5G前傳WDM技術(shù)方案進展分析

  截至2019年年底，我國5G基站數(shù)已經(jīng)超過13萬個。目前，我國正在加快推進5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進度，預(yù)計到2020年年底全國5G基站數(shù)將超過60萬個，5G承載網(wǎng)的建設(shè)受到廣泛關(guān)注。前傳網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)的一部分，相關(guān)技術(shù)方案的選擇將與運營商的投資、建設(shè)效率和維護管理等密切相關(guān)。

  本文從架構(gòu)、方案、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)進展等角度綜合分析了基于波分復(fù)用(WDM)的5G前傳方案，介紹了目前5G前傳WDM方案在標準化推進、系統(tǒng)測評等方面的進展，并對其未來發(fā)展提出了相關(guān)建議。

  5G前傳WDM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

  5G無線網(wǎng)絡(luò)部署主要有分布式無線接入網(wǎng)(DRAN)和集中式無線接入網(wǎng)(CRAN)兩種場景，其中CRAN又可分為CRAN小集中和CRAN大集中兩種模式。CRAN大集中一般需要集中單元(CU)云化和分布單元(DU)池化集中部署來支撐實現(xiàn)。DRAN場景相對簡單，有源天線單元(AAU)和DU一般分別部署在塔上和塔下，CRAN場景對應(yīng)的拉遠距離通常在10 km以內(nèi)[1]。

  5G前傳網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)AAU到DU之間的信號拉遠傳輸。集中式的CRAN架構(gòu)給5G前傳網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求，波分復(fù)用成為前傳網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)選方案，并存在無源WDM、有源WDM、半有源WDM等多種WDM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

       2.1 無源WDM方案

  無源WDM方案基于無中繼放大、無色散補償?shù)亩说蕉巳珶o源方式來實現(xiàn)低成本的波分復(fù)用傳輸(見圖1 )。AAU直接采用彩光模塊，通過分支光纜連接到無源合分波器;在局端DU側(cè)，無源合分波器進行波長復(fù)用/解復(fù)用，實現(xiàn)AAU到局端一一對應(yīng)的彩光波長連接，部署簡單，但存在無故障管理、維護難度較大等問題。

圖1 無源WDM架構(gòu)

  2.2 有源WDM方案

  有源WDM方案在遠端站和局端站均采用室外型有源WDM設(shè)備進行電層或/和光層復(fù)用(見圖2)。該方案減少了末端光纖數(shù)量，支持全拓撲結(jié)構(gòu)如環(huán)帶鏈/環(huán)形/鏈型/星型，也可以提供電信級的可管理性，但是成本較高，同時受基站供電條件等制約。

圖2 有源WDM架構(gòu)

  2.3 半有源WDM方案

  隨著5G網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模逐漸增加，前傳網(wǎng)絡(luò)將擁有數(shù)十萬甚至百萬量級的海量節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的可維護管理能力成為迫切需求，支持維護管理能力的半有源WDM方案成為目前業(yè)界研究的重點方向，其基本架構(gòu)如圖3所示。半有源WDM方案既是有源WDM方案的簡化，也是無源方案的增強。遠端AAU側(cè)為無源WDM，不受供電限制，局端BBU側(cè)WDM為有源設(shè)備，結(jié)合光模塊調(diào)頂功能[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、故障檢測和保護等能力。

圖3 半有源WDM架構(gòu)

  5G前傳WDM技術(shù)方案

  應(yīng)用于5G前傳的N×25 Gbit/s WDM技術(shù)根據(jù)使用的波長不同，目前有粗波分復(fù)用(CWDM)、基于以太網(wǎng)通道的波分復(fù)用( LWDM)、中等波分復(fù)用(MWDM)和密集波分復(fù)用(DWDM)4種，波長如圖4所示。

圖4 25G WDM波長選擇方案

  CWDM系統(tǒng)使用ITU-T G.694.2規(guī)范的1271 nm~1491 nm波長范圍，通道間隔20 nm。LWDM以IEEE 802.3-2018規(guī)范的400 GE LR8波長范圍(1273.54 nm~1309.14 nm)為基礎(chǔ)，通道間隔800 GHz(約4.4 nm)，對于12波系統(tǒng)，需進行4個波長的擴展，目前初定波長范圍在1269.3 nm~1318.35 nm。MWDM方案使用的波長范圍為1265 nm~1377 nm，對CWDM的6個標準CWDM波長進行通路間隔壓縮后擴展得到12個波長。DWDM主要是基于ITU-T G.698.x標準，使用C波段(1529.55 nm~1565.50 nm)。不同WDM技術(shù)的關(guān)鍵特性和實現(xiàn)方式比較見表1。

表1 N×25Gbit/s WDM方案比較

  5G前傳WDM產(chǎn)業(yè)及標準進展

       4.1 5G前傳產(chǎn)業(yè)進展

  從目前5G前傳產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況看，CWDM和MWDM主要共用100G CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，光迅、海信、上海欣諾、愛立信、烽火、瑞斯康達、格林威爾等多個模塊廠商和設(shè)備廠家擁有6波或12波25 Gbit/s CWDM商用產(chǎn)品，多個運營商省公司從2019年開始在現(xiàn)網(wǎng)已啟動規(guī)模部署了6波和12波無源CWDM產(chǎn)品。

  25 Gbit/s MWDM的產(chǎn)業(yè)鏈從2020年開始正在加速成熟當中。在設(shè)備方面，包括華為、中興、烽火在內(nèi)等廠商已經(jīng)啟動半有源MWDM研發(fā)，部分廠家已經(jīng)完成半有源MWDM原型設(shè)備并參加了中國移動的測試，滿足MWDM波長、距離和環(huán)境要求的模塊已有十數(shù)家廠家參與開發(fā)。

  25 Gbit/s DWDM目前已有II-VI、海信、易銳光電等模塊廠商可提供固定波長雙纖雙向25 Gbit/s DWDM光模塊，多個光模塊公司也正在開發(fā)25 Gbit/s可調(diào)諧DWDM光模塊，包括PIN接收和APD接收，單纖雙向和雙纖雙向光模塊，全C波段可調(diào)以及窄帶可調(diào)等多個類型，2019年年底中國聯(lián)通也在實驗室進行了相關(guān)系統(tǒng)測評演示。

  25 Gbit/s LWDM可重用100G CWDM4、100GLR4、400G LR8等多個產(chǎn)業(yè)鏈，目前旭創(chuàng)、光迅、索爾思、II-VI等模塊廠商正在進行LWDM光模塊研發(fā)，中國電信也在聯(lián)合設(shè)備商、模塊商進行產(chǎn)業(yè)推進和標準化制定等工作。

      4.2 5G前傳標準進展

  目前，業(yè)界已啟動5G前傳設(shè)備和模塊的標準制定工作。中國通信標準化協(xié)會(CCSA)已經(jīng)立項城域N×25 Gbit/s WDM系統(tǒng)總體技術(shù)部分標準，以及CWDM、MWDM、DWDM、LWDM 4種類型的25 Gbit/s光模塊標準。在ITU-T SG15中，Q6正在進行G.698.1、G.698.2和G.698.4面向25 Gbit/s速率的修訂工作，計劃在其中增加20 km、20個通道的25 Gbit/s接口光層指標，相關(guān)情況如表2所示。另外，ITU-T SG15 Q6也已啟動基于CWDM 25 Gbit/s方案的前傳技術(shù)標準化工作的討論。

表2 N×25 Gbit/s WDM前傳設(shè)備及模塊相關(guān)標準化工作

       4.3 5G前傳方案測評

  為了評估25 Gbit/s前傳模塊的發(fā)展水平，充分支持5G的商業(yè)進程，IMT-2020(5G)推進組的5G承載工作組分別在2018年和2019年年底組織進行了兩次25 Gbit/s及以上速率光模塊的測試評估工作。從測試結(jié)果來看，近兩年25 Gbit/s光模塊的成熟度、穩(wěn)定性以及與設(shè)備的兼容性等都有了較明顯的提高。

  在5G前傳設(shè)備方面，除了各運營商集團或省公司組織的25 Gbit/s CWDM系統(tǒng)的技術(shù)摸底或招標測試之外，支持OAM功能的半有源設(shè)備的測試評估成為業(yè)界關(guān)注的焦點。中國移動、中國電信、中國聯(lián)通正在分別開展和推動25 Gbit/s MWDM、25 Gbit/s LWDM、25 Gbit/s DWDM方案的完善及標準制定工作，預(yù)計在2020年上半年將陸續(xù)啟動新一輪的測試和驗證。

  結(jié)束語

  本文在重點介紹5G前傳WDM典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，聚焦分析了4種WDM技術(shù)方案的實現(xiàn)差異及最新的產(chǎn)業(yè)及標準化進展。整體來看，5G前傳除了目前初步規(guī)模部署的無源CWDM方案之外，基于半有源的3種WDM方案(MWDM/LWDM/DWDM)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

  從部署需求、傳輸性能優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展等多方面考慮，5G前傳WDM方案后續(xù)仍需業(yè)界協(xié)同推動、優(yōu)化和完善。一是結(jié)合應(yīng)用需求、成本等綜合因素，進一步加快優(yōu)化和規(guī)范傳輸功能、性能指標;二是聚焦維護管理功能特性需求，規(guī)范基于調(diào)頂方式的功能特性、實現(xiàn)協(xié)議、硬件集成模式等;三是鑒于目前多種WDM方案并存發(fā)展，后續(xù)業(yè)界應(yīng)盡量聚焦多種方案的共性特征，推動核心芯片和器件的研發(fā)協(xié)同，推動技術(shù)方案盡快成熟并促進整個產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展。

  參考文獻

  [1] IMT-2020 (5G)推進組. 5G承載需求白皮書[R], 2018.

  [2] IMT-2020 (5G)推進組. 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案白皮書[R], 2018.

  [3] 華鋒, 武成賓. 調(diào)頂信號對城域波分復(fù)用系統(tǒng)的影響[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2015(11):24-27.

  文章作者

  湯   瑞 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，主要從事高速光通信領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)、政策、標準和前沿技術(shù)研究工作。

  吳冰冰 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，博士，主要從事光模塊器件、光傳送網(wǎng)和量子信息領(lǐng)域研究工作。