面向CRAN的5G前传方案研究
1、前传和CRAN
相对于4G无线接入网(RAN)的基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)两级结构,5G RAN通常采用集中单元(CU)、分布单元(DU)和有源天线单元(AAU)三级结构。相应地,传输将演变为前传、中传和回传三级结构,通常将DU和AAU间的电路传输称为前传,如图1所示。
5G RAN的部署方式分为分布式无线接入网(CRAN)和集中式无线接入网(DRAN),5G接入网云化将推动CU、DU和AAU分离的大规模CRAN部署,此时,DU堆叠在中心机房(如4G的BBU集中机房),AAU分布在远端,如图2所示。
2、5G前传的接口需求
5G商用初期,AAU将主要利用现有RRU的物理站址,而DU也部署在BBU集中机房,因此,5G前传应综合考虑5G和4G混合承载的需求。4G和5G的前传的接口分别为:CPRI和eCPRI,传输速率分别为10G和25G,传输时延小于100um。
前传接口的数量则和每个物理站部署的逻辑站数量有关,以某运营商为例,一个物理站可能部署的逻辑站所使用的频段及端口数见表1;大多数情况下一个物理站10G端口需求为6或9个、25G端口需求为6或9个。
表1 4G和5G的共址站可能使用的频段及端口数
无线系统 |
接口速率 |
端口数 |
说明 |
TDD FA |
10G |
3 |
|
3D-MIMO |
25G |
3 |
|
FDD(900M) |
10G |
3 |
主要覆盖农村 |
FDD(1800M) |
10G |
3 |
主要覆盖城市 |
5G(700M) |
25G |
3 |
|
5G(2600M) |
25G |
3 |
|
注:4G/5G宏站以S111站型为主,部分热点区域有S222/333站;存在部分TDD双频站,也有可能叠加FDD频段,最大情况下会存在TDD双频+FDD双频。 |
3、5G前传方案分析
满足5G前传接口需求的前传方案主要有:光纤直连方案、无源WDM方案、有源WDM方案、SPN方案和WDM-PON方案。
3.1 光纤直连方案
光纤直连方案是将BBU/DU的端口与RRU/AAU的端口采用光纤直接连接的方式,通常每个BBU/DU与RRU/AAU的连接需要2芯,当BBU/DU和RRU/AAU采用BiDi(单芯双向)光模块时,连接的光纤数为1芯。
光纤直连方案组网结构简单、接入方便,但即便采用单芯双向方案,依然需消耗大量纤芯资源,通常每个4G和5G共址站需要36~48芯。按每个站新建36芯光缆0.5km(利用现有管道或杆路资源布放)、利旧原有光缆纤芯2.0km估算,光缆投资约1.2万元。
3.2 无源WDM方案
无源WDM方案的详细介绍详见《无源波分技术及其在4G/5G前传中的应用》一文。
该方案中,由于需要将原有BBU/DU和RRU/AAU的光模块替换成彩光模块,从而增加了彩光模块的成本。当前,用于1个4G/5G逻辑站(3个RRU/AAU)的无源WDM前传方案造价约0.17万元,按每个物理站9个RRU、3个AAU估算,总造价约0.68万元。
3.3 有源WDM方案
由于传统WDM方案造价过高,有源WDM方案主要指低成本WDM方案。
低成本WDM方案采用DMT(离散多载波)算法,用低速的光器件传输高速的信号,从而大大减少了设备成本。例如,传统WDM设备传送10个10GE的信号需要通过10个10G光模块合波成1个100G;而低成本的WDM方案则采用2个10G光模块,通过DMT算法使每个光模块传送50G的信号,再将2个50G信号合波成1个100G,如图3所示。与传统WDM方案相比,低成本WDM方案可使光模块的使用量减少数倍,从而使设备的成本减少1/2以上。
低成本WDM方案的造价和所提供的端口有关,按每个物理站9个RRU、3个AAU估算,总造价约3.5万。低成本WDM方案除造价高外,时延也难以满足5G前传需求。
3.4 WDM-PON方案
WDM-PON采用WDM技术,在OLT与AWG(阵列波导光栅)将多个波长复用在一根光纤上传输,从而节省OLT与AWG间的光纤资源,WDM-PON前传方案的拓扑结构如图4所示。WDM-PON可充分利用现有ODN资源,避免光缆线路的重复建设,降低5G网络部署成本,快速完成5G网络的覆盖。
WDM-PON技术虽然出现较早,由于缺少必要的应用,技术的发展及产业化进程一直比较缓慢。当前,随着5G前传需求的提出,WDM-PON关键技术的相关标准正在进一步完善,但WDM-PON技术实现难度较高、器件的成熟度较低、设备成本较高,近期难以成为主流传输技术。
3.5 几种前传方案的比较
以上共介绍了4种用于5G前传的技术,不同前传方案的对比见表2。
表2 几种前传方案的比较
对比项目 |
无源方案 |
有源方案 |
||
光纤直连 |
无源WDM |
有源WDM |
WDM-PON |
|
机房及配套要求 |
低 |
低 |
高 |
高 |
需求光纤芯数 |
高 |
低 |
低 |
低 |
OAM及可靠性 |
低 |
低 |
高 |
高 |
维护难度 |
中 |
高 |
低 |
低 |
网络成本 |
中 |
低 |
高 |
高 |
技术成熟性 |
高 |
中 |
高 |
低 |
通过对以上几种可用于5G前传技术的对比分析,可得出以下结论:
(1)光纤直连方案对纤芯的消耗量非常大,但总体建维成本并不高;
(2)无源波分方案总体建设成本虽不高,但在维护中存在维护备件较多、光模块色谱难以辨识、链路光功率预算不足、需对每一AAU使用波长进行规划等问题。
(3)有源方案具有较强的OAM功能,可靠性高;但WDM-PON技术尚不成熟,低成本WDM方案的时延难以满足5G前传需求、在逻辑站较少的场景下单端口的造价依然较高。
4、前传方案选择的建议
综上所述,合理的光缆纤芯储备对5G快速建网和持续发展起重要的作用;当前应对5G前传,在需要新建光缆的段落预留充足的纤芯资源依然是最好的选择。具体建议如下:
(1)在现有接入光缆的纤芯数可满足纤芯直连需求,或现有接入光缆的纤芯数虽不满足需求,但光缆建设条件较好且平均每站新建长度不超过1km时,应采用光纤直连方案;
(2)现有接入光缆的纤芯不满足光纤直连需求时,若光缆建设难度较大、或光缆建设成本较高(例如:平均每站新建长度超过1km)、或工程时效性难以满足的情况下,宜采用无源WDM方案;
(3)对安全性要求较高的场景,应尽量采用DRAN方式(用PTN/SPN组环网接入),或采用半有源WDM方案。
图/文:老丁头;审阅:陈一伟
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