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一种用于5G前传的半有源波分复用方案

2020-02-11 22:285G通信 人已围观

简介5G 作为新一代移动通信技术,具有大带宽、低时延和海量连接等特点。可为用户带来革命性的业务体验,也能开发新型商业模式,为运营商提供持续增长的新动力。根据 3GPP 5G RAN 功能切...

  5G 作为新一代移动通信技术,具有大带宽、低时延和海量连接等特点。可为用户带来革命性的业务体验,也能开发新型商业模式,为运营商提供持续增长的新动力。根据 3GPP 5G RAN 功能切分,5G RAN 重构为 AAU、DU 和 CU 多级架构,传送网划分如图 1 所示。前传作为移动承载网的一部分,5G 前传方案的选择将直接影响中国移动的投资和建设效率。大规模建设时,对光缆资源、机房资源、投资和维护等方面都会产生巨大压力。而 5G 标准中,5G 前传对传输的要求较高, 现有前传设备成本均达到万元级别,全网建设将涉及百亿级的投资。如何在满足标准要求情况下,协调资源、成本、技术和安全等各方面因素,选择一个满足运营商需求和适应运营商网络结构的5G 前传方案显得尤为重要。
图1 5G RAN网络架构示意图
  图1 5G RAN网络架构示意图

  1 5G 前传需求分析

  
  1.15G RAN 架构下无线基站部署方案
  
  5G RAN 在前传部分可以分为 D-RAN 和 C-RAN 两种组网结构,可分为如下 3 种场景。
  
  (1)场景 1 :D-RAN 组网,接入本地楼面的 1 个基站。
  
  (2)场景 2 :D-RAN 组网,接入本地楼面的 1 个基站及 1 ~ 2 个拉远站。
  
  (3)场景 3 :C-RAN 组网,包括本地楼面基站及拉远站共接入 5 ~ 20 个基站。
  
  1.2前传接口需求分析
  
  在 5G 建网初期,除了新建独立 5G 宏站(S111)外, 共址站建设时也应同时考虑 4G 和 5G 的需求。
  
  当汇聚机房和管线资源条件具备时,原则上应考虑C-RAN 集中部署,以节约建设和运维成本。如因客观条件限制,也可进行 D-RAN 部署,在条件具备后再进行集中。
  
  中国移动的 5G 频谱为 2.6 GHz 频段和 4.9 GHz 频段,基站存在以下几种站型。
  
  (1)2.6 GHz 单 模 站 型, 仅 支 持 5G(2.6 GHz, 100 MHz 频宽)的单模站型,对于 S111 宏站,前传典型物理接口为 3 个 25 Gbit/s 的 eCPRI 接口。
  
  (2) 2.6 GHz 双模站型,同时支持 4G(2.6 GHz, 60 MHz 频宽)和 5G(2.6 GHz,100 MHz 频宽)的站型。目前,对于 S111 基站,前传典型物理接口为 6 个25 Gbit/s 的 eCPRI 接口,其中 3 个接口承载 5G 前传业务,3 个接口承载 4G 业务。
  
  (3)4.9 GHz 单 模 站 型 :仅 支 持 5G(4.9 GHz, 100 M 频宽),对于 S111 基站,前传典型接口为 3 个25 Gbit/s 的 eCPRI 接口。前传端口类型如下。
  
  (1)GSM/4G FDD(900 MHz 频段)的 S111 基站, 900 MHz 频段,前传需要 3 个 10 Gbit/s 的 CPRI 端口。
  
  (2)4G F 频段(1 800 MHz 频段) 的 S111 基站, 前传需要 3 个 10 Gbit/s 的 CPRI 端口。
  
  (3)4G D 频 段(2 600 MHz 频 段 ) 的 S111 基站,前传需要 3 个 10 Gbit/s 的 CPRI 端口,如果采用5G 双模站承载 4G D 频段,则前传端口至少需要 3 个25 Gbit/s 的 eCPRI 端口。
  
  (4)5G(2 600 MHz 频段)的 S111 基站,前传需要 3 个 25 Gbit/s 的 eCPRI 端口。
  
  (5)5G(4 900 MHz 频段)的 S111 基站,前传需要 3 个 25 Gbit/s 的 eCPRI 端口。
  
  在 5G 建设过程中,集中部署不同站型,可以分为两大类场景。
  
  (1)5G 新建宏站,按照 5G 站型不同搭配可以分为以下 3 种。
  
  第 1 种 :2.6 GHz 单模站,至少需要 3 个 25 Gbit/ s 的 eCPRI 端口。
  
  第 2 种 :2.6 GHz 双模站,至少需要 6 个 25 Gbit/ s 的 eCPRI 端口。
  
  第 3 种 :2.6 GHz 双模站 +4.9 GHz 单模站,至少需要 9 个 25 Gbit/s 的 eCPRI 端口。
  
  (2)5G 新建宏站 +2G/4G 集中化, 按照 5G 站型和 2G/4G 不同频段搭配,可以至少分为以下 3 种。
  
  第 1 种 :2.6 GHz 单模站 +2G/4G 四频段,至少需要 3 个 25 Gbit/s eCPRI 端口 +12 个 10 Gbit/s CPRI 端口。
  
  第 2 种 :2.6 GHz 双模站 +2G/4G 三频段,至少需要 6 个 25 Gbit/s eCPRI 端 口 +9 个 10 Gbit/s CPRI 端口。
  
  第 3 种 :2.6 GHz 双模站 +2G/4G 三频段, 至少需要9 个25 Gbit/s eCPRI 端口+9 个10 Gbit/s CPRI 端口。
  

  2 5G 前传方案分析

  
  满足 5G 前传需求的技术方案,按照技术类型,可以分为光纤直驱方案,无源波分复用方案和有源系统方案等。
  
  2.1光纤直驱方案
  
  如图 2 所示,光纤直驱方案是 AAU 与 DU 的端口采用光纤直接连接,所需的光纤数量取决于采用的光模块类型,主要分为双纤双向光模块和单纤双向光模块两种。该方案所需的光纤数目一般为前传端口数量的 2 倍(双纤双向光模块),或与之相同(单纤双向光模块)。光纤直驱方案可满足 5G 前传低时延和低成本等需求,但该方案需消耗大量纤芯资源,缺乏传输监控、保护和管理等能力。
  图2 光纤直驱拓扑示意图
  图2 光纤直驱拓扑示意图
  
  2.2无源波分复用方案
  
  如图 3 所示,无源波分复用(WDM)方案主要采用 CWDM 技术, 在 AAU 和 DU 设备上安装固定波长的彩光模块,通过无源合分波器将多个前传收发业务复用一根光纤中传输。该方案一般采用 6 波系统承载25 Gbit/s 前传业务,所需光纤为前传端口数的 1/3。如果考虑 4G/5G 业务混合承载,最大可采用 18 波系统,所需光纤可降至前传端口数的 1/9。
  
  无源波分复用方案不需电源接入,可灵活部署,满足 5G 前传低时延和低成本的要求。但是该方案与光纤直驱方案类似,缺乏传输监控、保护和管理等能力。
图3 无源波分复用(WDM)设备组网拓扑示意图
  图3 无源波分复用(WDM)设备组网拓扑示意图
 
  2.3有源系统方案
  
  有源系统方案主要分为有源波分复用(WDM)方案、简易 OTN 方案、SPN 方案和 WDM-PON 等 4 种。
  
  2.3.1有源波分复用方案
  
  有源波分复用方案是在用于汇聚 / 接入层的传统波分设备基础上,增加了用于无线天面户外环境的远端设备,主要采用 40 波 /48 波 DWDM 技术,并提供客户侧与无线设备白光光模块接口对接能力。该方案虽然支持环形组网,但由于从 AAU 到 DU 的光缆线路难以成环,实际上以点对点组网为主,同时支持总线型组网, 最大节省光纤可到达前传端口数的 1/24。
  
  有源波分复用方案可提供自动保护倒换机制,具备丰富的 OAM 管理功能,维护界面清晰,支持前传网络的可管理性和可运维性。但是,该方案的有源设备会引入系统时延,有源设备的电源需求限制了远端设备灵活部署,系统设备功耗通常大于 200 W,更一步提高了网络运营的成本,不满足低成本的要求,设备成本也远高于无源波分复用方案。
  
  有源波分复用方案组网情况如图 4 所示。
图4 有源波分复用方案
  图4 有源波分复用方案
 
  2.3.2简易 OTN 方案
  
  简易 OTN 方案通过 OTN 映射 / 解映射的功能汇聚多路客户侧信号,提供客户侧与无线设备白光光模块接口对接能力,线路侧采用 2 芯光纤,通过 100 Gbit/s 甚至 200 Gbit/s 的高速端口进行线路传输以节省光纤资源。该方案现阶段主要采用 100 Gbit/s 线路端口,最大节约光纤约为前传端口数的 1/4,考虑 5G 单站端口需求至少有 3 个,现阶段实际节约光纤为前传端口数的1/3。
  
  简易 OTN 方案拥有和有源波分复用方案相同的优点及劣势外,还存在线路高速端口容量受限问题, 100 Gbit/s 线路端口仅能满足 5G 新建单模站这一需求。若采用更高速线路端口,则设备成本更会大幅上升。
  
  2.3.3SPN 方案
  
  SPN 技术是中国移动主推的 5G 传送技术,用于前传可实现 5G 时代前传、中传及回传网络的统一管控, 从而降低运维的复杂性。除了以上优势外,SPN 方案具有和简易 OTN 方案相同的优劣势,但是成本高于简易OTN 方案。
  
  2.3.4WDM-PON 方案
  
  WDM-PON 采 用 WDM 技 术, 在 OLT 和 AWG 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 可充分利用现有ODN 资源,避免光缆线路的重复建设,降低 5G 网络的部署成本。
  
  近期,韩国 SKT 公布了 5G-PON 的组网架构,主要应用的是 WDM-PON 技术,采用环形 + 点到多点的二级组网结构,5G-PON 主要由以下三大网元组成 , 组网结构如图 5 所示。
图5 SKT 5G-PON组网结构
  图5 SKT 5G-PON组网结构
 
  CO 终端(COT):COT 是集成了 PON 及波分复用技术有源设备,和 DU 一起部署于集中机房,具有 WDM 波长转换、光链路监视、RN 管理和配置等功能。远程节点(RN):RN 是一个无源波分复用设备,集合了 CWDM 和 DWDM 的合 / 分波器,通过 RN 和Sub-RN 两级波分复用系统扩充光纤利用率。RN 采用环形组网,由 COT 统一管理 ;Sub-RN 采用星型组网, 与 T-SFP 连接。
  
  可调谐 SFP 光模块(T-SFP):T-SFP 安装在 AAU 侧,是可调谐光模块。
  
  以 SKT 的 5G-PON 为例对 WDM-PON 方案分析, 可得到结论。
  
  (1)非对称的设备形态,远端无源 RN 无需供电, 可灵活部署。
  
  (2)可综合承载 3G、4G 和 FTTH 的融合前传网络。
  
  (3)RN 环形组网,通过 COT 控制,具备 ms 级保护恢复能力,但是在高可靠业务时,还是对业务有损伤。
  
  (4)RN 环形 +Sub-RN 星型组网, 适应于 SKT 3G/4G 时代的 WDM 环网架构, 便于 SKT 网络演进,但是,该组网结构不能适应中国移动接入光缆网结构,并且无法利旧原有 PON 网络的分光器。另外,由于 5G 前传时延要求,限制了环网周长在 20 km 以内,进一步限制了覆盖范围。
  
  (5)可调谐 SFP 光模块国内器件成熟度很低,且技术复杂、价格高昂。
  
  (6)WDM-PON 设备国内成熟度较低, 设备成本较高。
  

  3 半有源波分复用方案

  
  为克服现有技术的缺陷,在节约光纤资源、网管及保护能力、设备成本和设备功耗等几个方面做到折中,提出了创新的半有源波分复用方案。本方案基于无源波分复用方案,采用非对称的设备形态,AAU 侧远端采用多形态的无源设备,DU 侧局端采用大容量、多功能的有源设备,主要用于星型组网。该方案同时支持利旧 4G 前传光纤,提供 2G/4G/5G 业务混合传输。本方案的波分复用技术可采用 CWDM、DWDM 等技术对业务进行复用 , 其中 CWDM 一般采用 6 ~ 12 波, DWDM 一般采用24 ~ 48 波。根据波分系统的容量大小, CWDM 一般可节约光纤的 1/12 ~ 1/6,DWDM 一般可节约光纤的 1/48 ~ 1/24。半有源波分复用方案典型组网结构如图 6 所示。
图6  半有源波分复用方案典型组网
  图6  半有源波分复用方案典型组网
 
  3.1远端设备
  
  无线 AAU/RRU 设备采用彩光模块,远端采用无源设备与 AAU/RRU 连接,通过合分波器复用多个波长传输,采用耦合器实现保护恢复功能。考虑无线基站需求的多样性,设计了室内机架、室外挂墙和室外机柜等多种安装方式,以及n ×6 波、n ×12 波、n ×18 波等容量规格多形态设备。
  
  3.2局端设备
  
  无线 DU/BBU 设备首选采用彩光模块,次选采用白光模块(需在设备上增加 Transponder 模块),局端采用低功耗有源设备( 通常功耗低于 30 W) 与 DU/ BBU 连接,通过合分波器复用多个波长传输。采用光开关实现最低 μs 级的保护恢复功能,并通过光功率检测模块监控线路侧及每个波道的光功率。
  
  考虑不同场景的接入需求,设计了 1 ~ 5 U 规格的集成多个光方向的局端设备,以满足 D-RAN 及C-RAN 组网需求。
  
  3.3网管功能
  
  半有源波分复用方案增加了局端设备对整体系统及设备的管理功能,提供网管接口以接入前传网络的网管系统,通过网管系统对前传网络及设备进行配置管理、故障管理、性能管理和网络拓扑管理等功能。
  
  综上所述,半有源波分复用方案有以下特点。
  
  (1)非对称的设备形态,远端无源设备可灵活选择光交箱、楼内分纤箱和天面等部署位置。局端有源设备提供光缆线路保护、光功率监控和网络管理等功能。
  
  (2)采用业界成熟的波分复用技术,统一承载无线2G/4G/5G 业务,采用成本最低的器件有效节省光缆资源。
  
  (3)采用综合网管及资管的概念设计网管系统,有效管理前传网络。
  
  (4)按照 C-RAN 组网的需求设计设备,局端多光方向设备可满足点到多点接入,以 C-RAN 集中机房为圆心多方向接入基站。
  
  (5)满足无线多种场景接入需求,设计多形态的远端设备,最多可接入6 个基站,且每个光方向都相互独立。
  
  (6)每个光方向可以重复使用成本最低的波长光模块。
  
  (7)根据基站业务等级,可选择性采用光缆线路保护功能。
  
  (8)业务保护倒换最高可达到 μs 级别的无损伤保护。
  

  4 5G 前传方案比较分析

  
  4.1典型场景
  
  场景 1 :D-RAN 架构,按 3 个站计算,每个站都为 5G 双模基站,3 个 AAU, 每个 AAU 至少 2 个25 Gbit/s 端口,每个端口需要 2 根光纤。
  
  场景 2 :C-RAN 架构,1 个集中站接入不超过 20 个基站,各基站拉远距离一般在 1 km 以上,按 20 个标准 5G 双模站计算。
  
  4.2各方案节省光纤情况
  
  CWDM 一般采用 6 ~ 12 波(国际标准最大 18 波, 最后 6 波的 25 Gbit/s 模块还在研发中),CWDM 一般可节约光纤的 1/12 ~ 1/6。
  
  DWDM 一般采用 24 ~ 48 波。根据波分系统的容量大小,DWDM 一般可节约光纤的 1/48 ~ 1/24。
  
  简易 OTN 方案线路端口速率为 100 Gbit/s,1 个5G 双模站需要两套设备,可节约光纤 1/3。
  
  半有源方案可采用 CWDM 和 DWDM 技术,在启用保护功能时一套波分系统需主备 2 根光纤。假设运营商 5G 基站规模为 250 万站,平均接入距离 5 km,与光纤直驱方案相比,半有源波分复用方案至少可节约 1 亿纤芯公里光纤资源。
  
  4.3电费分析
  
  据统计,按照单套设备年耗电量计算,某运营商基站平均电费为 0.8 元 /kWh,半有源 CWDM 方案与简易 OTN 方案相比,单套设备每年可节约 1 900 元左右, 假设该运营商 5G 基站规模为 250 万站,则每年可节省电费 47 亿元。
  
  比较分析如表 1 所示。
表1  前传方案比较分析
  表1  前传方案比较分析

  5 结束语

  
  面向 5G 的前传承载方案应该综合考虑节约光纤资源、网络监控及管理、网络可靠性、设备成本、产业成熟度和后期运营成本等因素,通过对以上几种 5G 前传技术的对比分析,半有源波分复用方案具有明显的综合优势,应考虑作为主要的前传技术方案。

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