億源通丨5G承載網(wǎng)中的WDM技術

  5G應用場景

  2019年啟動建設的5G通信技術，一般認為，對人類社會的改變將不限于日常生活，它將支撐互聯(lián)網(wǎng)從移動互聯(lián)網(wǎng)向智能互聯(lián)網(wǎng)演進，并對產(chǎn)業(yè)生態(tài)產(chǎn)生深遠的影響。

  國際標準化組織3GPP定義了5G的三大應用場景：eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強移動寬帶）、uRLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications，高可靠性低時延連接）、mMTC（Massive Machine Type Communication，大規(guī)模機器類通信）。其中，eMBB要求用戶的體驗速率達到1Gbps，可以支撐3D及超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務；uRLLC要求傳輸時延低于1ms，以支撐無人駕駛、工業(yè)自動化、遠程手術等實時應用場景；mMTC指的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用，要求終端連接密度達到每平方公里百萬級。

  5G承載網(wǎng)的架構

  5G商用，承載先行。為支撐上述三大應用場景，要求對基于光纖的承載網(wǎng)進行重新規(guī)劃。圖1為典型的5G承載網(wǎng)架構，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)四級構成。考慮投資和運維成本，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，5G則演進為基于AAU+DU+CU功能劃分的C-RAN（集中式或者云化的無線接入）架構。

圖1. 5G承載網(wǎng)架構

  5G承載網(wǎng)的各級網(wǎng)絡節(jié)點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)絡不同的是，5G信號因頻率更高，單個基站的覆蓋面積減少，5G組網(wǎng)需要布設的基站數(shù)量將是4G網(wǎng)絡的2-3倍。為控制成本，5G前傳和中傳網(wǎng)絡更多的采用C-RAN架構，替代4G網(wǎng)絡常用的D-RAN架構。C-RAN架構的優(yōu)勢有：其一，相對D-RAN可減少末端機房和傳輸設備需求，節(jié)省站址獲取、機房租金和傳輸成本，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，因此在機房建設、設備維護乃至空調電費上，較D-RAN有明顯優(yōu)勢，因此C-RAN將成為5G中前傳網(wǎng)絡的主要部署模式;其三，C-RAN架構對DU進行池組化或者云化部署，可實現(xiàn)基帶資源的共享和多站間的業(yè)務協(xié)同。

  選擇傳輸技術的考量因素

  光纖傳輸技術在電信骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心等領域已經(jīng)成為主導并獲廣泛應用，為了增加傳輸容量，普遍采用WDM傳輸，然而面向不同的應用場景，具體的傳輸技術有所差異。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（包含調制器）和探測器，對傳輸系統(tǒng)的成本有重要影響，也是選擇技術方案時的考量因素。此外，產(chǎn)業(yè)鏈的傳承也對成本有重要影響，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的零色散點位置，如圖4（a）所示，光纖中的材料色散和波導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，將光纖的零色散點設置在偏離1550nm不遠處，如圖4（b）所示，這樣可以在1550nm波段獲得低色散，又不會在DWDM傳輸時產(chǎn)生四波混頻、交叉相位調制等非線性效應。

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，人們在C波段的左右兩側開發(fā)了S、L兩個波段。此外，通過對石英光纖的進一步提純，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充至1260~1620nm，寬達360nm，通常稱為全波光纖。

  通信系統(tǒng)通常采用半導體激光器作為光源，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，對色散的容差如表1。

  表1. 不同傳輸速率對色散的容差

  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，當傳輸距離不長的時候，人們傾向于對DFB激光器進行直接調制，稱為直接調制激光器DML。直接調制激光器會產(chǎn)生啁啾效應，讓譜線展寬，產(chǎn)生更多的色散。因此為了不影響半導體激光器的線寬從而傳輸更長距離，人們在激光器之后串接一個電吸收調制器EAM，這種DFB+EAM組合結構，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制器，它是一種MZ干涉器結構的電光調制器件。

  面向各種應用場景的傳輸方案

  5G投資的重頭在前傳網(wǎng)絡的建設，因投資額巨大，超出單個運營商的承擔能力，中國聯(lián)通和中國電信將合建一張5G前傳網(wǎng)絡，中國移動則與中國廣電合建一張5G前傳網(wǎng)絡。一個無線基站需要具備三個扇區(qū)信號的上/下載接口，在共建共享的模式下，單個基站的帶寬需求倍增，因此一個5G基站往往需要6個25G接口才能滿足需求；在4G、5G共站部署的場景下，要求一個基站提供12個前傳接口；在某些綜合接入?yún)^(qū)，因帶寬需求更高，需要單個基站提供24個前傳接口?；谏鲜鰬脠鼍埃邆?2個前傳接口的基站將成為5G前傳網(wǎng)絡中的主流配置。

  在4G前傳網(wǎng)絡中，BBU靠近RRU，更多采用D-RAN架構，傳輸技術更多選擇光纖直驅方式。5G網(wǎng)絡中的DU遠離AAU集中部署，對前傳光纖消耗較大，xWDM將成為主流。5G前傳網(wǎng)絡根據(jù)應用場景及光纖資源情況，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部署場景，仍采用光纖直驅方案，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小集中場景下，需要6個25G接口，采用6波CWDM傳輸方案，如圖7所示。

圖5. 5G前傳網(wǎng)絡部署方式

圖6. 光纖直驅的傳輸方式

圖7. 6波CWDM前傳方案

  在C-RAN大集中場景下，每個無線基站通常需要12個高速光接口，為此中國移動推出了12波MWDM傳輸方案，選用的12個波長如表2，在6波CWDM激光芯片的基礎上，通過TEC溫控，將激射波長分別左右漂移3.5nm，獲得12個傳輸波長。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波因遠離光纖的零色散點1310nm，色散抬頭嚴重，為補償因光纖色散引起的損耗代價，需要采用靈敏度更高的APD光探測器。因此可以看到，在表2的CWDM傳輸方案中，對于激光器和光探測器方案，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傳輸波長及實現(xiàn)方案

表3. LWDM傳輸波長及實現(xiàn)方案

圖8. 光纖色散曲線與5G前傳WDM方案

  表2及表3中同時列出了各種WDM傳輸方案中的產(chǎn)業(yè)鏈共用情況。WDM技術最早應用于電信領域，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。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設興起，光纖傳輸技術在數(shù)據(jù)中心得到廣泛應用，成為光纖通信技術的第二個并且是更大的藍海市場。數(shù)據(jù)中心光纖傳輸距離相對較短，而數(shù)據(jù)傳輸速率較高，光纖傳輸方案重點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。

  當前的5G前傳網(wǎng)絡，屬于電信應用范疇，但其應用場景則與電信長途網(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)絡的建設。

  針對5G前傳應用新需求，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，在全球行業(yè)內具有一定的影響力，專注于為客戶提供光通信無源基礎光器件設計、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波分復用器，MEMS光開關等產(chǎn)品線，產(chǎn)品廣泛應用于FTTH, 數(shù)據(jù)中心（Data center），5G網(wǎng)絡，電信網(wǎng)絡等場景。