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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

面向5G需求的本地基础网络架构浅析

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/13 18:51 )

陈烈强,顾荣生(中讯邮电咨询设计院有限公司,河南 郑州 450007;)尹祖新,张 红,田洪宁(中国联通网络技术研 究院,北京 100048)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部 

摘 要:面向5G建设需求,通过对中国联通南方和北方城市本地基础网络架构资源进行调研分析,并对比CRAN和DRAN建设模式的TCO成本,初步总结出以"综合接入节点+DU集中点"为目标节点的基础资源储备思路,提出本地基础网络架构资源储备下阶段工作应以综合接入区为单位,通过"定点、连线、成面"步骤,全面梳理机房资源和主干光缆资源,提前进行5G基础资源储备。

关键词:本地基础网络架构;资源储备;综合接入点;TCO成本

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.009

引言

根据ITU-R M.2083中明确的5G的三大类典型应用场景,包括移动宽带增强(eMBB)、超高可靠、超低时延通信(uRLLC)、大规模物联网(mMTC),未来业务的主要特点是大带宽、低时延、高可靠和海量连接。

5G 承载是 5G 端到端系统的基础,基础资源规划更是要先行,根据 3G4G 建设经验,清晰的基础网络目标架构,合理的基础网络资源配置,包括节点机房、配套和光缆等基础资源,对快速、低成本建网、高效运营、构筑可持续发展竞争力起到至关重要的作用。

1、中国联通本地基础网络架构调研分析

1.1 中国联通本地基础网络架构现状

2013年初,中国联通战略性提出本地基础网络架构布局规划,按照"垂直分层、水平分区"的总体规划,划分汇聚区、综合接入区,以核心节点、汇聚节点和综合接入点为基础,建设面向综合业务接入的基础网络架构,提升了网络稳定性、健壮性,实现业务快速、高效接入。

中国联通在 2014-2017 年大力推进基础架构建设工作,为基础架构目标的搭建奠定了坚实的基础。

汇聚机房建成率87%,其中:北方99%,南方81%;综合接入点建成率 87%,其中:北方 99%,南方 82%。基础架构建设取得显著成效。

a)主干光缆网已形成"垂直分层、水平分区"的光缆网结构,城区综合业务接入区主干光缆覆盖率达到95%。

b)接入层推广 RRU 拉远方式接入,已建设接入层分组设备41万端(全网无线基站约83万,2017年底数据),全网基站拉远比例约52%。

c)单站传输接入造价由 2013年的 6.94万元下降至2017年的2.33万元,效果显著。

中国联通本地基础网络架构的规划、建设,高效支撑了中国联通3G/4G网络的建设。5G网络大容量、大连接、低时延的性能要求对传送承载网带来较大挑战,5G站点不同的建设和接入模式对机房、电源和光缆的要求有较大的差异,也对本地基础网络架构和管线资源带来较大影响,在中国联通5G试点城市中选取南北方 7 个典型城市进行基础资源调查,从机房、电源、空间、传输资源等多维度预研5G站点接入方式,研究论证如何规划CRAN节点机房数量、机房资源、光缆网,并形成方法论和建设指导意见,指导各本地网 5G 建设前完成基础资源储备。

1.2 调研区域的选取和要求

根据试点城市范围和现网特点,选取HZ、CD、ZZ、 QD 等 7个地(市)进行调研。选择市区/密集城区 1个汇聚区进行"汇聚区节点情况"分析;选择该汇聚区内某一典型综合业务区分析"综合业务区站点情况"。分析的内容包括:

a)典型区域网络整体情况:描述选定的某典型汇聚区内区域及网络总体情况,包括面积、综合业务区划分、架构节点设置、区内主干光缆建设模式、业务发展情况等。

b)汇聚区节点情况:以机房维度摸查典型汇聚区内网络细化资源情况,包括机房基本信息、空间状况、设备安装情况、动力系统、光缆资源情况(主干光缆)、无线站点接入及 BBU 集中情况等。摸查汇聚区内全部核心、汇聚、综合业务接入机房、BBU集中点及非铁塔生产机房。

c)综合业务区站点情况:摸查典型综合业务区内移动末端站点情况,包括站点基本信息及上联光缆情况。

1.3 调研区域整体网络情况分析

在7个城市选取的区域均为5G试点区域,选取区域平均汇聚区面积约为 6.3 km2。选取的综合业务区均为密集城区,区内平均物理站为11.9个/km2,室分楼宇栋数35.2栋/km2。

GZ、HZ、WH 和 ZZ 的区内综合接入点布局为 6个左右(小范围收敛),QD、TJ、CD和ZZ少数综合接入区为1个综合接入点,全区单点收敛模式为主。

在 7 个城市选取综合接入区区域的传输资源丰富,平均出局主干光缆芯数169芯,每km2主干光缆长度约为 13 km。光交密度平均为 11.7 个/km2,HZ 选择的综合接入区光交数量较少,为0.9个/km(2 见表1)。

表1 综合接入区内主干光交密度(单位:个/km2)

1.4 调研区域综合接入点空间分析

在前期本地基础网络目标架构指引建设下,各地(市)已初步形成稳定的核心、汇聚、综合接入点的3层节点布局。本次重点调研综合接入点机房空间、引电、配套电池和空调等情况。

7 个城市选取调研区域的综合接入区,综合接入点平均面积南方为20 m2左右,北方TJ、QD为原有端局模式,面积在百平方米以上;ZZ小型综合接入点较多,大局所与 TJ、QD 类似,小型综合接入点与南方类同(见表2)。

表2 综合接入区内综合接入点空间面积

面向5G资源需求,重点关注剩余机架位置数量和可拆除/整合机架位情况,对选取综合接入区内的综合接入点机架位置进行分析,南方联通机房空间不足(剩余机架位为 0)比例在 50% 以上;北方联通机房空间条件较好,均有剩余机架位置(见表3)。

表3 综合接入区内综合接入点剩余机架位

针对南方机房空间资源薄弱,面积和剩余机架位不足的情况,应充分挖掘原有非铁搭生产机房的潜力,补充稳定性好、引电条件较好的机房作为DU集中点。

1.5 调研区域电源及配套情况分析对选定汇聚区域机房动力和配套情况分析,综合接入点引电大部分在15 kVA以上,50%具备引电扩容条件,南方联通 90% 引电容量在 20~30 kVA。选定区域105个节点机房中,配置蓄电池容量在500 AH以上机房有84个,占比80%,少数机房未配置电池,存在电池老化等问题。目前综合接入点开关电源负荷 50 A 以下的占 42%,100 A 以下占比 80%,100 A 以上基本为原端局。现有设备功耗约为 5 kW以内。机房空调配置3P以上节点占比68%,基本可以满足当前要求。

1.6 调研区域机房内设备配置情况分析

对于调研区域综合接入点设备配置和 BBU 设置情况进行分析,南方综合接入点采用小集中模式,平均集中 3 个左右 4G BBU;北方端局模式 4G BBU 集中数在50以上;ZZ 2种模式皆有,大集中收敛148个,小集中平均收敛13个。

BBU 小集中模式,平均每机房设置 IPRAN 设备1.5端;大集中模式,IPRAN设备4端以上。

南方 OLT采用薄覆盖模式,综合接入点设置 OLT 机房数少,北方OLT基本是多端设置于端局为主。

1.7 调研区域光缆资源和末端站点接入情况分析

调研区域内主干光缆布局完善,主干光缆出局利用率,南方均在40%以下,北方基本在50%左右,ZZ利用率较高,达68%。

如表 4所示,选定综合接入区移动末端站点接入模式分析,RRU拉远比例南方城市较低,GZ只有37%,QD、ZZ拉远比例在90%以上,TJ拉远比例75%。

表4 选定区域RRU拉远比例

末端站点上联光缆,GZ以48芯上联光缆为主,HZ 和 QD 以 12 芯为主,其他城市以 24 芯为主,纤芯利用率除WH外,均在50%以内(见表5)。

表5 末端站点上联光缆及利用率

1.8 本地基础网络架构调研小结

通过本次7个城市试点区域的本地基础网络架构调研分析,中国联通基础网络架构主要有以下特点。

a)南方机房空间资源薄弱,北方端局空间资源丰富。南方综合接入点平均面积 20 m2,有空间挖潜能力;北方电信业起点早的城市端局空间资源丰富,发展慢的城市与南方类同,面积30 m2左右。

b)南方外市电容量基本在 30 kVA 内,北方原有端局引电装置超期服役严重。南方汇聚机房引电量 90% 都在 50 kVA 内,可扩容比例仅 25%,南方综合接入点90%引电在20~30 kVA,50%具备扩容条件;北方引电老旧(超20年),扩容和改造投资大。

c)主干光缆建设较为完善的综合接入区,剩余主干光缆纤芯基本可满足 5G DU 集中的纤芯需求。目前调研区域主干光缆覆盖比较完善,主干光缆剩余纤芯基本能够满足5G DU集中需求,需对部分纤芯资源紧张段落扩容。

d)末端站点接入纤芯需要充分挖潜现有光纤资源能力。现有 12 芯接入光缆不能满足 5G 纤芯需求(HZ),24芯光缆需要进行无线3G/4G拉远纤芯资源释放,应充分利用已敷设的光缆纤芯资源。

e)4G BBU具备挖潜能力。目前BBU和RRU以1 ∶3为主,如果BBU集中点的BBU∶RRU提升至1∶6,可以节省不少机房空间和电源,降低运维成本。

2、5G站点接入模式分析

2.1 5G站点需求模型分析

5G网络面向万物互联提供多样化的业务,为用户提供丰富多样的差异化服务,给运营商带来巨大的机遇和挑战。5G站点需求模型主要有以下3个特点。

a)带宽需求大:无线空口峰值达 Gbit/s,DU 接口带宽为10GE,初期建网考虑CU/DU合设,前传接口带宽大(10G+)。

b)资源需求多:AAU 上联纤芯 6 芯,且不支持级联模式;DU设备功耗大,DU功耗最大可达1 000 W,典型功耗按500 W考虑;AAU功耗高达1 000 W,典型功耗1个按800 W考虑。

c)工作频段高:5G工作频段暂按按3.4~3.6 GHz 考虑,站点数量较4G增加1.2~1.5倍,暂不考虑高频组网需求。

2.2 CRAN模式和DRAN模式分析对比

通过对标CRAN建站模式和DRAN建站模式TCO (建设+5年运营成本)成本分析,分别考虑单站模型和成片区域模型(100 个站点综合接入区),从 TCO 成本最优,网络建设方面重点考虑建设进度、实施难度和工程投资;网络维护重点考虑网络复杂度,网络安全性和维护成本;网络性能重点考虑时延进行对标分析 (见表6)。

表6 CRAN和DRAN单站建设模型对比

从表 6对比可以看出,在单站模型对比下,CRAN 在建设成本和维护成本上较DRAN有优势,网络简单、时延较低、DRAN 实施难度较小、工程进度较快、单点失效影响面小。

假定一个综合接入区 100 个站模型进行对标分析,在 CRAN小集中(1∶4)模式下,考虑 30%的集中节点机房需要进行电源配套改造,主干光缆需新建10 km;在 CRAN大集中(1∶10)模式下,考虑 40%的集中节点机房需要进行电源配套改造,主干光缆需新建20 km,TCO成本如表7所示。

表7 成片区域CRAN和DRAN建设模型TCO成本对比标

以一个区 100 个现网站点建设需求进行对标分析,小集中(1∶4)相对 DRAN 节省 TCO成本 37%;大集中(1∶10)节省 TCO 成本 47%。由此可见,CRAN 集中度越大,TCO成本节省比例越高。

影响 BBU/DU 集中度主要因素有机房条件、传输资源、无线设备性能和运维要求,影响因素详见图1。

设备安装机架位置可以通过机房资源整合,甚至挂墙解决 BBU/DU 小集中问题;管孔等传输资源不足也能通过有源/无源波分、或者光缆资源整合解决,外市电容量、电池容量(考虑承重问题)成为 BBU/DU 集中度最大的受限条件。所以根据外市电容量测算DU 最大可集中数,具体见表8。

 表8 根据外市电引电容量测算BBU/DU最大集中度

由表8可以看出,如果现网开关电源负荷在 40 A 以上,外市电引电量低于15 kVA无法作为DU集中点。

考虑现有的用电功耗,开关电源负荷在 50 A 以内,那么外市电引电量在15~20 kVA,可以满足DU小集中(3 个左右),引电在 20~25 kVA,可以满足 DU集中(10左右),25~30 kVA以上可以满足4G BBU回撤。

3、面向5G需求本地基础网络架构资源储备建议

面向5G承载需求,本地基础网络架构资源储备思路应以以综合接入区为单位,通过“定点,连线,成面”步骤,全面梳理机房资源和主干光缆情况,形成机房名单,电源配套改造名单,主干光缆建设名单和传输系统需求库,提前进行5G基础资源储备。资源储备的方法和工作步骤如图2所示。

图2 5G承载资源储备下阶段工作开展总体思路和方法

3.1 梳理目标DU设置节点

对现有综合接入点机房和归属联通站点机房进 行梳理,以综合接入区为单位,以机房稳定性、外市电引电和机房空间为主要考虑因素,形成目标综合接入 点+DU集中点。

工作流程和梳理要求如下(见图3)。

图3 目标综合接入点+DU集中点规划步骤

a)对现有机房进行现场摸查,包括物业、空间、市电、动力配套等,梳理出符合要求的综合接入点和DU 集中点现状名单库。

b)根据机房条件(市电、空间、地点),确定机房集中的DU数和具体名单。

c)根据机房集中的 DU 数,测算蓄电池、电源模块、外市电、配套等改造需求。

d)根据DU(按4G数算)总数和现有站点对DU集中的程度,得到新建综合接入点的缺口和名单。

3.2 以点定线,确定主干光缆目标架构

综合接入区区内主干光缆架构完善:在确定目标综合接入点和 DU 集中点后,以规划确定的综合接入点和 DU 集中点补充完善主干光缆网架构,对纤芯不足段落新建主干光缆,形成区内完善主干光缆架构。并形成以综合接入区为单位的综合接入区主干光缆连接逻辑图(见图4)。

图4 综合接入区主干光缆连接逻辑图

3.3 形成目标承载系统架构

依托梳理确定综合接入区的综合接入点、DU 集中点和主干光缆,按照5G承载系统的网络架构,接入层重点覆盖综合接入点和 DU 集中点,形成传输设备需求数量,输出综合接入区内传输系统网络结构图。

4、结束语

随着5G网络建设临近,本地基础网络架构推进建设已迫在眉梢,为了能够在5G商用前完成基础资源准备,各地(市)应面向5G需求进行本地基础网络架构资源规划,从需求分析入手,判断影响的因素,识别主要问题,形成解决思路和工作推进步骤,快速奠定坚实的5G承载基础网。

参考文献:

[1] 潘锋 . 探究 5G移动通信技术下传输未来发展趋势[J]. 信息与电脑(理论版),2018(6).

[2] 梁芳,任成鑫.基于新时代下的5G移动通信技术发展研究[J].数字通信世界,2017(12).

[3] 田君,王坚. 浙江移动探索面向5G承载的基础资源规划方法[J].电信技术,2018(1). 

作者简介:

陈烈强,毕业于重庆邮电学院,高级工程师,本科,主要从事传输网规划、设计、研究等工 作;

顾荣生,中讯邮电咨询设计院有限公司副总工程师、教授级高级工程师,主要从事传 输网络演进、发展及通信网络基础架构的研究;

尹祖新,毕业于哈尔滨工业大学,教授级 高级工程师,硕士,主要从事光网络规划咨询设计等相关工作;

张红,毕业于重庆邮电学 院,高级工程师,硕士,主要从事传输网规划、设计、研究等工作;

田洪宁,毕业于北京工 业大学,工程师,硕士,主要从事传输网络规划咨询工作。

作者:陈烈强,顾荣生,尹祖新,张 红,田洪宁   来源:《邮电设计技术》

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