億源通丨5G承載網(wǎng)中的WDM技術(shù)

  5G應(yīng)用場(chǎng)景

  2019年啟動(dòng)建設(shè)的5G通信技術(shù)，一般認(rèn)為，對(duì)人類社會(huì)的改變將不限于日常生活，它將支撐互聯(lián)網(wǎng)從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向智能互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)，并對(duì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

  國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景：eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、uRLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications，高可靠性低時(shí)延連接）、mMTC（Massive Machine Type Communication，大規(guī)模機(jī)器類通信）。其中，eMBB要求用戶的體驗(yàn)速率達(dá)到1Gbps，可以支撐3D及超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)；uRLLC要求傳輸時(shí)延低于1ms，以支撐無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程手術(shù)等實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景；mMTC指的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，要求終端連接密度達(dá)到每平方公里百萬級(jí)。

  5G承載網(wǎng)的架構(gòu)

  5G商用，承載先行。為支撐上述三大應(yīng)用場(chǎng)景，要求對(duì)基于光纖的承載網(wǎng)進(jìn)行重新規(guī)劃。圖1為典型的5G承載網(wǎng)架構(gòu)，它通常由城域接入網(wǎng)、城域匯聚網(wǎng)、城域核心網(wǎng)和省際骨干網(wǎng)四級(jí)構(gòu)成?？紤]投資和運(yùn)維成本，在無線接入RAN段，4G通信系統(tǒng)通常采用的是基于RRU+BBU功能劃分的D-RAN（分布式無線接入）架構(gòu)，5G則演進(jìn)為基于AAU+DU+CU功能劃分的C-RAN（集中式或者云化的無線接入）架構(gòu)。

圖1. 5G承載網(wǎng)架構(gòu)

  5G承載網(wǎng)的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過光模塊和光纖連接，其中基站與DU之間的連接被定義為前傳、DU與CU之間的連接被定義為中傳、CU與城域核心網(wǎng)之間的連接被定義為回傳。前傳距離通常<10/20公里，接口速率為10/25/100Gbps；中傳距離通常<40公里，接口速率為25/50/100Gbps；回傳距離通常為40-80公里，接口速率為100/N×100Gbps；而省際骨干網(wǎng)的傳輸距離在數(shù)百公里，接口速率為N×100/200/400Gbps。

圖2. 5G承載網(wǎng)中的前傳、中傳和回傳鏈路

  與4G網(wǎng)絡(luò)不同的是，5G信號(hào)因頻率更高，單個(gè)基站的覆蓋面積減少，5G組網(wǎng)需要布設(shè)的基站數(shù)量將是4G網(wǎng)絡(luò)的2-3倍。為控制成本，5G前傳和中傳網(wǎng)絡(luò)更多的采用C-RAN架構(gòu)，替代4G網(wǎng)絡(luò)常用的D-RAN架構(gòu)。C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)有：其一，相對(duì)D-RAN可減少末端機(jī)房和傳輸設(shè)備需求，節(jié)省站址獲取、機(jī)房租金和傳輸成本，理論上集中度越高則效果越明顯；其二，由于DU集中放置便于統(tǒng)一維護(hù)，因此在機(jī)房建設(shè)、設(shè)備維護(hù)乃至空調(diào)電費(fèi)上，較D-RAN有明顯優(yōu)勢(shì)，因此C-RAN將成為5G中前傳網(wǎng)絡(luò)的主要部署模式;其三，C-RAN架構(gòu)對(duì)DU進(jìn)行池組化或者云化部署，可實(shí)現(xiàn)基帶資源的共享和多站間的業(yè)務(wù)協(xié)同。

  選擇傳輸技術(shù)的考量因素

  光纖傳輸技術(shù)在電信骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域已經(jīng)成為主導(dǎo)并獲廣泛應(yīng)用，為了增加傳輸容量，普遍采用WDM傳輸，然而面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景，具體的傳輸技術(shù)有所差異。影響選擇的主要因素是光纖鏈路的損耗和色散；所采用的光源（包含調(diào)制器）和探測(cè)器，對(duì)傳輸系統(tǒng)的成本有重要影響，也是選擇技術(shù)方案時(shí)的考量因素。此外，產(chǎn)業(yè)鏈的傳承也對(duì)成本有重要影響，成為重要考量因素之一。

  常規(guī)石英光纖的損耗譜如圖3所示，它的第一、二、三傳輸窗口分別以850nm、1310nm和1550nm為中心，其中850nm是最早的多模光纖通信系統(tǒng)所采用的傳輸波長；1310nm是常規(guī)單模光纖G.652的零色散點(diǎn)位置，如圖4（a）所示，光纖中的材料色散和波導(dǎo)色散在此波長處相互抵消；1550nm則是石英光纖的損耗最低處，為了克服G.652光纖在此處色散較大的問題，人們開發(fā)了G.655光纖，將光纖的零色散點(diǎn)設(shè)置在偏離1550nm不遠(yuǎn)處，如圖4（b）所示，這樣可以在1550nm波段獲得低色散，又不會(huì)在DWDM傳輸時(shí)產(chǎn)生四波混頻、交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng)。

圖3. 光纖損耗譜

圖4. G.652和G.655光纖的色散曲線

  在工程應(yīng)用中，人們通常將圖3中的第二、三傳輸窗口分別稱為O波段和C波段，為了拓展可利用的傳輸波段，人們?cè)贑波段的左右兩側(cè)開發(fā)了S、L兩個(gè)波段。此外，通過對(duì)石英光纖的進(jìn)一步提純，削去因OH-離子吸收在1385nm附近產(chǎn)生的水峰，拓展出E波段，從而將石英光纖的傳輸帶寬擴(kuò)充至1260~1620nm，寬達(dá)360nm，通常稱為全波光纖。

  通信系統(tǒng)通常采用半導(dǎo)體激光器作為光源，所發(fā)射的并非理想單色光，總是存在一定的光譜線寬，其中不同波長成分因色散而傳播速度不同，在高速長距離傳輸系統(tǒng)中，容易引起誤碼。不同傳輸速率的光信號(hào)，對(duì)色散的容差如表1。

  表1. 不同傳輸速率對(duì)色散的容差

  早期的低速傳輸系統(tǒng)，通常采用低成本但譜線較寬的FP激光器；10Gbps以上的高速傳輸，往往采用譜線較窄的DFB激光器。為了控制成本，當(dāng)傳輸距離不長的時(shí)候，人們傾向于對(duì)DFB激光器進(jìn)行直接調(diào)制，稱為直接調(diào)制激光器DML。直接調(diào)制激光器會(huì)產(chǎn)生啁啾效應(yīng)，讓譜線展寬，產(chǎn)生更多的色散。因此為了不影響半導(dǎo)體激光器的線寬從而傳輸更長距離，人們?cè)诩す馄髦蟠右粋€(gè)電吸收調(diào)制器EAM，這種DFB+EAM組合結(jié)構(gòu)，稱為EML激光器。在更長距離傳輸系統(tǒng)中，則需要采用鈮酸鋰調(diào)制器，它是一種MZ干涉器結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器件。

  面向各種應(yīng)用場(chǎng)景的傳輸方案

  5G投資的重頭在前傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，因投資額巨大，超出單個(gè)運(yùn)營商的承擔(dān)能力，中國聯(lián)通和中國電信將合建一張5G前傳網(wǎng)絡(luò)，中國移動(dòng)則與中國廣電合建一張5G前傳網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)無線基站需要具備三個(gè)扇區(qū)信號(hào)的上/下載接口，在共建共享的模式下，單個(gè)基站的帶寬需求倍增，因此一個(gè)5G基站往往需要6個(gè)25G接口才能滿足需求；在4G、5G共站部署的場(chǎng)景下，要求一個(gè)基站提供12個(gè)前傳接口；在某些綜合接入?yún)^(qū)，因帶寬需求更高，需要單個(gè)基站提供24個(gè)前傳接口。基于上述應(yīng)用場(chǎng)景，具備12個(gè)前傳接口的基站將成為5G前傳網(wǎng)絡(luò)中的主流配置。

  在4G前傳網(wǎng)絡(luò)中，BBU靠近RRU，更多采用D-RAN架構(gòu)，傳輸技術(shù)更多選擇光纖直驅(qū)方式。5G網(wǎng)絡(luò)中的DU遠(yuǎn)離AAU集中部署，對(duì)前傳光纖消耗較大，xWDM將成為主流。5G前傳網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及光纖資源情況，分為D-RAN、C-RAN小集中和C-RAN大集中三種情況，如圖5所示。D-RAN部署場(chǎng)景，仍采用光纖直驅(qū)方案，通常建議采用BiDi單纖雙向傳輸，可節(jié)約一半光纖資源，如圖6所示。在C-RAN小集中場(chǎng)景下，需要6個(gè)25G接口，采用6波CWDM傳輸方案，如圖7所示。

圖5. 5G前傳網(wǎng)絡(luò)部署方式

圖6. 光纖直驅(qū)的傳輸方式

圖7. 6波CWDM前傳方案

  在C-RAN大集中場(chǎng)景下，每個(gè)無線基站通常需要12個(gè)高速光接口，為此中國移動(dòng)推出了12波MWDM傳輸方案，選用的12個(gè)波長如表2，在6波CWDM激光芯片的基礎(chǔ)上，通過TEC溫控，將激射波長分別左右漂移3.5nm，獲得12個(gè)傳輸波長。中國電信則選擇了12波LWDM傳輸方案，信道間隔為800GHz，12個(gè)波長如表3，由于波長間隔只有4.3-4.7nm，需要TEC溫控來穩(wěn)定光源的工作波長。MWDM及LWDM傳輸方案，因TEC的引入，光模塊的功耗通常會(huì)增加0.5W左右。

  各種WDM傳輸波長及光纖色散如圖8所示，可以看到，CWDM的后2波因遠(yuǎn)離光纖的零色散點(diǎn)1310nm，色散抬頭嚴(yán)重，為補(bǔ)償因光纖色散引起的損耗代價(jià)，需要采用靈敏度更高的APD光探測(cè)器。因此可以看到，在表2的CWDM傳輸方案中，對(duì)于激光器和光探測(cè)器方案，前4波選擇的是DML+PIN，后2波選擇的是DML+APD。MWDM的后4波因同樣原因，也選用DML+APD方案。

  表2. CWDM/MWDM傳輸波長及實(shí)現(xiàn)方案

表3. LWDM傳輸波長及實(shí)現(xiàn)方案

圖8. 光纖色散曲線與5G前傳WDM方案

  表2及表3中同時(shí)列出了各種WDM傳輸方案中的產(chǎn)業(yè)鏈共用情況。WDM技術(shù)最早應(yīng)用于電信領(lǐng)域，但主要用在長距離傳輸?shù)墓歉删W(wǎng)與核心網(wǎng)中，采用的是C波段（1530-1570nm）DWDM傳輸，選擇依據(jù)是此波段的光纖傳輸損耗最低，但此產(chǎn)業(yè)鏈的各種光器件成本均較高。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)興起，光纖傳輸技術(shù)在數(shù)據(jù)中心得到廣泛應(yīng)用，成為光纖通信技術(shù)的第二個(gè)并且是更大的藍(lán)海市場(chǎng)。數(shù)據(jù)中心光纖傳輸距離相對(duì)較短，而數(shù)據(jù)傳輸速率較高，光纖傳輸方案重點(diǎn)解決色散受限的問題，與電信長途網(wǎng)中的損耗受限完全不同。

  當(dāng)前的5G前傳網(wǎng)絡(luò)，屬于電信應(yīng)用范疇，但其應(yīng)用場(chǎng)景則與電信長途網(wǎng)完全不同，反倒是與數(shù)據(jù)中心有相似之處，都是色散受限的高速短距傳輸，因此傳輸波長也是選擇以1310nm為中心的O波段。O波段CWDM、LWDM傳輸在數(shù)據(jù)中心已經(jīng)大量應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，5G前傳可共用其產(chǎn)業(yè)鏈，以降低建設(shè)成本。比如5G前傳中6波CWDM的前4波和12波MWDM的前8波，就可以共用數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，12波LWDM的2-5信道可以共用數(shù)據(jù)通信400G LR8產(chǎn)業(yè)鏈，7-10信道則可以共用數(shù)據(jù)通信100G LR4產(chǎn)業(yè)鏈。

  共用數(shù)據(jù)通信CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，也是中國移動(dòng)推出MWDM方案的重要原因，這樣可以在控制成本的情況下盡快開始5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

  針對(duì)5G前傳應(yīng)用新需求，億源通快速推出MWDM,LWDM系列產(chǎn)品，充分利用O波段光資源，增加波段利用率，提升速率。億源通可為客戶提供全系列WDM波分復(fù)用解決方案，包括CWDM、DWDM、CCWDM、MWDM、LWDM產(chǎn)品等。億源通科技在光通信行業(yè)擁有20年OEM/ODM研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)，在全球行業(yè)內(nèi)具有一定的影響力，專注于為客戶提供光通信無源基礎(chǔ)光器件設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造的一站式定制化生產(chǎn)，主要有光纖連接器，光纖跳線，PLC分路器，WDM波分復(fù)用器，MEMS光開關(guān)等產(chǎn)品線，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于FTTH, 數(shù)據(jù)中心（Data center），5G網(wǎng)絡(luò)，電信網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景。