面向5G前傳的半有源WDM技術(shù)創(chuàng)新

  張輝1 李明莉1 李岳琛2 李鑫2 徐榮3

  (1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)吉林延邊州分公司，吉林延邊州133000;2.成都鼎集信息技術(shù)有限公司;3.中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京100053;)

  摘要：5G對(duì)前傳網(wǎng)提出了需野外部署、高速透?jìng)?、密集直連、對(duì)成本敏感、高可靠性等更高要求。從五個(gè)方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)了面向5G前傳的低成本WDM的核心技術(shù)：(1)可野外安裝的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透?jìng)餍?A href="http://getprofitprime.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=WDM&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">WDM直驅(qū)結(jié)構(gòu);(2)以直接檢測(cè)實(shí)現(xiàn)低成本的中短距光模塊;(3)在O帶擴(kuò)展更多CWDM/LWDM波長(zhǎng)的方法;(4)以成熟的CWDM/LWDM光模塊堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)多方向匯聚及多級(jí)級(jí)聯(lián);(5)半無(wú)源WDM 的OLP保護(hù)新機(jī)制。并基于這些創(chuàng)新技術(shù)提出了可野外安裝、可模塊化堆疊、有保護(hù)的新型半有源WDM前傳創(chuàng)新方案，降低了5G前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，滿足了高可靠性的運(yùn)營(yíng)要求。

  關(guān)鍵詞：半有源波分復(fù)用;前傳網(wǎng);O帶波分復(fù)用;直撿光模塊;半無(wú)源光線路保護(hù)

  1 WDM是5G前傳的必選技術(shù)

  對(duì)于5G新無(wú)線采用的大規(guī)模多入多出天線(Massive-MIMO)技術(shù)，部分物理層功能也可下移至AAU(有源天線單元：Active Antenna Unit)實(shí)現(xiàn)，這樣就創(chuàng)造出了一種全新的網(wǎng)絡(luò)連接需求——前傳網(wǎng)絡(luò)，前傳是連接AAU與DU(分布單元：Distributed Unit)之間的傳輸通道，接口為eCPRI(enhanced Common Public Radio Interface)[1,2]，需要滿足>25Gbit/s的大帶寬和低時(shí)延的傳輸需求。另外與4G相比，5G[3]所使用的頻率更高，單基站覆蓋范圍較4G變小了，這意味著5G前傳網(wǎng)需要更密集的組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的基站覆蓋。

  5G前傳網(wǎng)最本質(zhì)的連接需要就是>25Gbit/s的高速大粒度與直接高效透?jìng)?，因此，如果有足夠的光纖可以使用，那么光纖直驅(qū)就是最簡(jiǎn)單的方案了。光纖直驅(qū)方案是在AAU與DU之間通過(guò)前傳光模塊和光纖直接連接起來(lái)的點(diǎn)到點(diǎn)直連方案。按照一般的需求測(cè)算，一個(gè)普通的接入點(diǎn)就需要36~48根光纖，一個(gè)C-RAN(Centralized/Collaborative/Cloud Radio Access Network)區(qū)域內(nèi)就會(huì)需要多達(dá)120根以上的光纖纖芯，主干光纜就需要超過(guò)300根纖芯的需求。

  為降低光纜建設(shè)成本，節(jié)省光纖消耗，可通過(guò)WDM(波分復(fù)用：Wavelength Division Multiplexing)[4,5]技術(shù)使用單根光纖就可非常簡(jiǎn)單地提供18波、32波、40波，甚至80波/96波，大大節(jié)約接入光纖使用量，解決接入光纖匱乏的痛點(diǎn)問(wèn)題。

  WDM波分是典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上下行傳輸均使用獨(dú)立的、不同顏色的透明波長(zhǎng)通道，不需要進(jìn)行任何專門的電層協(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，透?jìng)鞯膫鬏斝室驳玫搅舜蠓岣摺Ｔ谔峁└邘挼母咚僦边B通道的同時(shí)，傳輸時(shí)延是所有前傳方案中最低的。

  因此，WDM技術(shù)將成為5G前傳網(wǎng)技術(shù)的不二選擇。

  2 低成本、高可靠的前傳WDM創(chuàng)新技術(shù)

  2.1無(wú)需供電、可野外安裝的WDM直驅(qū)技術(shù)

  在過(guò)去的20多年里，WDM技術(shù)因?yàn)榭梢赃M(jìn)行密集波分復(fù)用DWDM，可以配置中繼放大，因而是骨干傳輸網(wǎng)中節(jié)省光纖、解決長(zhǎng)距離傳輸?shù)谋赜檬侄蝃4, 5]?，F(xiàn)如今，由于5G前傳與集客云專線的巨大需求，推動(dòng)著DWDM技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)的末端下沉。

  在網(wǎng)絡(luò)接入側(cè)應(yīng)用WDM技術(shù)時(shí)，長(zhǎng)距離傳輸不是首先要考慮的問(wèn)題了，而低成本成為首要考慮因素。這時(shí)，最簡(jiǎn)單的無(wú)中繼放大、無(wú)DCM(色散補(bǔ)償)、無(wú)中間光通道跳接的、純透?jìng)鲝?fù)用的點(diǎn)到點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)就成為低成本WDM的必然選擇。如圖1(a)所示，該結(jié)構(gòu)是端到端無(wú)源的，其工作原理與光纖直驅(qū)類似，但其最大的優(yōu)勢(shì)就是可以在一根光纖上同時(shí)提供大量的虛擬光纖(也就是波分通道)進(jìn)行直連，因此我們稱其為波分直驅(qū)或點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅(qū)。

  在無(wú)源波分復(fù)用(WDM)方案[4]中，如圖1(b)所示，遠(yuǎn)端AAU直接采用彩光模塊，遠(yuǎn)端采用的無(wú)源合分波器無(wú)需供電，可以根據(jù)線路的功率預(yù)算分配情況，以及根據(jù)匯聚方向數(shù)情況，靈活選擇部署位置。在基帶站點(diǎn)側(cè)，無(wú)源合分波器進(jìn)行波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用，實(shí)現(xiàn)AAU到基帶對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的連接，基帶側(cè)也全部采用彩光模塊，并與AAU側(cè)工作波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)、星型、鏈型等傳輸距離不太長(zhǎng)(<10km)的組網(wǎng)場(chǎng)景需求。

  由于5G前傳的遠(yuǎn)端側(cè)需要進(jìn)行室外部署，因此需要使用可以野外安裝的工業(yè)級(jí)(-40°C—85°C)光模塊。目前，實(shí)現(xiàn)工溫工作的技術(shù)方案主要有：(1)商業(yè)級(jí)25Gbit/s直調(diào)(DML)芯片+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(jiǎn)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(zhǎng))。

  無(wú)源彩光前傳波分系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)免連線、免規(guī)劃、免維護(hù)。使用簡(jiǎn)單可靠的低成本無(wú)源系統(tǒng)來(lái)解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，減少了大量的有源設(shè)備，避免了遠(yuǎn)端業(yè)務(wù)安裝需要供電的限制，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)、免管理的省心服務(wù)。但這也導(dǎo)致傳統(tǒng)的無(wú)源波分最大的問(wèn)題是沒(méi)有任何線路保護(hù)和管理能力。

  (a)低成本無(wú)電層匯聚復(fù)用的純透?jìng)髦边B的點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅(qū)結(jié)構(gòu)

  (b)無(wú)需取電的野外部署模式

(a)低成本無(wú)電層匯聚復(fù)用的純透?jìng)髦边B的點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅(qū)結(jié)構(gòu)

(b)無(wú)需取電的野外部署模式

圖1 無(wú)需供電、可野外安裝的低成本無(wú)源WDM技術(shù)

  2.2中短距高速光模塊向低成本的直接檢測(cè)回歸

  結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅(qū)系統(tǒng)除了復(fù)用/解復(fù)用器以外，剩下最重要的就是代表收發(fā)機(jī)的光模塊技術(shù)了。近年來(lái)，由于數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)通信升級(jí)的需求，5G前傳使用的25Gbit/s光模塊的研究熱點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向40km 以下基于直接檢測(cè)而非相干的中短距傳輸場(chǎng)景。

  強(qiáng)度調(diào)制—直接檢測(cè)(IM-DD)光纖系統(tǒng)中影響性能的物理?yè)p傷一般來(lái)自發(fā)射機(jī)和光纖傳播過(guò)程。主要的損傷有色散、激光器相位噪聲、激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲和四波混頻(FWM)。

  在IM-DD (強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè))系統(tǒng)中，當(dāng)色散存在時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致功率衰落問(wèn)題;而當(dāng)色散不存在時(shí)，又會(huì)發(fā)生四波混頻現(xiàn)象[4, 5] ;還有就是當(dāng)信號(hào)的符號(hào)率增加時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)信道非線性響應(yīng)的問(wèn)題。因此，專為低成本IM-DD系統(tǒng)提出的新型調(diào)制格式、收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)和DSP(數(shù)字信號(hào)處理)方案的目的就是為了抵抗直接檢測(cè)系統(tǒng)中的色散問(wèn)題和非線性效應(yīng)問(wèn)題。

  由色散導(dǎo)致的脈沖展寬效應(yīng)與調(diào)制光的光譜寬度的平方成比例。為了減小色散的影響，在光模塊中直接濾掉不必要的光譜部分是非常有效的。過(guò)去使用法布里—珀羅(F-P)激光器在多縱向模式上振蕩，整個(gè)光譜是強(qiáng)度調(diào)制的，從而產(chǎn)生非常寬的多頻率光譜。激光的多頻率成分引起的脈沖展寬可以通過(guò)將激光光譜限制為單縱模來(lái)消除，或者用DFB單縱模激光器來(lái)代替F-P多縱模激光器。

  使用更復(fù)雜、更高階調(diào)制，無(wú)疑又增加了DSP的處理復(fù)雜度，隨之又需要PD(光電探測(cè)器)、TIA(跨阻放大器)和兩倍帶寬甚至更高采樣率的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)。

  目前各主流器件、光模塊廠家都在嘗試基于10G電帶寬的DML(直接調(diào)制激光器)工溫芯片，以超頻方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本25Gbit/s高速光模塊。一種是利用10G電芯片帶寬的器件通過(guò)倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn)25Gbit/s的高速光信號(hào)收發(fā);另一條思路就是利用PAM-4(4電平脈沖幅度調(diào)制)技術(shù)實(shí)現(xiàn)1個(gè)周期傳輸2個(gè)bit信息，如圖2(a)所示，相對(duì)于NRZ的1個(gè)周期傳輸1bit信息來(lái)說(shuō)倍頻了一倍;他們的基本思路都是利用更復(fù)雜的電調(diào)制解調(diào)技術(shù)來(lái)降低收發(fā)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(lái)降低成本的，例如在同速率情況下，使用PAM-4技術(shù)可節(jié)省50%的光器件使用量。

(a)PAM-4技術(shù)原

(b)PAM直檢與相干處理環(huán)節(jié)對(duì)比

圖2 PAM-4技術(shù)原理及其直接檢測(cè)處理與相干檢測(cè)處理的對(duì)比

  直接檢測(cè)通常被視為一種實(shí)現(xiàn)低成本需求的方案。PAM4技術(shù)的基礎(chǔ)原理就是采用更密集的電平去傳輸更多的信息，PAM4的信號(hào)處理也分為兩種方法，一種是采用CDR(時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)的模擬方式，另一種是采用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的數(shù)字方式。如圖2(b)所示，考慮到一些已提出的直接檢測(cè)方案的復(fù)雜度、帶寬需求和數(shù)字處理能力，無(wú)論是使用單個(gè)PD 還是多個(gè)PD 的接收機(jī)，雖然都不能確定直接檢測(cè)是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、占用空間小的收發(fā)機(jī)的正確方法。但是如果我們降低對(duì)傳輸距離的期望值，例如限制在20km以內(nèi)，不必采用太過(guò)復(fù)雜的調(diào)制編碼技術(shù)，速率也限制在25Gbit/s量級(jí)，那么答案將是非常肯定的。

  對(duì)于是使用一倍數(shù)量的兩倍信號(hào)帶寬器件還是使用兩倍數(shù)量的一倍信號(hào)帶寬器件，需要綜合考慮成本、功耗和占用空間。目前，在20 km 以下，強(qiáng)度直接調(diào)制直接檢測(cè)方案仍然具有明顯的成本和性能優(yōu)勢(shì)，而在100 km以上，相干檢測(cè)占據(jù)著主導(dǎo)地位。

  2.3在O帶擴(kuò)展更多CWDM/LWDM波長(zhǎng)的技術(shù)創(chuàng)新

  目前已在數(shù)通領(lǐng)域成熟使用的LWDM 8光模塊使用的波長(zhǎng)為使用EML(電吸收調(diào)制激光器)的四個(gè)波長(zhǎng)1274、1278、1282、1286nm與使用DML(直接調(diào)制激光器)的四個(gè)波長(zhǎng)1295、1300、1305、1310nm;同時(shí)，目前成熟且非常便宜的CWDM在O-band的6個(gè)DML激光器的工作波長(zhǎng)為1271、1291、1311、1331、1351、1371nm。

  在半導(dǎo)體器件的工作機(jī)理決定下，激光器的工作波長(zhǎng)通常是隨溫度而變化的，如圖3所示，DFB激光器的溫度漂移系數(shù)大約為0.08nm/°C。在粗波分復(fù)用CWDM系統(tǒng)中，由于波長(zhǎng)間隔很寬(20nm)，可以不必考慮溫度引起的中心波長(zhǎng)飄逸問(wèn)題，因此其激光器常采用非冷卻激光器，而LWDM/DWDM由于波長(zhǎng)間隔很窄，常采用致冷型激光器，也就是使用半導(dǎo)體熱電致冷器TEC(Thermo Electric Cooler)，它可使激光器的結(jié)溫變化控制在±0.1°C范圍內(nèi)。有鑒于此，我們可以基于這個(gè)TEC工作機(jī)理來(lái)穩(wěn)定激光器的中心波長(zhǎng)或者人為有意地拉偏激光器的中心波長(zhǎng)，從而在不增加新的激光器芯片類型的基礎(chǔ)上，讓同一個(gè)激光器芯片輸出更多個(gè)WDM的工作波長(zhǎng)來(lái)。

圖3 標(biāo)稱值1310nm的DFB激光器在不同溫度下的中心波長(zhǎng)值

  按照對(duì)不同溫度的精確控制來(lái)穩(wěn)定光模塊不同的輸出波長(zhǎng)這個(gè)思路，我們?cè)诂F(xiàn)有的成熟的O波段間隔為20nm的CWDM方案的1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1351nm、1371nm的基礎(chǔ)上，讓每一個(gè)波長(zhǎng)通過(guò)TEC控制后，向左右各偏移3.5nm波長(zhǎng)就可以形成12個(gè)波長(zhǎng)的O帶WDM方案：1267.5、1274.5、1287.5、1294.5、1307.5、1314.5、1327.5、1334.5、1347.5、1354.5、1367.5、1374.5 (單位 nm)，如圖4所示。

  可以看出這個(gè)基于TEC擴(kuò)展CWDM6的波長(zhǎng)方案是7nm和13nm不等間隔的，具體實(shí)現(xiàn)上前8個(gè)波長(zhǎng)搭配DML+ PIN(光電二極管)+ TEC，后4個(gè)波長(zhǎng)因?yàn)樯⑤^大需要搭配DML+ APD(雪崩二極管)+ TEC，以此來(lái)滿足10km鏈路預(yù)算要求。

圖4 基于TEC以+/-3.5nm擴(kuò)展CWDM6而形成的非等間隔12波方案

  TEC的功能就是為了穩(wěn)定波長(zhǎng)，如果通過(guò)TEC的溫度來(lái)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，TEC會(huì)工作在大電流的狀態(tài)，因此光模塊的功耗會(huì)高很多。

  為了在O帶獲得更多波長(zhǎng)的WDM應(yīng)用系統(tǒng)，我們還可以想到的就是直接基于成熟的LWDM來(lái)擴(kuò)展12波方案，也就是分別采用八個(gè)LWDM波長(zhǎng)+四個(gè)CWDM的波長(zhǎng)分配方案，全部采用4.5nm的等間隔，也就是1269、1273、1277、1282、1286、1291、1295、1300、1305、1309、1313、1317(此激光器若無(wú)供貨可用1331取代)nm。這樣一來(lái)，激光器芯片就一部分繼承了LWDM8中所使用的EML激光器，另一部分繼承了CWDM/LWDM中所使用的DML激光器，如圖5所示。由于該方案的波長(zhǎng)間隔較窄，每個(gè)光模塊都必須使用TEC來(lái)穩(wěn)定中心波長(zhǎng)。

  這種基于現(xiàn)行的LWDM擴(kuò)展的25Gbit/s彩光模塊產(chǎn)品，支持SFP28封裝形式，工作溫度-40至85℃，傳輸距離為10/20km，其12個(gè)波長(zhǎng)方案為8個(gè)DML和4個(gè)EML，通過(guò)低成本的DML/EML TO氣密封裝和內(nèi)置TEC控制波長(zhǎng)漂移來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 等間隔4.5nm共享已有CWDM的DML、LWDM的EML的12波方案

  基于TEC擴(kuò)展CWDM的12波WDM的工作波段在1266~1377nm;而基于LWDM擴(kuò)展的12波的工作波段在1269~1332nm區(qū)間。二者的主要差異就集中在133x~137x這幾十個(gè)納米之中，因?yàn)楣饫w在這一段的色散比較大，為了克服色散的影響 CWDM12給出的解決方案是前八波用PIN接收，后四波用APD來(lái)提高靈敏度，以補(bǔ)償133x~137x由于色散而導(dǎo)致的功率代價(jià)。O-band的LWDM12，波長(zhǎng)間隔窄一些(為4.5nm)能省掉APD，但需要用TEC致冷器和EML型激光器。

  一般情況下，使用EML相對(duì)于DML意味著高成本，使用TEC、APD也會(huì)增加成本。在5G前傳光電器件的設(shè)計(jì)中，盡管成本挑戰(zhàn)極大，但是無(wú)論提出什么樣的波長(zhǎng)排列方案，都必須是以保證光芯片與光模塊產(chǎn)品性能指標(biāo)為前提的，并需要考慮功耗、壽命、長(zhǎng)期可靠性等因素。

  2.4低成本、模塊化CWDM/LWDM型O帶波分技術(shù)

  為了減小色散對(duì)WDM系統(tǒng)的影響，容易想到的解決方案就是工作于接近零色散的O-band區(qū)域，在理論上可以增加傳輸距離，但當(dāng)WDM工作點(diǎn)趨近零色散點(diǎn)時(shí)又有兩點(diǎn)不足：

  第一個(gè)不足是在該區(qū)域中有較高的光纖損耗，從接收機(jī)靈敏度的角度來(lái)看，這會(huì)導(dǎo)致傳輸距離變小。目前較新型的光纖在1550nm 處的衰減系數(shù)不高于0.18dB/km，在1310 nm 處的衰減系數(shù)不高于0.32dB/km。假設(shè)在兩個(gè)波長(zhǎng)處具有相同的發(fā)射功率，則衰減系數(shù)的增加將會(huì)導(dǎo)致42.9%的傳輸距離減少。

  第二個(gè)不足是在零色散波長(zhǎng)附近的光譜區(qū)域中，想采用WDM來(lái)復(fù)用多個(gè)載波的能力會(huì)受到克爾效應(yīng)所帶來(lái)的非線性限制，而且它們會(huì)隨信號(hào)功率的增加而增加。其中之一就是四波混頻(FWM)，是指多個(gè)不同波長(zhǎng)的光波當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)相互作用而導(dǎo)致在其他波長(zhǎng)上產(chǎn)生混頻成分。

  目前市場(chǎng)上各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示的CWDM(粗波分復(fù)用：Coarse Wavelength Division Multiplexing)[6]和LWDM(局域網(wǎng)波分復(fù)用：LAN Wavelength Division Multiplexing)[7]光模塊已經(jīng)成熟并規(guī)模使用。

表1 已商用的O-band CWDM/LWDM光模塊的性能指標(biāo)

  基于成熟商用的和前述在O-band創(chuàng)新出的更多波長(zhǎng)的CWDM和LWDM光模塊，再結(jié)合前面論述過(guò)的無(wú)源WDM直驅(qū)技術(shù)，我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)出全無(wú)源、全彩光、CWDM/LWDM模塊化、可靈活堆疊、多方向級(jí)聯(lián)匯聚的面向5G前傳的25Gbit/s WDM系統(tǒng)方案及產(chǎn)品，其工作原理如圖6所示。

  此創(chuàng)新方案兩端均使用彩光模塊，通過(guò)合分波器復(fù)用多個(gè)波長(zhǎng)傳輸以節(jié)省光纖資源，采用防水防潮設(shè)計(jì)，適應(yīng)野外多場(chǎng)景安裝，提供室外掛墻、室外抱桿、室內(nèi)機(jī)架等多種設(shè)備形態(tài);另外以CWDM在O-band工作的光模塊或LWDM在O-band的光模塊為基礎(chǔ)，進(jìn)行多模塊堆疊，通過(guò)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)無(wú)源WDM解決方案。

圖6 基于CWDM/LWDM成熟模塊堆疊型無(wú)源WDM創(chuàng)新方案

  這樣創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，一方面采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化架構(gòu)，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)低成本靈活配置;另一方面，共享了在數(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(guò)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(lái)滿足各種速率、各種傳輸距離、各種線路功率預(yù)算的指標(biāo)要求。

  2.5電信級(jí)、高可靠的半無(wú)源WDM OLP保護(hù)技術(shù)

  在傳統(tǒng)的有源的WDM系統(tǒng)中，一般使用兩條光纜路由，其中一條用于工作線路，另一條用于保護(hù)線路。正常情況下，設(shè)備工作在工作線路上，當(dāng)發(fā)生線路意外，例如工作線路(光纜)發(fā)生斷纖或者性能下降時(shí)，設(shè)備通過(guò)OLP(Optical Line Protection)[4,5]板會(huì)自動(dòng)切換到保護(hù)線路(光纜)上，以保證業(yè)務(wù)部發(fā)生中斷。另外，設(shè)備對(duì)保護(hù)線路具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)保護(hù)線路發(fā)生斷纖或性能下降時(shí)，設(shè)備也會(huì)及時(shí)監(jiān)測(cè)到，以便及時(shí)進(jìn)行返回處理(恢復(fù)原樣)。因此，WDM設(shè)備的保護(hù)對(duì)象是光層上的傳輸線路，通過(guò)OLP板實(shí)現(xiàn)光線路保護(hù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可生存性。這也就是OLP保護(hù)與OCP(光通道保護(hù))和OMSP(光復(fù)用段)保護(hù)的本質(zhì)區(qū)別之所在。

(a) 1+1 OLP

(b)1:1 OLP

圖7 有源WDM系統(tǒng)的兩種OLP保護(hù)倒換方式

  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，它們的工作原理如圖7所示。

  1+1的OLP保護(hù)主要是采用雙發(fā)選收的保護(hù)方式，Tx端口的發(fā)送光功率按照一定的分光比例(50:50)分送至T1及T2端口，沿主備光纖同時(shí)傳輸?shù)綄?duì)端，接收端對(duì)R1、R2兩路光功率進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)功率狀況和設(shè)定的切換條件選擇與Rx相連通的工作通路。倒換觸發(fā)不需要收發(fā)端相互傳遞APS自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議的信息，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，在該保護(hù)方式下，工作業(yè)務(wù)信號(hào)均沿工作光纖傳輸，非工作光纖可以傳送其它次級(jí)業(yè)務(wù)信號(hào)。兩端的OLP設(shè)備根據(jù)主用光纖和備用光纖的狀況，同步選擇工作于主用光纖或切換到備用光纖。為了保證兩端切換的有效性和可靠性，兩端設(shè)備需要通過(guò)APS自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議信息協(xié)調(diào)保護(hù)倒換的動(dòng)作，因此倒換時(shí)間稍慢。

  由以上描述可以看出，無(wú)論是1+1的OLP還是1:1的OLP保護(hù)都必須兩端設(shè)備是有源工作狀態(tài)的，而這樣的設(shè)備當(dāng)要用于C-RAN的前傳場(chǎng)景時(shí)，都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，而且無(wú)法在野外部署。

圖8 半無(wú)源/半有源工作模式下的新型WDM OLP保護(hù)機(jī)制

  為了提高可野外安裝的、低成本的、模塊化的無(wú)源WDM波分前傳系統(tǒng)的電信級(jí)高可靠性能力，我們創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出了一種遠(yuǎn)端保持無(wú)源、僅通過(guò)近端有源保護(hù)板卡即可實(shí)現(xiàn)的1+1 OLP半無(wú)源保護(hù)方案。如圖8所示，在近端的局端側(cè)采用有源保護(hù)板卡，遠(yuǎn)端側(cè)仍保持為無(wú)源狀態(tài)。在局端使用選發(fā)選收，選擇其中的某條線路作為主用線路，另外一條線路作為備用線路。在遠(yuǎn)端使用并發(fā)并收的模式，發(fā)送光信號(hào)經(jīng)過(guò)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，自動(dòng)將傳輸信號(hào)從主用線路切換到備用線路。

  在保持遠(yuǎn)端無(wú)源的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)增加有源保護(hù)板，支持OLP 1+1保護(hù)，基于LOS告警觸發(fā)，無(wú)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)功能可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選配，支持熱插拔;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[8];半無(wú)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。半無(wú)源保護(hù)方案造價(jià)低，有利于運(yùn)營(yíng)商運(yùn)維要求，對(duì)全網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)可視化管理。

  3 可野外安裝、可模塊化擴(kuò)展、可保護(hù)的半有源WDM創(chuàng)新方案

  針對(duì)傳統(tǒng)的有源波分方案無(wú)法野外安裝、需要供電的問(wèn)題，以及傳統(tǒng)的無(wú)源波分方案不具有任何的保護(hù)措施這樣的不足，我們面向5G前傳提出了具有可野外無(wú)源安裝、可CWDM/LWDM模塊化擴(kuò)展、能實(shí)現(xiàn)WDM OLP保護(hù)等創(chuàng)新技術(shù)能力的半有源WDM方案，該創(chuàng)新型的前傳波分復(fù)用系統(tǒng)的工作原理如圖9所示。

  圖9半有源WDM創(chuàng)新方案的工作原理

  為了降低成本，該創(chuàng)新方案首先采用無(wú)中繼放大、無(wú)DCM、無(wú)中間OADM跳接的設(shè)計(jì)思路，核心架構(gòu)采用無(wú)源雙星型純透?jìng)?A href="http://getprofitprime.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=WDM&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">WDM直驅(qū)組網(wǎng)拓?fù)?。AAU側(cè)采用無(wú)源設(shè)備，采用CWDM/LWDM彩光模塊，AAU側(cè)無(wú)源合分波器復(fù)用多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸以節(jié)省光纖資源;DU側(cè)采用僅僅增加一個(gè)有源保護(hù)板卡的全彩光的半有源WDM設(shè)備，實(shí)現(xiàn)2.5節(jié)所述的半無(wú)源WDM OLP保護(hù)功能。由于遠(yuǎn)端側(cè)為純無(wú)源設(shè)備，則兼顧了無(wú)源設(shè)備無(wú)需供電、可室外部署等低成本特性;局端有源WDM設(shè)備形態(tài)多樣，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中具體應(yīng)用需求，單個(gè)有源WDM業(yè)務(wù)板卡可以選擇是否集成光保護(hù)功能。局端側(cè)有源保護(hù)板卡可提供保護(hù)和自動(dòng)倒換機(jī)制，具備實(shí)時(shí)功率監(jiān)控、主備路由自動(dòng)切換、工作參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程網(wǎng)管控制等基本的OAM管理功能，可對(duì)各通道的收發(fā)光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)和執(zhí)行光層保護(hù)功能，支持前傳網(wǎng)絡(luò)的可管理性和可運(yùn)維性。

  在保持端到端無(wú)源低成本的基礎(chǔ)上增加了有源網(wǎng)管及保護(hù)等輔助功能，能夠?qū)χ匾幕具M(jìn)行線路保護(hù)，避免因光纜線路故障造成的基站脫網(wǎng)，還能夠保證局端設(shè)備在掉電情況下仍不影響業(yè)務(wù)運(yùn)行。

  遠(yuǎn)端部署無(wú)源WDM設(shè)備，無(wú)需供電，無(wú)需占用機(jī)房空間，部署位置可靈活選擇，支持機(jī)架式、抱桿和壁掛安裝，既可安裝于靠近AAU處解決單站業(yè)務(wù)，也可安裝于二級(jí)分纖點(diǎn)處匯聚多站匯聚業(yè)務(wù)。該應(yīng)用模型是運(yùn)營(yíng)商前傳網(wǎng)建設(shè)面臨的比較典型的應(yīng)用場(chǎng)景，可以有效解決光纜資源緊張問(wèn)題，能快速的部署5G基站，并能實(shí)現(xiàn)匯聚機(jī)房周圍的快速布站，可以讓現(xiàn)有4G站與新增5G站共用一芯光纜資源。

  無(wú)源彩光雙星型結(jié)構(gòu)，受限于彩光光模塊的接收靈敏度，適合10km以內(nèi)光纖雙路由到基站的應(yīng)用場(chǎng)景。而遠(yuǎn)端無(wú)源、局端有源的半有源WDM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(wú)源特征，而且在獲得無(wú)源系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又解決了線路保護(hù)問(wèn)題。

  除了有源保護(hù)板外兩端是全無(wú)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、保護(hù)優(yōu)勢(shì)，助力運(yùn)營(yíng)商低成本、高帶寬和快部署5G前傳網(wǎng)。

  O-band 半有源WDM方案可以提供統(tǒng)一管控的前傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，有利于無(wú)線和傳輸對(duì)維護(hù)界面管理域的劃分，以及無(wú)線設(shè)備和光模塊的解耦。

  4 結(jié)束語(yǔ)

  2022年5月13日，中國(guó)移動(dòng)發(fā)布《中國(guó)移動(dòng)2022年至2023年基站前傳設(shè)備集中采購(gòu)(CWDM基站前傳設(shè)備)_中標(biāo)候選人公示》。這應(yīng)該是迄今為止5G前傳最大的一個(gè)標(biāo)的開(kāi)出，需求達(dá)高18萬(wàn)套CWDM設(shè)備，結(jié)果有10家設(shè)備商中標(biāo)。作為迄今為止CWDM最大一標(biāo)，此次價(jià)格創(chuàng)下新低，10家廠商平均報(bào)價(jià)僅2.1億元，單套設(shè)備單價(jià)約為1220元。創(chuàng)下了價(jià)格新低。2020年4月中國(guó)電信集團(tuán)采購(gòu)時(shí)，單套設(shè)備單價(jià)約為2350元。兩年時(shí)間，價(jià)格下降了一半。雖然價(jià)格廝殺慘烈，但是從中標(biāo)結(jié)果來(lái)看，業(yè)界幾個(gè)5G前傳大廠基本也都入圍了。

  從近幾年各大運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際前傳采購(gòu)工程可以看出，低成本的O帶波分產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。本文首先基于這種主流前傳波分方案，在繼續(xù)保持兩端無(wú)源的前提下，又針對(duì)特殊場(chǎng)景對(duì)線路保護(hù)功能的需求，而提出了可帶新型OLP保護(hù)的低成本的O帶半無(wú)源/半有源前傳WDM創(chuàng)新方案。在很多次的應(yīng)用試點(diǎn)中，使用一對(duì)12波長(zhǎng)合1的CWDM無(wú)源設(shè)備，使用全彩光25Gbit/s高速模塊，并配置了創(chuàng)新型的半無(wú)源1+1 OLP保護(hù)板卡，其典型插入損耗2.0dB，模擬了光纖斷裂、信號(hào)丟失、掉電等多種故障情況下的保護(hù)倒換操作。從應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，它能完全不影響5G業(yè)務(wù)性能，測(cè)試性能指標(biāo)滿足實(shí)際要求，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。由于該設(shè)備方案除了保護(hù)板外，端到端都是無(wú)源全彩光工作的，所以針對(duì)站點(diǎn)掉電這種極端情況，業(yè)務(wù)卻能絲毫不受影響，客戶對(duì)此給予了很高的評(píng)價(jià)。實(shí)際使用表明該創(chuàng)新方案不但充分利用了現(xiàn)有的光纖資源，也大大降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本和運(yùn)維難度，加快了5G網(wǎng)絡(luò)部署的建設(shè)速度。

  遠(yuǎn)端半無(wú)源、近端半有源的可野外安裝的、有保護(hù)的、模塊化的、全彩光WDM前傳應(yīng)用方案具有行業(yè)的創(chuàng)新性!它讓遠(yuǎn)端無(wú)源，局端僅保護(hù)板卡有源，具有OLP保護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)管又遠(yuǎn)端節(jié)約了電費(fèi)，從而解決了遠(yuǎn)端難以供電的問(wèn)題，因此是5G前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一種創(chuàng)新型低成本解決方案。

  參考文獻(xiàn)：

  [1] 徐榮，鄧春勝. 全無(wú)源有保護(hù)的O-band CWDM型5G前傳創(chuàng)新方案[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2019(9).

  [2] 徐榮，鄧春勝. 5G前傳網(wǎng)可保護(hù)可管理的半有源WDM創(chuàng)新方案[J]. 移動(dòng)通信5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)2019論文集(256).

  [3] 徐榮, 龔倩. 多波長(zhǎng)光網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：人民郵電出版，2001.

  [4] 徐榮, 龔倩. 高速寬帶光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版，2002.

  [5] 徐榮, 龔倩. 城域光網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：人民郵電出版，2003.

  [6] 徐榮, 沙慧軍, 陸慶杭, 龔倩. 100G超寬帶技術(shù)與測(cè)試[M]. 北京：人民郵電出版，2013.

  [7] 龔倩, 張晟, 孫學(xué)瑞, 曹鵬. 軟件定義分組光傳送網(wǎng)[M]. 北京：人民郵電出版，2015.

  [8] 徐榮, 舒建軍, 任磊. 面向3G和全業(yè)務(wù)的城域網(wǎng)發(fā)展探討[J] 電信科學(xué) 2009, 25 (1): 74-80.

  [9] 龔倩, 徐榮. 3G的傳輸需求和應(yīng)對(duì)策略研究[J] 電信科學(xué) 2004, 20 (7): 23-29.