面向5G的室內數字化系統傳輸線纜研究

楊定楚，王 權，祝 琳（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州450007；.中國聯合網絡通信集團有限公司，北京 00033）

0 引言

正如2G伴隨語音，3G伴隨數據，4G伴隨移動互聯網，人們對5G的期待則是：以超大帶寬、超低時延和超強連接的能力，使能全行業數字化，成為社會基礎的生產力。統計表明，目前4G移動網絡中超過70%的業務發生在室內場景。伴隨5G業務種類持續增多和行業邊界不斷擴展，運營商室內移動網絡將更加重要，將是運營商在5G時代的核心競爭力之一。面向5G的室內覆蓋數字化系統（DIS），也必將成為未來5G室內業務提供基礎能力的主要建設方式。

5G的更高速率提出了更高的CPRI接口要求，室內分布系統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數字化室分面臨的主要問題。

1 5G室內業務與網絡分析

1.1 5G室內業務與網絡要求

4G承載的是“移動互聯網”，而5G的定位不僅僅是能為用戶提供更好體驗和更多業務的eMBB網絡，更是連接行業的網絡。因此，5G將不僅僅是簡單的一張通信網，更是作為底層網絡深入到社會各行各業。增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、自動駕駛、智慧家庭、無線醫療、遠程教育、新社交網絡、個人AI輔助、工業制造和物聯網等業務領域將會得到5G技術的支撐。這意味著5G時代的業務場景與4G相比差異巨大，也對5G網絡提出更高的技術要求［1-3］（見表1）。

根據ITU-R對不同業務應用對網絡的要求以及室內關鍵業務場景，對5G室內網絡關鍵指標定義如下（見表2）。

表1 5G的八大新業務的參數指標

表2 ITU-R定義的5G和室內5G目標網關鍵能力指標

容量：2022年高清視頻和各類VR業務滲透率合計超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室內高容量場景：容量密度2.5 Gbit/s/1 000 m2。

時延：智能制造要求低至1 ms的網絡時延及99.999%高可靠的網絡。

新業務：越來越多室內業務需要精準定位。如商場展館的室內導航客流監控（5 m）、制造園區的資產盤點物料跟蹤（1 m）。

1.2 室內數字化系統是5G室內覆蓋的重要選擇

表3給出了傳統DAS與DIS比較。從表3可以看出，面向5G部署傳統DAS相對于DIS存在較多的難點和劣勢，傳統DAS已經很難承載5G業務［4］。

綜上，對于面向5G的室內網絡，傳統室分向5G演進改造問題多，室內數字化系統將成為重要的技術選擇。

表3 傳統DAS與DIS比較

1.3 室內數字化系統分析

1.3.1 室內數字化系統架構

室內數字化系統并非5G時代的新生事物，早在4G中期，為了應對MBB時代數據流量的爆發，主設備廠商就推出了數字化的室分系統。圖1為某設備廠商的數字化的室分系統架構。

圖1 室內數字化系統架構

室內數字化系統架構包含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 室內數字化系統特征

頭端有源化、運維可視化和傳輸線纜的IT化是室內數字化系統的3個基本特征。這3個特征很好地匹配了4G室內網絡的發展，DIS也成為室內網絡建設的首選。

a）頭端有源化。室內數字化系統的頭端既可以組合成一個小區進行連續覆蓋，解決業務移動性問題，又可以進行小區分裂，極限場景每一個頭端都能分裂成一個小區，可以靈活地匹配室內熱點的容量訴求，所有操作均可由軟件遠程完成。

b）運維可視化。室內數字化架構端到端可管可控。

c）傳輸線纜IT化。室內數字化系統使用IT線纜，如網線和光纖，可獲得性強，施工簡易，成本更低。

1.3.3 室內數字化系統向5G演進關鍵問題

面向5G演進DIS的頭端有源化，支持多頻多模，集成4G和5G，未來進行簡單的頭端替換就可以支持5G，使之具備了向5G演進的基本能力。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，不能平滑地向5G演進。因此傳輸線纜的選擇，成為DIS向5G演進需要回答的關鍵問題。

2 面向5G演進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

在室內數字化的架構中，pRRU負責射頻和中頻處理，將空口的射頻信號解調之后，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控制數據和CPRI用戶數據的傳輸通道。BBU將CPRI信號合并之后，還原成IP數據，通過前傳網，實現全IP的數據通信。

根據5G目標網推導的結果，DIS需要支持4G和5G多頻多模并發，5G需要支持4T4R。以中國聯通當前的4G網絡頻譜為例，假設中國聯通在5G獲得C Band 100 MHz頻帶，推算所需CRPI帶寬。

表4給出了中國聯通的Sub 3G和C-Band頻段的天線技術。

表4 中國聯通的Sub 3G和C-Band頻段的天線技術

載波占用CPRI帶寬計算方法：

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×數據位寬×2（IQ）×天線數×載波數

式中：

采樣率——1 s內采樣點數，比如LTE 20 MHz帶寬采用的是30.72 MHz采樣率

數據位寬——對于LTE在非壓縮CPRI情況下，下行15 bit，上行12 bit

CPRI壓縮比——未壓縮數據所占帶寬與壓縮后數據所占帶寬之間的比值

CPRI壓縮特性通過壓縮I/Q數據位寬和降低樣點的采樣率來降低CPRI數據對CPRI帶寬的需求，使每個CPRI端口支持更多的載波或RRU/RFU/pRRU個數。

LTE協議規定頻譜利用效率可達90%，NR協議規定的頻譜利用率可達到98%，NR的頻譜利用率遠高于LTE的頻譜利用率，NR為了達到協議規定的指標要求，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。無線網絡BBU與RRU間的前傳網絡采用CPRI傳輸協議，傳輸鏈路上除了業務IQ數據外，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關系

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

表7 不同線速率情況下，頻段帶寬、CPRI速率的映射關系

2.1.2 供電要求

室內數字化組網中，為簡化供電和線纜配套，遠端設備都由匯聚RHUB設備集中供電，供電距離的長短及線纜選擇取決于遠端設備的功耗。

按照業界當前的能力，室內設備每通道的功耗在7~12 W，不同設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 遠端設備的功耗需求

表9 CAT5E、CAT6A和光電復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ISO/IEC 11801標準分類，考慮早期線纜規格較低，室內數字化系統在4G時代的帶寬要求已經大于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類網線，最大帶寬能夠達到3.072 Gbit/s，以及超六類線，最大帶寬能夠達到 10.137 Gbit/s［6-11］。

光纜的特點是抗電磁干擾性極好、保密性強、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，以多個模式同時傳輸，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。

POE是指在現有的以太網CAT5布線基礎架構不做任何改動的情況下，為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等）在傳輸數據信號的同時，為此類設備提供直流供電。POE也被稱為基于局域網的供電系統（POL—— Power over LAN）或有源以太網（Active Ethernet），有時也被簡稱為以太網供電，這是利用現存以太網傳輸電纜同時傳送數據和電功率的最新標準規范，并保持了與現存以太網系統和用戶的兼容性。

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

DC電源線供電拉遠計算說明：

式中：

P——拉遠模塊的最大實測功耗（W）

U——拉遠設備的最低工作電壓（V）

L——電源線拉遠長度（m）

γ——銅導體的電導率，取值為57 m/Ω·mm2

ΔU——拉遠電纜線壓降（V）

S——電源線導體截面面積（mm2）

如圖2所示，1.5 mm2電源線在拉遠200 m情況下（52~60 V）［12］，源端不同輸入電壓下的遠端設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 源端電壓與遠端設備功率之間的關系

2.3 傳輸線纜的選擇

根據前面章節對5G的CPRI傳輸帶寬、線纜的傳輸和供電能力的全面分析，4G時代主流的CAT5E網線已不能滿足5G傳輸和供電需求。CAT6A網線和光電復合纜將成為5G時代線纜的入門條件，如表10所示，根據不同線纜類別和拉遠距離，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距離對應支持的LTE與5G NR頻譜資源配置方案

2.4 傳輸線纜部署實例分析和方案建議

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

遠端設備功耗與具體頻譜配置相關，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，且遠端盒子功耗可以在71 W以下，那么可以采用雙CAT6A網線，或者采用1根光電復合纜，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或者后續毫米波場景，那么遠端設備的功耗將會超過71 W，甚至達到100 W以上，屆時將只有光電復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端設備功耗，建議選擇單根光電混合纜方案，支持更大的演進能力，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 結束語

5G的超大帶寬、超低時延、超高可靠性、超多連接、超高業務擴展性以及超高精度室內定位能力等特點，將有力支撐未來AR/VR、超高清視頻、智能制造、智能醫療等新生室內業務，同時也決定了室內數字化系統將是5G室內分布系統的主流技術。

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的室內數字化系統的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，決定了線纜的選擇成為5G室內數字化系統建設的關鍵，根據5G室內數字化系統的技術要求及線纜能力分析，給出了5G室內數字化系統全面使用CAT6A網線替代CAT5E網線建議，同時建議做好光電復合纜或CAT6A網線的預埋，為室內分布系統向5G演進奠定技術基礎。