對(duì)低成本O-Band高速彩光光模塊、全無源/全彩光的WDM雙星形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)端無源而僅在局端增加有源保護(hù)板來實(shí)現(xiàn)OLP保護(hù)的新機(jī)制進(jìn)行了研究。提出的創(chuàng)新WDM前傳設(shè)備及產(chǎn)品方案具有可野外安裝、可靈活部署、低成本、高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 5G前傳面臨光纖資源快速耗盡的窘境

根據(jù)3GPP 5G RAN功能切分，5G重構(gòu)為AAU、DU和CU多級(jí)架構(gòu)，與此相對(duì)應(yīng)的傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)部署可分為前傳、中傳和回傳。圍繞5G新無線技術(shù)的普及使用，對(duì)前傳網(wǎng)最本質(zhì)的需求已明確為大粒度25Gbit/s的高速高效直連透傳。

5G前傳網(wǎng)絡(luò)主要有分布式無線接入網(wǎng)（D-RAN）和集中式無線接入網(wǎng)（C-RAN）兩種部署模式，D-RAN模式就是傳統(tǒng)的一體化基站的部署模型，而其中新型的C-RAN又可細(xì)分為C-RAN小集中和C-RAN大集中兩種部署模式。

與4G相比，5G所使用的頻率更高，單基站覆蓋范圍較4G小很多，這意味著5G網(wǎng)絡(luò)要達(dá)到與4G網(wǎng)絡(luò)相同的覆蓋能力就需要更多的基站以更密集的方式進(jìn)行覆蓋。如果大量密集的基站直接使用光纖直連來解決覆蓋問題，那么就需要耗費(fèi)大量的光纖纖芯資源和管孔/管道的敷設(shè)資源。

5G基站接入光纜的一個(gè)非常普通的綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)的組網(wǎng)情況如圖1所示，一個(gè)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)常規(guī)情況下包含2個(gè)匯聚機(jī)房，4~6個(gè)一級(jí)分纖點(diǎn)，6個(gè)以上二級(jí)分纖點(diǎn)。當(dāng)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)光纜充足、AAU和基站距離較近時(shí)，都可使用光纖直連的方式，這樣可以利舊綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)光纜資源，接入方式可就近接入二級(jí)分纖點(diǎn)連接DU；或者就近接入二級(jí)分纖點(diǎn)，再經(jīng)過聯(lián)絡(luò)光纜（配線/主干光纜）連接DU。而當(dāng)已有光纜資源不能滿足需求時(shí)，就需要通過新建光纜方式來連接DU。

圖1 綜合1.業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)5G接入模型

可見，5G發(fā)展及C-RAN部署模式對(duì)于主配線光纜的最大沖擊是纖芯資源消耗巨大。一般情況下，對(duì)于4G/5G基站業(yè)務(wù)，每個(gè)BBU有3個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分D頻段和F頻段，其中D頻段設(shè)置3個(gè)載波，F(xiàn)頻段設(shè)置1個(gè)載波，采用單纖雙向光模塊和D頻IR壓縮技術(shù)后，每個(gè)基站點(diǎn)需占用1×3×3=9根纖芯。若一個(gè)機(jī)房內(nèi)部署10個(gè)BBU，則需要預(yù)留90根纖芯。對(duì)于室內(nèi)分布和集客專線、家庭寬帶業(yè)務(wù)，假設(shè)1個(gè)C-RAN區(qū)內(nèi)有2個(gè)微網(wǎng)格，每個(gè)微網(wǎng)格內(nèi)有3000戶，通過測(cè)算1個(gè)C-RAN區(qū)內(nèi)需要120根纖芯。

若4G基站實(shí)行RRU-BBU雙路由保護(hù)機(jī)制，5G基站不實(shí)行雙路由保護(hù)機(jī)制，則配線光纜纖芯需求為8×9×1+2×9×2+120=228芯，若5G也采用雙路由保護(hù)，配線纖芯就需要348芯。這樣一來，配線光纜就需要布放288芯以上的光纜，主干光纜就需要采用432芯以上的光纜了。在考慮到并非所有路由都需要保護(hù)的情況下，主干光纜均采用288芯光纜，圍繞1~2個(gè)綜合業(yè)務(wù)機(jī)房進(jìn)行建設(shè)，覆蓋2~3個(gè)C-RAN區(qū)。若主干光纜采用432芯光纜，可覆蓋3~4個(gè)C-RAN區(qū)。

從以上分析可以看出，5G前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)光纜資源的挑戰(zhàn)巨大。另外，針對(duì)C-RAN大集中的應(yīng)用場景，如果仍采用光纖直連，傳輸距離也成為無法逃避的大問題，因此，為降低光纜建設(shè)成本，節(jié)省光纖消耗，就必須使用波分復(fù)用（WDM）設(shè)備來解決前傳長距離傳輸和光纖耗盡問題。

2 全無源O-Band CWDM的創(chuàng)新技術(shù)

2.1 低成本的O-Band CWDM彩光光模塊

前傳網(wǎng)除了光纖以外，還需要使用CPRI/eCPRI接口的光模塊或光設(shè)備。由于5G前傳是室外應(yīng)用，因此需要可以野外安裝的工業(yè)級(jí)（-40°C~85°C）光模塊。目前為實(shí)現(xiàn)更寬溫度范圍的光模塊技術(shù)方案主要有：（1）商業(yè)級(jí)（0~70°C）25Gbit/s直調(diào)（DML）芯片+帶制冷封裝方式，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)激光器芯片要求低，缺點(diǎn)是增加了功耗與成本；（2）直接采用工業(yè)級(jí)的25Gbit/s DML芯片，優(yōu)點(diǎn)是封裝簡單、功耗成本低，缺點(diǎn)是工業(yè)級(jí)激光器芯片工藝實(shí)現(xiàn)困難（如摻鋁量子阱材料生長）。

針對(duì)25Gbit/s的高速光模塊，各主流器件和光模塊廠家都在嘗試基于10G波特率的DML（直接調(diào)制激光器）工溫芯片，以超頻方式來低成本地實(shí)現(xiàn)25Gbit/s的高速收發(fā)光模塊。其基本思路都是利用更復(fù)雜的電調(diào)制解調(diào)技術(shù)來降低模塊對(duì)激光器物理帶寬的要求或減少激光器的使用數(shù)量來降低成本的。一種方法就是利用PAM-4（四電平脈沖幅度調(diào)制）技術(shù)實(shí)現(xiàn)1個(gè)周期傳輸2bit信息，相對(duì)于NRZ（非歸零碼）的1個(gè)周期傳輸1bit信息來說倍頻了一倍。另外就是使用更高階的調(diào)制技術(shù)或多種調(diào)制技術(shù)混合使用，例如華為采用離散調(diào)音技術(shù)（DMT）來實(shí)現(xiàn)單波100Gbit/s 的光模塊。

目前市場上可成熟規(guī)模使用的、符合O-band CWDM中心波長分配表（如表1）要求的前6個(gè)波的25Gbit/s光模塊最新的市場價(jià)格已降低到400元/個(gè)的水平，而同樣速率的工作于C-band的光模塊價(jià)格卻仍在3000元/個(gè)以上，由此可見使用O-band CWDM光模塊構(gòu)建的波分系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

如表1所示，我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)的全無源、有保護(hù)的O-band CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）型5G前傳產(chǎn)品，就采用CWDM在O-band的前6個(gè)工作波長的彩光光模塊，并以這6個(gè)波長為單位進(jìn)行堆疊，通過模塊化設(shè)計(jì)，可以提供超低成本的6波、12波、18波、24波等5G前傳網(wǎng)光模塊解決方案。

表1 O-band CWDM的中心波長分配

采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化架構(gòu)，使得設(shè)備可實(shí)現(xiàn)低成本靈活配置，例如實(shí)現(xiàn)一個(gè)基站一根光纖的前傳多方向匯聚。這種配置模式完全匹配5G前傳需要（S111配置需要6個(gè)光方向收發(fā)），能夠以6波為單位將分散在多個(gè)基站位置點(diǎn)的高速光連接在綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)進(jìn)行多方向的大匯聚、大集中，是構(gòu)造C-RAN大集中的最佳方案。

另一方面，可以共享在數(shù)據(jù)中心商用規(guī)模巨大的、成熟的光模塊產(chǎn)業(yè)鏈，可以通過PIN/APD（光電二極管/雪崩二極管）、DML/EML（直接調(diào)制激光器/電吸收調(diào)制激光器）、NRZ/PAM4（非歸零碼/脈沖幅度4電平調(diào)制）、CWDM/LWDM（粗波分復(fù)用/局域網(wǎng)波分復(fù)用）、波片/AWG（陣列波導(dǎo)光柵）、PIC/PLC（光子集成電路/平面波導(dǎo)電路）、BiDi/非BiDi（單纖雙向）、灰光/彩光、室內(nèi)/室外等標(biāo)準(zhǔn)光模塊的靈活選擇配置，來滿足各種速率、各種傳輸距離和各種線路功率預(yù)算的指標(biāo)要求。

2.2兩端全無源的低成本雙星形WDM架構(gòu)

5G前傳的高速光纖連接需求讓運(yùn)營商普遍面臨接入光纜匱乏的痛點(diǎn)，而已在干線和核心網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)能夠在單根光纖上就可非常簡單地提供40波，甚至多達(dá)96波的波長通道。因此我們完全可以順理成章地將WDM技術(shù)引入到前傳網(wǎng)中，讓W(xué)DM為前傳網(wǎng)，簡單、快速地提供大量波長通道（相當(dāng)于提供了大量的虛擬光纖），這樣就可以大大節(jié)約前傳網(wǎng)的接入光纖使用量，解決運(yùn)營商接入光纖匱乏的痛點(diǎn)問題。

針對(duì)光纖直驅(qū)需要消耗大量光纖資源的問題，我們提出了面向5G前傳的低成本的新型波分復(fù)用（WDM）設(shè)備的原理架構(gòu)如圖2所示。為了降低成本，該創(chuàng)新方案首先采用無中繼放大、無DCM（色散補(bǔ)償模塊）、無中間OADM（光分插復(fù)用器）跳接的設(shè)計(jì)思路，核心架構(gòu)采用兩端全無源的雙星型組網(wǎng)拓?fù)洹?/p>

圖2 兩端全無源的雙星形純透傳直連的WDM直驅(qū)結(jié)構(gòu)

在兩端全無源的雙星形波分復(fù)用（WDM）方案中，在AAU一側(cè)直接采用彩光模塊（ 6/12/18波）和無源合分波器件，無源合分波器不需要帶電工作，完全可以部署在野外的分纖箱、接頭盒、光交箱等處。在基帶站點(diǎn)DU側(cè)，也全部采用彩光模塊，由無源合分波器進(jìn)行波長復(fù)用/解復(fù)用，實(shí)現(xiàn)AAU到DU對(duì)應(yīng)波長的連接。

該方案的突出特點(diǎn)就是在線路側(cè)只需一根工作纖芯，對(duì)主干光纖資源消耗極低；而且遠(yuǎn)端系統(tǒng)無需供電，具備室外部署能力。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)、星型和鏈型等多種組網(wǎng)場景需求。但該方案有一個(gè)麻煩點(diǎn)就是每個(gè)匯聚方向所使用的波長必須要按固定順序排列，兩端所使用的光模塊是一一對(duì)應(yīng)的，因此需要全WDM系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃。

前傳WDM雙星形直驅(qū)設(shè)備是典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它去除掉了ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）設(shè)備和OLT（光線路終端）設(shè)備，也讓OTN（光傳送網(wǎng)）、PTN（分組傳送網(wǎng)）、SPN（切片分組網(wǎng)）等設(shè)備的電層處理成為多余。

WDM雙星形結(jié)構(gòu)的上下行傳輸均使用獨(dú)立的、不同顏色的透明波長通道，不需要進(jìn)行任何專門的MAC層協(xié)議處理，通道之間不需要帶寬的動(dòng)態(tài)分配，故系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低，傳輸效率也得到了大幅提高。在提供更高帶寬的高速直連通道的同時(shí)，傳輸時(shí)延也是所有前傳方案中最低的。

兩端全無源的彩光前傳波分系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)免連線、免規(guī)劃和免維護(hù)。使用簡單可靠的低成本無源系統(tǒng)來解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，減少了大量的有源設(shè)備，避免了由于OTDR等有源設(shè)備的高插入損耗對(duì)光纖線路等的測(cè)量限制，因此可以免去復(fù)雜繁瑣的運(yùn)維管理，真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)和免管理的省心服務(wù)。

2.3能保持遠(yuǎn)端無源的OLP保護(hù)機(jī)制創(chuàng)新

在傳統(tǒng)的不使用OTN幀結(jié)構(gòu)的有源WDM系統(tǒng)中，為了應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)自愈能力，一般通過OLP（Optical Line Protection，光線路保護(hù)）功能，在工作線路失效時(shí)將工作線路自動(dòng)切換到保護(hù)線路（光纜）上，以保證業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷，如圖3所示。

OLP保護(hù)主要分為兩種類型：1+1保護(hù)方式和1:1保護(hù)方式。OLP 1+1保護(hù)主要是采用雙發(fā)選收的保護(hù)方式，因此倒換時(shí)間快、穩(wěn)定性好；1:1的OLP保護(hù)方式主要是采用選發(fā)選收的保護(hù)方式，需要在兩端交互APS自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議信息來協(xié)調(diào)系統(tǒng)兩端的保護(hù)倒換動(dòng)作，因此倒換時(shí)間稍慢。從上面的論述我們不難發(fā)現(xiàn)，這兩種OLP模式都必須要求兩端設(shè)備是有源的。那么，如果我們想要把這種OLP保護(hù)手段用于前傳網(wǎng)絡(luò)就要面臨必須在室外的天線一側(cè)給WDM設(shè)備提供電源的巨大壓力，這也同時(shí)說明傳統(tǒng)的具有OLP功能的有源型WDM設(shè)備是無法在野外部署的。

圖3 有源WDM系統(tǒng)的OLP保護(hù)倒換方式

針對(duì)傳統(tǒng)的有源波分方案需要供電而無法野外安裝的問題，以及傳統(tǒng)的純無源波分方案不具有任何的保護(hù)措施這樣的不足，我們創(chuàng)新性地提出了面向5G前傳的可在保持遠(yuǎn)端無源特性的情況下，僅僅通過局端增加有源保護(hù)板卡即可實(shí)現(xiàn)端到端全彩光OLP保護(hù)功能的新機(jī)制。如圖4所示，局端側(cè)采用有源保護(hù)板卡，遠(yuǎn)端側(cè)仍保持為無源狀態(tài)，除了有源保護(hù)板外兩端是全無源全彩光的，這樣非常便于部署和維護(hù)，同時(shí)滿足高可靠性，大大降低5G建設(shè)的綜合成本。既能極大程度緩解光纖資源的壓力，又能兼顧成本、管理和保護(hù)優(yōu)勢(shì)，助力運(yùn)營商低成本、高帶寬和快部署5G前傳網(wǎng)。

圖4 全無源、全彩光、帶保護(hù)的O-band CWDM前傳設(shè)備工作原理

面向5G前傳全新設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型O-band CWDM前傳傳輸系統(tǒng)的保護(hù)方案是一種全新的OLP保護(hù)機(jī)制。如圖4所示，在局端使用選發(fā)選收。在遠(yuǎn)端使用并發(fā)并收的模式，發(fā)送光信號(hào)經(jīng)過主、備用線路同時(shí)傳輸?shù)綄?duì)端，而并收是根據(jù)接收到的兩路信號(hào)的功率，選擇接收一路信號(hào)。一旦主用線路的光纖發(fā)生故障造成通信質(zhì)量下降時(shí)，主用線路的接收端檢測(cè)到信號(hào)的功率下降或失效后，自動(dòng)將傳輸信號(hào)從主用線路切換到備用線路。該方案最大的優(yōu)勢(shì)就是保持了遠(yuǎn)端波分復(fù)用設(shè)備的無源特征，在獲得無源系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又解決了光層的線路保護(hù)問題。

該創(chuàng)新方案在保持系統(tǒng)端到端無源的基礎(chǔ)上，僅通過增加有源保護(hù)板就可支持OLP 保護(hù)功能；基于LOS告警觸發(fā)，無需信令交互，支持對(duì)各通道的收發(fā)光功率的監(jiān)測(cè)功能，易于故障定位與維護(hù)；OLP保護(hù)功能支持熱插拔，可根據(jù)應(yīng)用場景選配；保護(hù)板取電方式靈活多樣；支持SNMP、Web等多種圖形化界面管理，提供電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理與保護(hù)功能；全無源保護(hù)方案可以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，純物理傳輸，符合5G前傳網(wǎng)對(duì)時(shí)延要求小的特性。全無源保護(hù)方案造價(jià)低，有利于運(yùn)營商運(yùn)維要求，對(duì)全網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)可視化管理。

3 O-band CWDM帶OLP保護(hù)的前傳設(shè)備應(yīng)用方案

為了減少在CU/DU成規(guī)模大集中的C-RAN模型組網(wǎng)情況下，一旦發(fā)生光纜中斷的情況，將會(huì)很大范圍地影響到下連的AAU站點(diǎn)的正常工作，同時(shí)為了提升5G面向自動(dòng)駕駛、企業(yè)應(yīng)用等綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，采用本文提出的全無源、全彩光、帶保護(hù)的前傳WDM創(chuàng)新方案就可提供基于在物理上隔離的不同光纜路由的光層OLP保護(hù)功能，保護(hù)倒換時(shí)間小于20ms，大大地提升了前傳網(wǎng)絡(luò)的可靠性；遠(yuǎn)端系統(tǒng)無需供電，具備室外部署能力；可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)、星型、鏈型等多種組網(wǎng)需求，適用于以下業(yè)務(wù)場景：

（1）在綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)光纜緊張、基站需通過多段主干配線光纜連接AAU、且AAU和基站距離較遠(yuǎn)時(shí)。

（2）在光纖資源匱乏地區(qū)，無管道資源，無條件新敷設(shè)光纖。

（3）受工期限制較大時(shí)，可作為應(yīng)急方案臨時(shí)解決光纖問題。

（4）要求提升5G前傳網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可管理性和可運(yùn)維性的環(huán)境。

圖5 全彩光帶保護(hù)的WDM前傳設(shè)備的雙路由保護(hù)典型應(yīng)用該方案在實(shí)際組網(wǎng)中的保護(hù)應(yīng)用場景如圖5所示，采用全無源、全彩光、帶保護(hù)的前傳WDM創(chuàng)新方案進(jìn)行簡單雙星型組網(wǎng)；AAU側(cè)采用無源WDM設(shè)備和彩光模塊，AAU側(cè)無源合分波器復(fù)用多個(gè)波長進(jìn)行WDM傳輸以節(jié)省光纖資源；局端BBU&DU側(cè)部署OLP有源保護(hù)板卡，提供保護(hù)和監(jiān)控的高可靠性能力。

該系統(tǒng)的WDM設(shè)備采用模塊化架構(gòu)，支持所有功能單元熱插拔，利于局端靈活部署及后期擴(kuò)容需求；通過有源OLP保護(hù)板卡實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的收發(fā)光功率的監(jiān)測(cè)功能和光層保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)前傳網(wǎng)絡(luò)的可管理性和可運(yùn)維性。

4 小結(jié)

由于光纖直驅(qū)方案對(duì)光纜纖芯消耗巨大，面臨光纜資源緊張、纖芯資源不足、新建光纜施工困難（市政協(xié)調(diào)、施工周期）、單機(jī)房覆蓋區(qū)域增大，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)性增加等問題。同時(shí)，傳統(tǒng)的無源WDM波分系統(tǒng)雖然無需供電，還省去了不必要的電層協(xié)議處理，可以低成本、迅速、大量虛擬出幾十個(gè)波長的光通道，但其被廣泛詬病的最大問題是不具有線路保護(hù)和監(jiān)控能力。再者，傳統(tǒng)的有源WDM波分系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)電信級(jí)保護(hù)倒換及維護(hù)管理，但端到端都需要供電，需要在機(jī)房內(nèi)部署。有鑒于此，本文按照既保持無源波分的低成本特性又克服其不具有保護(hù)能力的研發(fā)思路，創(chuàng)新性地提出了低成本的全彩光全無源O-band CWDM系統(tǒng)及半無源OLP保護(hù)創(chuàng)新方案，無疑會(huì)為5G前傳網(wǎng)建設(shè)帶來更加優(yōu)化的技術(shù)方案和設(shè)備產(chǎn)品選擇。

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