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)鳌⒚芗边B、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W(wǎng)DM的核心技術(shù)：（1）可野外安裝的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透?jìng)餍蚖DM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)
中圖分類號(hào) TP393/TN913 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
Innovative Half Active WDM Technologies for 5G FrontHaul
Zhang Hui1 , LiMingLi1 , LiYueChen2 , LiXin2 , XU Rong3
1. China Mobile Group Jilin Co., Ltd. Yanbian 133000, China
2. ChengDu DingJi Information Technology Co., Ltd, China
3. China mobile Research Institute, Beijing 100053, China
Abstract On-field installation, high speed transparency, dense connection, low cost, and high reliability are 5G FrontHaul networks’ new higher requirements. The innovation solution is based on five key technologies: (a) native passive point-to-point WDM with low cost. (b) low-cost transceiver devices based on direct detection for short-range transmission. (c)Extend more wavelength in O-band for CWDM/LWDM；(d) O-Band CWDM/LWDM Optical Module with Stacked for WDM cascaded system. (e) New half passive WDM with OLP protects solution. This solution will be effective on the fronthaul networks reliability and low Capex.
Keywords Half Active WDM, front Haul, O-band CWDM/LWDM, direct detection transceiver, half passive optical line protect
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)鳎虼耍绻凶銐虻墓饫w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(mén)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]。現(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W(wǎng)DM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
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)鱓DM直驅(qū)組網(wǎng)拓?fù)洹AU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。
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