5G前传传输解决方案对比及综合造价分析

施家骅

1 5G网络结构及前传层的变化

为实现功能的分离和设备的弹性部署，5G将基站功能分为CU（集中单元）、DU（分布式单元）及AAU（射频单元）三个模块，AAU与DU间的电路链接称为前传层，承载着未经压缩处理的5G射频信号。

5G前传层最主要的变化是采用了新的前传接口标准eCPRI协议。根据eCPRI v1.1版本协议[2]，在5G典型天线配置下，前传接口带宽需达到25 GB/s，传输时延需小于100 μs，相对4G所采用的CPRI协议，带宽增长了25倍的同时，时延仅为其1/10。5G前传层传输面对的另一个变化是基站密度的大幅提高，这意味着前传层将消耗大量的纤芯资源，因此大规模的纤芯需求成为5G前传建设的难点。本文接下来将对几种5G前传传输解决方案进行对比，并分析其综合造价。

2 5G前传传输解决方案对比

目前业界主要的5G前传传输解决方案为以下四类：

2.1 裸纤直连方案

裸纤直连是解决5G前传最为简单有效的办法，具有组网简单、无设备技术要求、在光纤资源丰富的场景下开通快捷等优点。但是纤芯消耗的速度惊人，无法提供系统层面的保护，故障定位较为困难，并且在光纤资源及管道资源紧缺的情况下，开站成本非常高昂。

2.2 SPN方案

SPN是一种基于网络分片的传输技术方案，通过在物理层之上设立Shim层，实现快速的数据交换和不同业务间的物理隔离。作为时分复用技术，它的时延在5 μs以内，但受限于光电元器件技术发展，SPN仅能提供50 GB/100 GB的线路带宽，相比25 GB的前传需求，光纤复用能力有限。

2.3 无源WDM方案

无源WDM技术可在单纤芯内复用出最多16条波长通道，并且只会引入ns级的时延。但目前最大容量的彩光模板仅为10 GE，仅能满足5G发展初期阶段的前传接口的带宽。因为25 GB/s规格的彩光模块并不在光器件的技术发展路线中，所以如果缺乏运营商的强力推动，难以实现规模供应。

2.4 OTN方案

相比WDM方案，OTN技术可提供50 GE/100 GE的单波道带宽，单系统可实现40波的复用，具备完善的QAM能力，同时可提供足够大的彩光模块，时延经优化后也可达到μs级，可满足5G前传的各项性能要求，但是高速率光器件的成本仍然偏高，使得OTN方案造价要明显高于其他方案。

3 传输接入方案综合建设成本建模及分析

3.1 5G无线设备部署的场景模型

依照5G的部署路线图，2022年前为5G的初期阶段，以部署小于10 GB/s前传带宽的小规模天线阵列低频AAU为主，2022年后逐步应用高频段及大规模天线阵列后，其前传带宽的需求将达到25 GB/s及以上水平。

与4G相似，5G的部署策略着重于为深覆盖创新通信应用形态，而非广覆盖满足基本通信需求。因此区域人口密度决定了基站的覆盖密度，而三大类覆盖场景下DU将采用不同的部署位置与覆盖面积以平衡基站接入和业务回传间的需求，参考运营商的网络总体规划[3]及厂商的配置建议，5G无线设备部署的场景模型及特征参数如表1所示：

表1 5G无线设备部署的场景模型

3.2 传输接入方案综合造价建模及分析

为分析不同场景下各类传输接入方案的综合造价，模型考虑三个主要构成元素：AAU侧传输设备成本、DU侧传输设备成本、光纤综合成本。基于各厂商对传输接入设备的估价，接入设备成本及性能特征如表2所示：

表2 传输接入方案成本及性能特征

为实现统一计算，针对本模型设置条件如下：

（1）目前技术支持的DU下带AAU数量为30，本模型仅考虑同一DU下带AAU数量不超过30的情况；

（2）光纤综合成本采用某省会城市综合管沟在8年的传输接入设备生命期的租赁价格及288芯接入光缆造价进行概要折算；

（3）由于接入纤芯场景较为丰富（直埋、管道、架空），暂不考虑纤芯管道造价；

（4）由于单纤双向技术可用于所有技术场景，所以本模型不考虑单纤双向技术引起的成本变化。

各种模型表达如下：

（1）通用模型：

基站综合造价=(AAU端设备成本+DU端设备成本+2条纤芯成本)×基站数量

（2）裸纤模型：

基站综合造价=(0+0+2条纤芯成本)×基站数量

（3）SPN模型：

基站综合造价=(AAU端设备成本+DU端设备成本)×[基站数量/2, 向上取整]+2条纤芯成本×[基站数量/2, 向上取整]

（4）无源WDM模型：

基站综合造价=(AAU端设备成本+DU端设备成本)×[基站数量/16, 向上取整]+2条纤芯成本×[基站数量/16, 向上取整]

（5）OTN模型：

基站综合造价=(AAU端设备成本+DU端设备成本)+2条纤芯成本

模型说明如下：

（1）SPN模型：每增加2个AAU即增加一套传输设备及一对纤芯成本，AAU数量超出10个，DU侧需要更换为30下带端口的设备。

（2）无源WDM模型：每增加16个AAU即一对纤芯成本，AAU数量超出10个，DU侧需要更换为30下带端口的设备。并且现阶段无源WDM的带宽能力仅能满足5G初期的需求，随5G成熟期AAU升级需同步替换，因此造价采用3年的生命期进行了等效折算。

（3）OTN模型：每增加40个AAU即一对纤芯成本，针对本模型仅需2条纤芯，AAU数量超出10个，DU侧需要更换为30下带端口的设备。

鉴于以上假设，计算AAU数量由1逐步增长到30，以密集城区为例四类技术方案的造价如表3所示。

由图1可以见到，SPN技术受限于可提供的带宽，不仅使用时间短并且价格极高，不适合用于大规模建设。

去掉SPN技术，其他三类技术造价趋势图如图2所示。

由图2可以见到，OTN技术造价在前期相对较高，后期与裸纤造价相当；WDM造价较为低廉，前期稍高于裸纤，后期价格优势明显。

所以，根据模型的估算可得出以下结论：

（1）裸纤技术方案普适性最强，投资使用最为灵活，故而对于纤芯资源丰富的区域建议使用裸纤直连的方式完成前传覆盖。

表3 传输接入方案造价建模结果（密集城区）

图1 传输接入方案造价变化趋势图

图2 传输接入方案造价变化趋势图

（2）长远来看，OTN技术成本前期投资较大，后期逼近裸纤成本，得益于后续OTN技术的快速发展因素，其价钱可能会在现有基础上有较大减幅，故而对于纤芯资源较为紧张的区域，建议使用OTN技术进行覆盖。

（3）WDM技术较之于其他方案，其价格优势非常明显，但受限于其可提供的带宽，按照目前规划，仅可用于5G初期，可能会导致后期网络大量调整及替换，暂不推荐使用。

（4）SPN技术由于其光模块技术仍有待规模验证，且可提供带宽远远小于已大规模商用的OTN技术，并且其切片等新功能有待标准的完善，目前造价方面无优势，暂不推荐使用。

4 结束语

本文通过传输接入综合造价模型工具，将设备和纤芯资源对于5G基站造价的影响纳入统一的评价体系当中进行对比，得出目前较为推荐的可用于解决前传的技术方案为OTN技术与裸纤直连技术。对光纤资源丰富、DU分散设置的场景，推荐使用光纤直连技术，对于DU及AAU相对集中放置的场景，特别是多频复用的密集覆盖区域，推荐使用OTN 技术。至于WDM技术与SPN技术是否在前传层具备良好的适用性，仍需持续关注光模块的技术发展及SPN标准规范的成熟。