無源波分在5G前傳接入中的應用研究

郭文玨，蔡一鴻，駱益民，黃志新，林鐵力，劉雁斌（.中國聯(lián)通廣東分公司，廣東 廣州 5067；.中訊郵電咨詢設計院有限公司廣東分公司，廣東廣州5067）

0 前言

4G時代，受傳輸光纜資源限制和早期建站模式的影響，C-RAN 在中國聯(lián)通的基站建設中未能大規(guī)模應用；5G 時代，目標網架構將采用C-RAN 大集中或者小集中的建站方式，但在C-RAN模式下前傳接入的瓶頸是纖芯資源不足，主干光纜同樣也面臨著光纜纖芯資源短缺問題。

未來5G 建站、家寬和政企業(yè)務的發(fā)展，都需要大量的光纖基礎資源，管道資源日益緊缺。新建光纜在投資成本、協(xié)調、工期等方面的困難，將大大影響網絡建設效率，所以采用低成本、高效、靈活的5G前傳接入方案迫在眉睫。

1 5G對前傳的需求

1.1 5G承載架構需求

根據IMT-2020 5G 承載需求白皮書，5G 建設初期采用DU/CU 合設的2 級架構解決前傳和回傳問題，未來可能采用CU、DU 分離的3 級架構方案。5G 承載架構如圖1所示。

圖1 5G承載架構

4G RAN 組網采用D-RAN 和C-RAN 2 種方案。為了解決機房空間、動力配套、租金增加等問題，同時考慮未來DU 池組化以及成本和網絡的演進，5G RAN組網主要采用C-RAN 模式，實現(xiàn)DU 大集中或小集中。

1.2 廣東聯(lián)通5G前傳接入遇到的難題

a）5G 承載網組網光纜需求大，接入光纜嚴重不足。在3G、4G 建設中，由于IPRAN 承載網能力及端口不足，同時采用大規(guī)模D-RAN，造成網絡規(guī)模偏大及架構不合理，以及考慮未來新的智能城域網接入層設備帶寬及端口能力大大提升，要求每個環(huán)路錨點數(shù)量控制在4～6 個，其中價值區(qū)域每個環(huán)路錨點數(shù)量控制在4～5個；一般區(qū)域每個環(huán)路錨點數(shù)量控制在5～6個。

重新部署的接入層網絡需要大量環(huán)形保護的纖芯資源，且保證紅線外雙物理路由的非同溝同纜光纜資源，但由于現(xiàn)網光纜有50%以上末端接入光纜建設年份在5年以上，尤其是核心城區(qū)有20～30%的光纜是在2G/3G 時期（至少7 年以上）建成的12 芯/24 芯的小芯數(shù)光纜，經過長時間質量劣化和割接，部分接入光纜資源已耗盡。

b）5G 前傳接入光纖需求較4G 翻倍。為降低無線站點安裝難度、減少鐵塔等租賃費，廣東聯(lián)通提出了“傳輸錨點+C-RAN”的接入方式，DU 集中放置，與傳輸設備在同一機房，AAU 與DU 不同機房部署。該方式雖然在建設成本、維護成本和網絡云化上較DRAN 有一定優(yōu)勢，但增加了前傳接入光纖資源消耗。

前期4G 宏站，BBU-RRU 通過RRU 串聯(lián)方式前傳只需2芯就可互連接入；但對于5G宏站，100 MHz頻譜站點DU-AAU 需要3 個25G eCPRI 互連接口，纖芯需求6 芯；在未來共建共享模式下，200 MHz 頻譜站點需要6個25G eCPRI互連接口，纖芯需求為12芯，末端前傳接入纖芯資源已經面臨巨大挑戰(zhàn)。例如每個錨點設備接入不超過8～10 個基站，按光纖直驅接入方式，纖芯總需求為48～60芯。

2 5G前傳解決方案

5G 前傳接入的解決方案有光纖直驅、單纖雙向光模塊、無源波分以及有源/半有源波分等。

2.1 光纖直驅方案

光纖直驅是無線接入的傳統(tǒng)解決方案。在共4G站點原有光纜的纖芯資源充足或者可新建光纜情況下，5G前傳可采用光纖直驅方案。

2.2 單纖雙向光模塊方案

現(xiàn)有4G 基站BBU-RRU 互聯(lián)端口采用10GE 雙纖雙向光模塊，但在5G 前傳纖芯不足的情況下，DUAAU 互聯(lián)端口可采用25GE 單纖雙向光模塊，纖芯需求從6芯降為3芯，同時可保障高精度同步傳輸。

單纖雙向光模塊技術成熟，可通過DU/AAU 主設備配置單纖雙向光模塊快速解決纖芯資源不足區(qū)域業(yè)務接入問題。

2.3 無源波分方案

無源波分方案是基于CWDM 粗波分技術，主要由合分波器、彩光模塊及其他安裝輔材組成。SFP 彩光模塊（前6 波波長為1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm）業(yè)務承載的速率可以達到25 Gbit/s 以上，可支持6 波、12 波、18 波單纖模塊的合波和解波以及多種業(yè)務的混合傳輸，滿足不同速率、不同業(yè)務類型的混合傳輸，解決移動基站前傳、家庭寬帶、智能城域網和政企客戶接入等工程中局部光纖資源不足的問題。

2.4 有源/半有源波分方案

有源波分方案主要是基于DWDM 技術下，分為有源和半有源2種解決方案，主要由有源局端設備、局端模塊（普通模塊）、有源或無源的遠端設備、遠端光模塊（普通模塊/彩光模塊）和合分波器組成。目前業(yè)務承載的速率可以達到10 Gbit/s，而25 Gbit/s 在試驗階段，有源/半無源波分設備可支持6波、12波、40波等不同波數(shù)的合波和解波。

在局端的DU 側，采用有源的WDM 或者OTN 接入型設備；在遠端的AAU 側，有源方案需增加單獨的有源設備，半有源方案則無需新增設備，直接用彩光模塊接入AAU設備。

有源設備上的光模塊采用波長可調諧DWDM 光模塊，波長自適應，與DU/AAU 端口無關，在設備上插入普通灰光模塊后可正常工作，無需波長規(guī)劃。

3 前傳方案對比分析

從技術、建設周期以及成本效益方面對上述4 種5G前傳方案進行對比。

3.1 技術方案對比

從網絡規(guī)劃、組網、保護方案、兼容性、電源引入及網絡運營OAM等方面對比4種前傳方案（見表1）。

3.2 建設周期對比

以5G共用原有4G站址為例，上聯(lián)站點約1 km，原有光纜只剩余3 芯，已無空余纖芯承載新增5G 業(yè)務，可新建48 芯光纜、采用單纖雙向光模塊、新增無源或有源波分設備3種方案進行纖芯擴展。

表1 技術方案對比

3.2.1 新建光纜

如不考慮市政報建或者協(xié)調問題，新敷設1 km 光纜通過光纖直驅方式解決前傳接入，建設周期為5 天左右，如需新增桿路或者管道，建設周期大于10天（見表2）。

表2 新建光纜建設周期

3.2.2 無源波分或者單纖雙向光模塊

利舊原有纖芯，可上站安裝無源波分或者單纖雙向光模塊，無源波分只需1 芯，單纖雙向光模塊需要3芯，2～3天可完成割接開通（見表3）。

3.2.3 有源或半有源波分方案

利舊原有纖芯，上站安裝有源/半有源波分設備，需要協(xié)調設備安裝加電以及調試開通工作，至少需要5～7天完成割接開通（見表4）。

表3 無源波分建設周期

表4 有源/半有源波分設備建設周期

3.3 成本效益對比

從CAPEX、OPEX 成本上分析，在5G 前傳末端接入的建設投資有限的情況下，無源波分方案的TCO 較優(yōu)（見表5）。

如采用新建光纜、有源/半有源波分等前傳方案，每個5G 站點投資約2～3萬，無源波分的投資則可控制在幾千元內。

綜上，在5G前傳纖芯不足的場景下，從技術、建設周期以及成本效益等方面來看，無源波分具有低成本、快速開通的特點。

4 無源波分方案的特點

從承載業(yè)務、兼容性、安裝配置等方面分析，無源波分方案具有低成本、高質量、高靈活性的特點，可節(jié)省光纜建設成本、縮短建設周期。

表5 成本效益分析

a）利用現(xiàn)有光纜的光纖資源，不改變現(xiàn)有網絡構架和布局，同纜纖芯合并，可達到最大18倍纖芯擴展。

b）彩光模塊在無線、數(shù)據、傳輸、接入設備上兼容，適應100M～25G 各種業(yè)務端口，配置靈活，支持數(shù)字診斷功能，使用時可保證模塊的發(fā)光功率、過載點、接收靈敏度、溫度等參數(shù)在原網管上正常顯示。

c）無需供電，設備安裝條件靈活，可支持標準19英寸機架固定、掛墻抱桿、放置在光交箱等等，建設周期短，便于維護。

d）無源波分設備體積小、即插即用、免配置、環(huán)境適應能力強，溫度范圍為-40 ℃～+85 ℃。

圖2 所示的是無源波分（1∶6）方案。圖3 所示的是無源波分（1∶12）方案。

5 無源波分優(yōu)化方案及應用場景建議

5.1 5G前傳無源波分方案

在基站的接入光纜只剩下1 芯，無法滿足6 芯的前傳DU-AAU 互聯(lián)纖芯需求情況下，在DU 側和AAU側機房，各部署1 臺1∶6 的合分波設備（見圖4），以滿足5G DU-AAU的3×25 GeCPRI接口需求。

DU 設備3 個光口分別使用不同波長的彩光模塊（前6 波波長為1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm），與合分波設備連接，合波到1芯后，拉遠到遠端AAU 側的合分波設備恢復為6 波，再通過不同波長的彩光模塊一一對應連接到3個AAU設備的光口上。

圖4 5G前傳無源波分方案

5.2 4G/5G前傳混合傳輸無源波分方案

在基站的接入光纜只剩下1～2 芯，無法滿足12 芯的4G 和5G 前傳DU-AAU 互聯(lián)纖芯需求情況下，在BBU 和RRU 側機房，各部署1 臺1∶12 的合分波設備。4G/5G 混合傳輸前傳方案如圖5所示。

圖5 4G/5G 混合傳輸前傳方案

由于CWDM 技術的后6 波承載25 Gbit/s 速率業(yè)務，需要彩光光模塊芯片增加溫控手段控制溫度，保證光模塊的中心波長范圍在±6.5 nm以內，光模塊成本將為前6波的3～4倍。考慮到成本因素，前6波可用于傳輸5G DU-AAU 的3×25 GeCPRI 接口，后6 波用于傳輸4G BBU-RRU的3×10G CPRI接口。

考慮到無源波分1∶12彩光模塊波長規(guī)格較多，可用2套1∶6無源波分設備代替，但需增加1芯傳輸。

5.3 特殊場景的無源波分方案

在地鐵、高鐵、高速、隧道等鏈型網絡場景下，每個洞室/站點只部署1個RRU（2芯需求）。

以3個洞室為例，在BBU側基站放置1個1∶6無源合分波設備，在每個洞室/站點的RRU側各放置1個1∶6 合分波設備。DU 側3 個光口通過合波器合波為1 芯拉遠到第1個洞室的分波設備，將前2波λ1、λ2分波出來連接到RRU1，第2 個洞室的合分波器通過1 芯與第1 個洞室的合分波器端口互聯(lián)，實現(xiàn)剩余λ3～λ6 波繼續(xù)向后傳輸，完成RRU2、RRU3的光口連接，有效節(jié)省隧道纖芯資源。特殊場景前傳方案如圖6所示。

圖6 特殊場景前傳方案

5.4 深圳聯(lián)通4G/5G混合傳輸試點

本次4G/5G 混合傳輸測試DU 設備位于深圳沙井錦繡和二機房，AAU 設備位于寶安區(qū)沙井和一新村B區(qū)13棟樓頂，無線主設備廠家為中興。

無源波分設備割接后，彩光模塊平均發(fā)送光功率、接收靈敏度在指標范圍內，經中興無線網管確認，5G 業(yè)務運行正常，設備指標正常，與中興無線設備完全兼容，4G/5G混傳滿足承載要求。

6 結束語

在5G 網絡建設初期，堅持綜合TCO 成本最優(yōu)是趨勢，實現(xiàn)低成本建網是基礎，采用多種創(chuàng)新解決方案提高網絡競爭力。在選擇前傳接入方案時，應綜合考慮現(xiàn)有光纜纖芯資源情況和未來5G業(yè)務發(fā)展需求、網絡部署規(guī)劃、投資成本等多方面因素。

根據對各種前傳方案的分析研究，以及在廣深5G網上的測試結果，認為在纖芯不足的區(qū)域，新建光纜建設難度較大或建設成本較高時，采用無源波分方案，可大量節(jié)省建設成本、縮短建設周期、減少機房動力改造投資、降低運營成本，主要評估如下：

a）TCO 效果明顯。前傳采用無源波分方案，單站新建末端接入光纜造價從2.5 萬降低到0.8 萬元左右，降低72%。2020 年，廣東聯(lián)通規(guī)劃新建5G 站點約11 799 個，按照2019 年建設情況，約24.6%站點因纖芯不足需新建光纜，采用無源波分，可節(jié)省建設投資4 934萬以上。

b）靈活兼容，實現(xiàn)多業(yè)務承載。無源波分的彩光模塊可兼容無線、數(shù)據、傳輸、接入設備，支持100M～25G 各種業(yè)務端口，配置靈活，滿足4G/5G、數(shù)字化室分、政企樓宇接入和傳輸?shù)榷鄻I(yè)務承載需求。

c）加快5G 建設進度。無源波分設備安裝簡單，利用現(xiàn)有光纜的少量光纖資源，達到最大18倍纖芯擴展，降低建站難度，大大縮短了建設周期。

大規(guī)模的5G 建網給運營商帶來巨大的成本和能耗的壓力，無源波分方案能大幅降低運營商的投資成本和運營成本，同時該方案具很好的借鑒及推廣價值，社會效益明顯。