(shù)方案;電層匯聚方案在A(yíng)AU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(jiǎn)易OTN和低時(shí)延分組2種技術(shù)方案。

  簡(jiǎn)易OTN和低時(shí)延分組方案需要對(duì)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(duì)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(jiǎn)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WDM中的CWDM、LWDM、MWDM和DWDM方案。

  02 工程建設(shè)可行性分析

  業(yè)務(wù)開(kāi)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(yíng)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(mǎn)足目標(biāo)需求，對(duì)電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)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(hù)專(zhuān)線(xiàn)等3類(lèi)業(yè)務(wù)。根據(jù)近年來(lái)電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，本文按以下原則對(duì)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(duì)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200M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(duì)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(duì)末端接入光纜纖芯需求目標(biāo)見(jiàn)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(duì)其覆蓋區(qū)域業(yè)務(wù)量大小的評(píng)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(lèi)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(lèi)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(cè)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(hù)密度參照城市建成區(qū)人口密度劃分，中心城區(qū)按2萬(wàn)人/km2、7000戶(hù)/km2，普通城區(qū)按1萬(wàn)人/km2、3500戶(hù)/km2，并按25%的市場(chǎng)占有率估算。

  c)大客戶(hù)密度參考建成區(qū)樓宇密度和相關(guān)市場(chǎng)公開(kāi)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(zhǎng)為4~10km，以末端接入距離不超過(guò)1km為原則，不同環(huán)長(zhǎng)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(hù)按分光比1∶32、大客戶(hù)按2芯/條，以接入主干光纜的環(huán)長(zhǎng)為變量，計(jì)算出不同環(huán)長(zhǎng)接入主干光纜滿(mǎn)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(zhǎng)接入主干光纜需求

單位：條

表5 5G中后期不同環(huán)長(zhǎng)接入主干光纜需求

單位：條

  2.3 工程建設(shè)可行性評(píng)估

  根據(jù)5G前傳各技術(shù)方案對(duì)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(duì)于管孔資源豐富(至少2孔)的區(qū)域具備建設(shè)可行性，對(duì)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(mǎn)足區(qū)域5G等業(yè)務(wù)的接入，工程建設(shè)可行性最強(qiáng)。

  03 經(jīng)濟(jì)性分析

  3.1 分析對(duì)象

  為能夠相對(duì)真實(shí)客觀(guān)地對(duì)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)200M頻譜寬度的 5G基站為分析對(duì)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(duì)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(píng)估界面為圖2 中虛線(xiàn)框內(nèi)所涉及的設(shè)備、光纜和管道。

圖2 造價(jià)評(píng)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(chǎng)調(diào)研情況，各種光模塊相對(duì)成本對(duì)比如圖3所示，參考已規(guī)模商用的10km25G Duplex和BiDi光模塊的市場(chǎng)平均價(jià)格，計(jì)算出各種光模塊單位造價(jià)模型(見(jiàn)表6)。

圖3 各種25G光模塊相對(duì)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(chǎng)調(diào)研情況，各種合分波器相對(duì)成本對(duì)比如圖4所示，參考已規(guī)模商用的6波無(wú)源 CWDM合分波器的市場(chǎng)平均價(jià)格，得出的各種合分波器單位造價(jià)模型見(jiàn)表7。

圖4 各種合分波器相對(duì)成本

表7 5G前傳合分波器關(guān)鍵功能器件組成

  .2.3 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換板卡造價(jià)分析

  DWDM設(shè)備波長(zhǎng)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(jiàn)表8，計(jì)算出各方案單站設(shè)備造價(jià)如表9所示。

表8 各系統(tǒng)設(shè)備組成

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(lái)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(duì)較低。按共建共享方式建設(shè)時(shí)單位造價(jià)5萬(wàn)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(mǎn)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(zhǎng)度為變量x，接入主干光纜平均占用長(zhǎng)度為4km。各方案單站綜合造價(jià)曲線(xiàn)分別如圖5和圖6所示。

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)

  從圖5和圖6可以得出以下4條結(jié)論。

  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0.8km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WDM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(zhǎng)優(yōu)勢(shì)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(shì)主要體現(xiàn)在后期2種方案的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上。

  04 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(chǎng)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(wàn)元以?xún)?nèi)，低成本WDM 方案相對(duì)光纖直驅(qū)方案更能體現(xiàn)出價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

  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(duì)理想的方案。

  d) 光纖直驅(qū)方案嚴(yán)重占用管線(xiàn)資源，綜合成本高，工程建設(shè)周期長(zhǎng)、難度大，僅適用于現(xiàn)網(wǎng)纖芯資源非常豐富、能夠滿(mǎn)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(mǎn)足5G接入需求，建議優(yōu)先采用無(wú)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(guò)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(guò)多的問(wèn)題，建議統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，利用O波段低色散優(yōu)勢(shì)，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)。

  05 結(jié)束語(yǔ)

  本文根據(jù)各方案功能組成建立模型，對(duì)規(guī)模應(yīng)用后的成本進(jìn)行估算，從而評(píng)估各方案應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性。但實(shí)際市場(chǎng)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(wàn)別，各地應(yīng)根據(jù)本地區(qū)市場(chǎng)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。

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  作者：王義濤、錢(qián)永良、段宏