从 5G 到基础设施改造


随着 5G 时代大幕的拉开,各国都在积极进行本土化的部署,从频段拍卖到组网布局,再到基站改造、测试与试用,中国首次站在了移动通信发展的最前沿。


大家都知道 5G 建设的一大难题就是巨额资金问题,而频率是移动通信网络发展日益稀缺的宝贵资源,5G 商用、频率先行。


近一年内国外频谱拍卖进行得如火如荼,其中意大利以 700 兆赫、3600-3800 兆赫和 26 兆赫的频谱拍卖成交,为政府创造了 74 亿美元的巨额资金收入;瑞典的 700 兆赫频谱拍卖筹集了 28 亿瑞典克朗(3.1 亿美元);澳大利亚在 3.6GHz 频段的拍卖筹集了 8.53 亿澳元(6.04 亿美元);美国在 24GHz 和 28GHz 频段的两次拍卖共筹集了 27 亿美元。

 


纵观欧美发达国家的 5G 频段拍卖价格,对比 18 年中国发改委、财政部联合发布的《关于降低部分无线电频率占用费标准等有关问题的通知》,通知中指出对 5G 公众移动通信系统频率占用费标准实行“头三年减免,后三年逐步到位”的优惠政策:


自 5G 公众通信系统频率使用许可证发放之日起,第一年至第三年(按财务年度计算,下同)免收无线电频率占用费;


第四年至第六年分别按照国家规定收费标准的 25%、50%、75%收取无线电频率占用费;


第七年及以后按照国家规定收费标准的 100%收取无线电频率占用费。


这一政策的出台,无疑是对我国领先 5G 商用落地装上了一个强劲的加速器,给移动运营商们减轻了频段使用带来的负担,将资金、精力集中投放到 5G 通信的基础设施改造、建设与覆盖上来。


大家千万不要以为 5G 改造的费用对运营商来说只是小 case,毕竟这是个一旦布好网络就是个一本万利的行业,其实不然,据通信行业协会(GSMA)预测,到 2025 年,中国通信运营商的 5G 投资将超过 1 万亿元,这也是近期电信与联通合建基站,抱团取暖的原因。


基础设施新建成本高——引入 NSA 架构


4G 网络如今的成熟初露,当年基站建设可是花了不少钱,难道因为 5G 的强势来袭就要全部废弃吗?岂不是“劳民伤财”。


回答:当然不是这样!


首先由于频段的各自优势:4G 频率低、波长长、衍射能力强、能量稍弱,5G 频率高、波长短、衍射能力差、穿透力和能量强,因此4G 将会和 5G 并行运行,而不是 5G 替代 4G。


其次,在 5G 发展的初期,无法做到短时间的高覆盖率,尤其是核心网的建设方面,因此 5G 还离不开 4G 独自工作。


细心的网友又要提出疑问:什么是核心网呢?


核心网位于网络子系统内,主要作用把 A 口上来的呼叫请求或数据请求,接续到不同的网络上,主要涉及呼叫的接续、计费,移动性管理,补充业务实现,智能触发等方面。


移动网络除了核心网还有什么其他重要的组成部分


与核心网相对应的是接入网,而对接入网的界定是:一切连接用户设备终端(UNI)与服务商终端(SNI)之间的网络都可以称为接入网,比如无线基站其实就是无线接入网的一种

 


大家了解了什么是核心网和接入网,也就能很清楚的理解什么是非独立组网 NSA 架构和独立组网 SA 架构了。

 


在 5G 通信 NSA 建设初期,它与 SA 的主要区别是核心网是问 4G 借用的


为什么要采用这种方式呢?因为“穷”啊,不止是金钱,还包括时间


首先来伤伤感情——谈钱


据 Heavy Reading 预计:全球移动运营商 5G 资本支出总额预计将从 2018 年的低基数快速增长,到 2023 年全球将达到近 880 亿美元。届时,它仍将处于强劲的上升轨道,全球 5G 的推出将如火如荼。即使是早期安装 5G 的市场,也将在未来几年增加站点,以提高覆盖率和容量。如此反抛物线式的资金投入增长,若伴随零产出,无论哪个运营商都是吃不消的。

 


再来谈谈金钱都换不来的时间


在 5G 基础设施建成的路上少不了人工智能、物联网、大数据、云计算的相随,相互磨合式的成长可谓是相辅相成,一旦脱离了实际应用的 5G 就会走入歧途般的摆设状态。谁都不能等谁几年,因此从 NSA 向 SA 演进式的发展是历史的选择


5G 组网演进之路


运营商一边建设、一边测试、一边收钱,这种滚动的循序渐进的方式具体是什么样子的呢?看了下面一张图大家就都明白了。

 


5G 组网渐进路径


如图可知,NSA 的建设不是一步到位的,它起到一个承上启下的作用,因此也是在不断调整的一个过程中,困难重重,任重而道远。


首先,网络升级改造量大。基于 4G 核心网的 NSA 组网向 SA 网络升级,网络需要频繁改动,基于 5G 核心网的 NSA 组网向 SA 网络升级,需要对 4G 基站进行增强,升级改造工作量比较大。


其次,不同厂商之间的互联互通问题,资深通讯工程师认为:“从理论上来说,NSA 组网模式下,基于 3GPP 标准协议,异厂商的 4G 基站和 5G 基站可以兼容。但是在实际建网过程中,异厂商的 4G 基站与 5G 基站的兼容性比同厂商的兼容性要差许多。”比如在实际部署过程中,因为用户面承载在 5G 基站上、控制面承载在 4G 基站上,经常会出现用户面与控制面没有协调好的情况,这将直接导致用户掉网,而一旦出现问题就需要两个设备商的工程师联合测试才能够解决,这非常费时费力。


再次,小区切换时,用户体验欠佳。采用 NSA 组网模式,用户在移动过程中,NSA 组网的网络切换时间较长,用户的网速下降感觉比较明显。例如,对于用户从一个区域移动到另一个区域的场景,采用 SA 组网,只需要两个 5G 小区交互;而采用 NSA 组网,则需要两个 4G 小区交互和两个 5G 小区分别进行交互,这样会导致网络切换时间较长,从而带来不好的用户体验。


最后,设备功耗是大问题。从目前来看,NSA 组网能耗较高,同时承载 4G 基站和 5G 基站务必会增加基站侧的能耗,增加电力成本。同时,对用户来说,目前仅支持 NSA 模式的 5G 芯片(高通 X50)的终端,其功耗也相对较高,且终端非常容易发热。


问题有多少,运营商和政府都必须一个一个克服,未来是属于 5G 的世界,只管埋头苦干,从基站的新建与改建开始。


混合组网架构下的基站改造重点与方法


中国电信四川公司网络运营中心工程师王邦安表示:5G 属于中高频段,以中国电信获得的 3.5Hz 为例,其宏基站信号覆盖半径约 250 米—500 米,室分覆盖半径约 15 米—50 米,覆盖范围小,对墙体、地板尤其是铁门等固体障碍物的穿透能力减弱,因此 5G 基站的数量需求远超 4G 基站。


国家工信部透露,三大运营商今年将建设 5 万个 5G 基站。据悉,预计明年三大运营商新建 5G 基站数将大大增加,初步估算将至少为 68 万个。


这些基站将被安装到哪里呢?


5G 深度覆盖须深挖共享潜力:大到通信铁塔,小到路灯杆、监控杆,统统可以成为 5G 基站的据点。


铁塔方面


中国铁塔董事长佟吉禄表示,中国铁塔目前已经接到运营商关于 5G 基站的建设需求 6.5 万个,今年建设主要是通过现有的铁塔改造来实现的,中国铁塔预计全年会接到 10 万个基站的建设需求,随着 5G 更大规模的布局,一定会有更多新建的出现。到时候,不只是已有 197 万存量站址将为运营商提供 5G 基站站址选择,中国铁塔储备的社会杆塔资源站址库,包括 875 万路灯杆、监控杆,超过 350 万电力杆塔,以及 33 万物业楼宇,也将为 5G 基站低成本快速布设奠定基础。


(中国铁塔公司在微笑:来吧,大单砸过来,我们收费很便宜,每月铁塔租金 750 元美金,美帝国铁塔租金可是要 2000 美金 / 月呢!)

 


市政方面(路灯杆、监控杆)


多个城市已经率先发布了 5G 产业发展行动计划,比如广西在 5G 基站规划编制方面明确指出,将 5G 基站建设规划纳入国土空间规划、市政基础设施专项规划,把 5G 网络站址、机房、电源、管道和天面等配建空间同步落实到国土空间详细规划、城乡住房建设规划、交通设施规划中。在大力推进社会资源共享方面要求区内各级政府机关、企事业单位、高等院校、医院等所属建筑物、构筑物,高铁(红线内)、高速(红线内)、地铁(红线内)、机场航站楼、交通枢纽站等公共交通设施,桥梁、公园景区、公共绿地及管道等市政公共设施,各级国有机构建设的杆塔资源向铁塔公司及基础电信企业免费开放,为 5G 网络设施部署提供便利。


共享设施均需改头换面?


铁塔、路灯杆、监控杆这些未来可以充当 5G 宏基站据点的功能不是与生俱来的,它们都需要一定程度的改造,改造主要内容包括机房、天线、电源、综合布线、管道部署等。


对于通信铁塔而言,改造升级塔桅、电源、机房等配套设施,解决 5G 对低功耗的要求,支撑 5G 快速共享是即将面临的工作任务。


对于路灯杆、监控杆,改造升级的目标包括机房、天线、电源、综合布线、管道设施,其中解决供电问题,是重中之重。

 


下面针对铁塔的改造进行深入的分析


基站改造需求分析


(1)机房空间需求 


由 5G 的无线网络三层架构可知,对机房的空间需求主 要体现在 CU/DU 的尺寸、安装工艺及其集中度大小。根据现阶段主流厂商的数据来看,目前 5G 的 CU/DU 尚处于一体 化状态,即现在商用的 4G BBU 形态,其大小与 4G BBU 一致。从标准化和模块化的思维来考虑,后期的 CU 和 DU 从形态上不会相差很大,暂时按 BBU 大小来等同考虑。 考虑到目前各运营商的传输机房均为自有产权,故大型的 DU 和 CU 集中机房尚不在中国铁塔考虑的范围内,而对于个别小型 DU 集中机房,以 3~5 个站点为例,机房只需要提 供 2~3 个 DU 的安装空间即可满足。 


(2)电源需求 


现阶段主流厂商单个 5G 64T64R 的 AAU 功耗约为 1000W, 5G CU/DU 一体化状态功耗约为 300W,5G 设备的功耗相比 4G 有了明显提高。以主流站型 S111 拉远配置为例,新增一个运营 商的 5G 站点需增加功耗 3000W,如果是多家运营商共享站点, 功耗将会成倍增加。

 
(3)塔桅需求 


现阶段 5G AAU 的宽度与 4G 800MHz 4 端口天线基本相接近,长度有所缩小,厚度有所增加,重量上 AAU 与 4G 8 端口天线和 RRU 合计重量接近。对于铁塔来说,其主要的负荷来自迎风面的增加,特别是考虑到多家运营商共享时,需统筹考虑平台使用情况和铁塔风荷。


基站改造方案分析


(1)机房改造方案 


针对机房来说,涉及到机房空间的需求主要是两部分:一是 DU 本站放置或 DU 集中于基站机房;二是电源不满足需要时需新增电源或蓄电池组。


若本站为拉远站点,则无需考虑 DU 的安装空间需求。


若本站为普通站点,即有一个或以上运营商的 DU 安装于本站,则根据共享情况和其他几家运营商的 DU 配置方案,按单个 DU 占用 3U 安装空间进行计算,需要 1~9U 的安 装空间。若现有综合柜存在相应的空间,则直接利旧,否则需要考虑预留综合柜的安装空间。

 
若本站为 DU 小集中站点,则根据 DU 的配置情况,需要 6~27U 的安装空间。此类站点,推荐直接新增综合柜。


开关电源和蓄电池组则根据新增 5G 系统数、设备功耗 和蓄电池供电保障时间来核算是否需要额外新增,从而确定空间需求。

 
由于总功耗大量增加,还需要对空调制冷能力进行核算, 以保证机房的通风降温能力。


(2)电源改造方案 


在现有站点新增 5G 设备时,电源负荷是其中一个非常重要的考虑因素。由现阶段主流厂商的设备参数可知,单个 AAU 功耗约为 1000W,CU/DU 一体化形态功耗约为 300W,单个 DU 按 200W 考虑,当本站点存在一家或多家运营商 5G 设备时,功耗和电池需求如下:

 


以某省为例,某机房站点的开关电源额定容量 600Ah、配置容量 200Ah,蓄电池组 500Ah×1,在保证 3h 断电保障时间的情况下,除个别现网 2G/3G/4G 系统负荷较低的站点,可勉强满足一家运营商新建 5G 设备,大部分 站点需要替换大容量蓄电池。开关电源则需要根据增加的系统功耗及额外扩容的蓄电池容量进行计算,相应扩增开关电 源模块,同时对开关电源熔丝和空气开关进行核实替换,保证每一家运营商的 5G 设备具备 1 路 100A 或 160A 的熔丝或空气 开关;对于部分型号较老的开关电源,由于额定容量较低,则需要更换容量高的开关电源。

 
(3)塔桅改造方案 


对塔型、塔高、挂高、天线类型、平台数、平台空间、抱杆等进行分类归并,大致可以分为以下三种情况。 


有空余抱杆可以利旧:核算可利旧抱杆数量,能利旧部 分直接利旧,若可利旧数量不能满足新增的 AAU 安装需求,超出部分按无空余抱杆进行处理。


无空余抱杆但有新增条件:核算可新增抱杆数量,用于 安装 AAU,对于不足部分,按无空余抱杆无新增条件处理。

 
无空余抱杆且无新增条件如下。

 
改造方法一:若一家运营商存在多个系统天线,可采用 多频段多端口进行替换,空余抱杆用于安装 AAU。


改造方法二:采用长抱杆替换短抱杆,将 AAU 和原有 天线统一安装于长抱杆。

 
无论是何种改造方式,在确定方案时,均需要对高度、 风荷、承重和天线隔离度等进行核算,避免对铁塔结构造成 破坏,影响安全性。


混合组网架构下的 5G 基站改造进程


一线城市为例,来看看 5G 基站的改造进程情况。


帝都北京:

北京市通信管理局数据显示,截至 7 月底,铁塔公司已完成建设交付 5G 基站 7863 个,运营商开通 5G 基站 6324 个,预计到 2019 年底,全市将建设 5G 基站超过 1 万个。

 


魔都上海:

上海铁塔已承接三大运营商 1.3 万个 5G 基站部署,但考虑到实际建设中的困难,上海铁塔保守预计,今年年底可以完工 1 万个基站。目前,上海铁搭交付的 3700 个 5G 基站,三大运营商基本已开通。

 


妖都广州:

广州市工业和信息化局消息指出,广州正在全力推进 5G 发展,预计今年底将建成 1.46 万座 5G 基站。据悉,截至 6 月底,广州已建成并开通 5000 座 5G 基站。广州市工信局预计,到 2021 年,广州将建成 5G 基站 6.5 万座。截止 4 月,广州市已建成 200 多座 5G 基站,开通了 10 多个 5G 实验场景。

 


梦都深圳:

深圳市工业和信息化局表示:到 2019 年底,深圳市预计共建成 5G 基站 1.5 万个,到 2020 年 8 月底,累计建成 5G 基站 4.5 万个,率先实现全市 5G 网络全覆盖。截至 8 月 1 号,深圳市 5G 基站已经建成 3777 个。

 


总结语


5G 堪称数字经济的聚宝盆,具有高科技、高投入、高回报等特性,其溢出效应显著,每投入 1 个单位,将带动 6 个单位的经济产出,因此成为各行各业追逐的对象。在 5G 发展的过程中,受到资金与时间的限制,采用 NSA 和 SA 混合架构并行发展的模式是历史的选择,在这条路上有许多还未解决的问题,技术上的、资金上的、能源上的、用户层面的,都是运营商们未来需要挑战的对象。具体发展如何,我们拭目以待!

 

 

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