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億源通丨5G承載網(wǎng)中的WDM技術(shù) 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(zhǎng)；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(zhǎng)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(zhǎng)成分因色散而傳播速度不同，在高速長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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�；谏鲜鰬�(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(zhǎng)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(zhǎng)分別左右漂移3.5nm，獲得12個(gè)傳輸波長(zhǎng)。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(zhǎng)如表3，由于波長(zhǎng)間隔只有4.3-4.7nm，需要TEC溫控來穩(wěn)定光源的工作波長(zhǎng)。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。 |
