5G数字室分设备成本分析

2022-02-20刘灏

无线互联科技 2022年24期

刘灏

(中国电信股份有限公司天津分公司，天津 300385)

1 5G时代室内分布系统的挑战

随着5G网络的全面建设和初步成型,网络目标已经升级为全面提升网络质量和用户感受。4G网络约70%的业务在室内发生，5G时代这一比例将上升至85%[1]。室内分布系统如何解决5G时代的多种挑战，同时有效控制建设成本，就成了5G室内覆盖研究的重要课题。

1.1 更密集的基带资源需求

从3G网络开始，室分系统的容量问题逐渐突出。单一小区的吞吐能力已经无法满足整栋建筑的使用需求，扇区裂分和增加频段已经成为通用手段。在人员和话务密集的高价值场所，为了能够减少用户使用感受的波动，避免大规模扩容施工，往往需要在建设时投入更多的基带资源，充分预留能力。

1.2 更高的路径损耗

由于频段升高至2.6 GHz甚至3.5 GHz，室外宏基站信号的穿透效果大幅下降，室外低频5G受到频率宽度的影响，能够提供的速率远远不及主力频段，室内深度覆盖迫切需要通过室分系统[2]。同时,在5G频段下，馈线的路径损耗已经大幅增加，因此在进行室分设计时，必须更高效地将功率资源分配至发射端。

1.3 覆盖目标不确定

在5G网络中，由于大量物联设备的引入，室分系统需要覆盖的位置以及业务内容更加不确定。在2B场景下，以人为本的网络经验不再适用，无法通过传统经验预测重点覆盖目标。

1.4 施工难度增加

随着信息化的发展，建筑内的弱电需求快速增加，弱电布线需求与路由资源的矛盾愈明细，造成楼宇室内分布系统施工难度大幅提高。以馈线为核心的DAS系统经常遇到线缆无法敷设的问题，需要更加灵活的组网结构，满足基带和功率资源的传递。

2 数字室分系统结构分析

室内分布的本质是实现无线资源的传递和分发。随着技术的演进，室分系统经历了3个阶段：在移动通信发展初期，室内覆盖的主题是无线信号的延伸，即射频功率资源在室内分发。随着网络负荷升高，在实现功率传递的基础上，需要增加基带资源的分配，以满足更高的容量需求。5G时代除了射频功率和基带容量的转发，还需要实现更高的峰值速率。需要室分系统在频谱、通道数等方面进一步提升能力，数字化室分系统凭借自身的结构特点，可以很好地满足上述需求。

2.1 数字室分的组成

数字室分即数字化室内分布系统(Digital Indoor System，DIS)，也称毫瓦级分布式小基站，一般由基带单元(Baseband Unit，BBU)、扩展单元、射频单元(pico Remote Radio Unit，pRRU)3个部分组成，基带单元与扩展单元通过光纤连接，扩展单元之间可通过光纤进行级联，利用光传输实现基带资源的传递[3]。射频单元通过网线或光电复合缆上连至扩展单元，是完成基带信号到射频信号的转化，并进行无线发射的实体。

2.2 数字室分特点分析

2.2.1 组网架构

数字室分使用网线或光缆替代了馈线，采用类似AC-交换机-AP的组网架构。这从根本上消除了馈缆线路损耗，具有更灵活的组网结构[4]。硬件的改变，在施工层面将室分建设与普通弱电布线拉齐。射频单元还可以外接天馈系统，实现与传统DAS系统的融合，获得更灵活的组网[5]。数字室分在组网灵活性上，远优于传统模式。

2.2.2 供电方式

射频单元通过POE协议从扩展单元获取电源，因此5G数字室分的射频单元具备更多样的射频功率等级。除了能提供最大4个发射通道外，每通道发射功率能够达到750 mW，还可支持200 MHz或更高的频谱带宽，实现更高的传输速率。供电方式的改变除了提升了末端设备的发射功率，更主要的是通过有源的方式实现射频单元的纳管，实现发射通道及功率可控可调。

2.2.3 基带能力

在数字室分系统中，基带资源渗透至射频单元。在安装扩展单元和射频单元的同时，实现了基带能力的预留。需要扩容时，只需要通过后台操作，就可以实现逻辑小区的自由配置。在基带资源处理能力上，数字室分相比DAS系统具有革命性的优势，特别适合高容量、高价值场景。数字室分自诞生起，就以优秀的网络特性获得了广泛关注，在解决高需求场景上发挥了非常重要的作用。

2.2.4 建设成本

和传统室分相比，数字室分增加了数字化转换功能，预留了大量的基带能力，因此建设成本，特别是设备成本过高，同样也是数字室分最大的特点。这个问题从4G时代数字室分诞生起就非常突出，成本问题是影响数字室分广泛使用的最大瓶颈。

3 数字室分设备成本组成

作为5G室内覆盖的首选，数字室分的建设规模将持续扩大。在建设过程中，如何更高效地利用数字化室分，合理地控制建设成本，是5G时代的一个重要课题。然而，数字室分在体现了设备商对网络形态理解的同时，还承载着对利润的预期，因此数字室分的设备成本组成十分复杂。

3.1 设备成本构成

根据功能网元不同，可以将数字室分的设备成本划分为基带单元、扩展单元、射频单元、软件、辅材和服务费等部分。

3.1.1 硬件成本

硬件成本包括基带单元、扩展单元、射频单元三大功能单元以及辅材成本。根据当前主流5G数字室分设备定价规则，扩展单元和射频单元设备成本需要考虑设备本身及安装组件等关键配套材料[6]。

基带单元的设备成本包括机框和所有板卡模块(典型配置包括BBU机框、主控板、基带板、安装套件等)。辅材成本包括光模块、线缆等附属材料。服务费和软件为非硬件部分，考虑到都需要支付给设备厂家，因此也纳入设备成本范畴。服务费为设备厂商进行调试开通等服务记取的相关费用。

3.1.2 软件成本

软件成本是5G数字室分设备成本的核心，是5G研发投入的体现以及基带能力的具体量化，同时也是价格计算中的难点。典型的软件成本包括数字室分载频软件功能、网管软件、基带合并功能等。软件的计算规则相对复杂，且不同软件量纲不同，如基带合并功能大多按照扩展单元数量记取，而载频软件包则受pRRU数量、划分无线逻辑小区数量、组网规则等多个因素影响，计算规则最为复杂。

3.2 数字室分成本控制点

数字室分的设备成本是一种典型的多量纲计费模式，各组成部分成本的受控因素较多，基带能力、组网接口能力、传输能力等都会对设备成本产生影响，并且各控制点还存在互相制约或绑定的情况。经过分析整理，虽然可确定关键的成本控制点，但在实际进行设备采购或组网设计时，很难做到多个控制点同时把控，不易形成高效的管控方案。如表1所示，使用5G数字室分实际组网时，需要重点关注四大类和11个成本控制点。

表1 数字室分设备成本主要控制点

4 数字室分设备成本分析方法

为了更深入理解数字室分设备成本构成，清楚把握设备成本控制点，本研究需要在实际建设组网设计的基础上，抽象建立一种分析模型，便于设计、规划、采购环节更好地把握成本变化趋势和各环节内在联系。

4.1 分析模型建立

为了简化组网结构，暴露成本组成的核心，通过建立以下模型进行分析：(1)每台BBU、每台扩展单元下挂的pRRU需要尽量接近理论上限。(2)基带资源保持最低配置，暂不考虑容量需求额外增加软件容量情况。(3)以每pRRU平均成本作为核心对比指标。

本模型的特点是：基带单元、扩展单元、基带软件都处于最大利用状态。整个室分系统总设备成本为理论最低值，有效简化软件费等多量纲计算的复杂度。

本研究通过分析每pRRU平均成本随pRRU数量变化的规律，分析数字室分组网规模对设备成本的影响。

现实组网时，不论因具体需求增加扩展单元，或由于容量负荷增加基带软件，造成总成本额外增加，这部分成本可以在本模型基础上增加。

针对不同规格的数字室分设备，可同时建立多个分析模型进行横向对比。

4.2 典型规格数字室分成本分析

综合当前主流设备商5G数字室分产品，选择某设备厂家两种规格到室分设备建立分析模型。两种设备基础规格相同，采用3.5 GHz频段，4T4R模式，单通道功率250 mW，内置天线，光电复合缆传输。无线频宽参数不同，分别选用100 MHz和200 MHz两种。组网规则参数相同，为每基带单元最大支持48个pRRU，每扩展单元最大支持8个pRRU，每16个pRRU需要计取一个软件单元。两种5G数字室分设备成本变化模型如图1所示。

图1 两种典型规格数字室分设备成本模型

5 分析结论

5.1 数字室分设备成本典型特征

通过分析两种规格数字室分在分析模型下的单pRRU成本变化情况，可以确定5G数字室分设备成本的3个典型特性。

第一，设备规格不同，成本差异明显。设备的规格，特别是无线频谱能力，需要靠大量的基带资源实现，因此对设备成本的影响十分明显。200 MHz频宽的pRRU硬件成本约是100 MHz类型的1.4倍，此外，还要匹配使用更高规格的软件，扩展单元也需要提升规格。

第二，单pRRU成本随设备数量增加呈下降趋势，BBU作为提供基带能力的实体，不论pRRU的使用数量，都需要在建设初始一次性投入，随着pRRU使用数量的增加被逐步分摊。

第三，单pRRU成本的周期性跃升，pRRU数量每增加8个，单pRRU成本即出现一次跃升，并且每16个pRRU跃升幅度更大。发生变化的原因是，扩展单元的接口数量为8个，第9台pRRU需要增加1台扩展单元。而每个载频软件允许接入16台pRRU，第17台pRRU需要增加1个软件。如扩展单元设备接口规格变化，或载频软件与pRRU个数关系变化，跃升的规律会出现变化，但跃升情况仍然存在。