亿源通丨5G承载网中的WDM技术

9/24/2020，光纤在线讯，2019年启动建设的5G通信技术，一般认为，对人类社会的改变将不限于日常生活，它将支撑互联网从移动互联网向智能互联网演进，并对产业生态产生深远的影响。

|||5G应用场景

国际标准化组织3GPP定义了5G的三大应用场景：eMBB（Enhance Mobile Broadband，增强移动宽带）、uRLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications，高可靠性低时延连接）、mMTC（Massive Machine Type Communication，大规模机器类通信）。其中，eMBB要求用户的体验速率达到1Gbps，可以支撑3D及超高清视频等大流量移动宽带业务；uRLLC要求传输时延低于1ms，以支撑无人驾驶、工业自动化、远程手术等实时应用场景；mMTC指的是大规模物联网应用，要求终端连接密度达到每平方公里百万级。

|||5G承载网的架构

5G商用，承载先行。为支撑上述三大应用场景，要求对基于光纤的承载网进行重新规划。图1为典型的5G承载网架构，它通常由城域接入网、城域汇聚网、城域核心网和省际骨干网四级构成。考虑投资和运维成本，在无线接入RAN段，4G通信系统通常采用的是基于RRU+BBU功能划分的D-RAN（分布式无线接入）架构，5G则演进为基于AAU+DU+CU功能划分的C-RAN（集中式或者云化的无线接入）架构。

 
 图1. 5G承载网架构

5G承载网的各级网络节点之间通过光模块和光纤连接，其中基站与DU之间的连接被定义为前传、DU与CU之间的连接被定义为中传、CU与城域核心网之间的连接被定义为回传。前传距离通常<10/20公里，接口速率为10/25/100Gbps；中传距离通常<40公里，接口速率为25/50/100Gbps；回传距离通常为40-80公里，接口速率为100/N×100Gbps；而省际骨干网的传输距离在数百公里，接口速率为N×100/200/400Gbps。

 
 图2. 5G承载网中的前传、中传和回传链路

与4G网络不同的是，5G信号因频率更高，单个基站的覆盖面积减少，5G组网需要布设的基站数量将是4G网络的2-3倍。为控制成本，5G前传和中传网络更多的采用C-RAN架构，替代4G网络常用的D-RAN架构。C-RAN架构的优势有：其一，相对D-RAN可减少末端机房和传输设备需求，节省站址获取、机房租金和传输成本，理论上集中度越高则效果越明显；其二，由于DU集中放置便于统一维护，因此在机房建设、设备维护乃至空调电费上，较D-RAN有明显优势，因此C-RAN将成为5G中前传网络的主要部署模式;其三，C-RAN架构对DU进行池组化或者云化部署，可实现基带资源的共享和多站间的业务协同。

|||选择传输技术的考量因素

光纤传输技术在电信骨干网和数据中心等领域已经成为主导并获广泛应用，为了增加传输容量，普遍采用WDM传输，然而面向不同的应用场景，具体的传输技术有所差异。影响选择的主要因素是光纤链路的损耗和色散；所采用的光源（包含调制器）和探测器，对传输系统的成本有重要影响，也是选择技术方案时的考量因素。此外，产业链的传承也对成本有重要影响，成为重要考量因素之一。

常规石英光纤的损耗谱如图3所示，它的第一、二、三传输窗口分别以850nm、1310nm和1550nm为中心，其中850nm是最早的多模光纤通信系统所采用的传输波长；1310nm是常规单模光纤G.652的零色散点位置，如图4（a）所示，光纤中的材料色散和波导色散在此波长处相互抵消；1550nm则是石英光纤的损耗最低处，为了克服G.652光纤在此处色散较大的问题，人们开发了G.655光纤，将光纤的零色散点设置在偏离1550nm不远处，如图4（b）所示，这样可以在1550nm波段获得低色散，又不会在DWDM传输时产生四波混频、交叉相位调制等非线性效应。

 
 图3. 光纤损耗谱

 
 图4. G.652和G.655光纤的色散曲线

在工程应用中，人们通常将图3中的第二、三传输窗口分别称为O波段和C波段，为了拓展可利用的传输波段，人们在C波段的左右两侧开发了S、L两个波段。此外，通过对石英光纤的进一步提纯，削去因OH-离子吸收在1385nm附近产生的水峰，拓展出E波段，从而将石英光纤的传输带宽扩充至1260~1620nm，宽达360nm，通常称为全波光纤。
通信系统通常采用半导体激光器作为光源，所发射的并非理想单色光，总是存在一定的光谱线宽，其中不同波长成分因色散而传播速度不同，在高速长距离传输系统中，容易引起误码。不同传输速率的光信号，对色散的容差如表1。

表1. 不同传输速率对色散的容差


早期的低速传输系统，通常采用低成本但谱线较宽的FP激光器；10Gbps以上的高速传输，往往采用谱线较窄的DFB激光器。为了控制成本，当传输距离不长的时候，人们倾向于对DFB激光器进行直接调制，称为直接调制激光器DML。直接调制激光器会产生啁啾效应，让谱线展宽，产生更多的色散。因此为了不影响半导体激光器的线宽从而传输更长距离，人们在激光器之后串接一个电吸收调制器EAM，这种DFB+EAM组合结构，称为EML激光器。在更长距离传输系统中，则需要采用铌酸锂调制器，它是一种MZ干涉器结构的电光调制器件。

|||面向各种应用场景的传输方案

5G投资的重头在前传网络的建设，因投资额巨大，超出单个运营商的承担能力，中国联通和中国电信将合建一张5G前传网络，中国移动则与中国广电合建一张5G前传网络。一个无线基站需要具备三个扇区信号的上/下载接口，在共建共享的模式下，单个基站的带宽需求倍增，因此一个5G基站往往需要6个25G接口才能满足需求；在4G、5G共站部署的场景下，要求一个基站提供12个前传接口；在某些综合接入区，因带宽需求更高，需要单个基站提供24个前传接口。基于上述应用场景，具备12个前传接口的基站将成为5G前传网络中的主流配置。
在4G前传网络中，BBU靠近RRU，更多采用D-RAN架构，传输技术更多选择光纤直驱方式。5G网络中的DU远离AAU集中部署，对前传光纤消耗较大，xWDM将成为主流。5G前传网络根据应用场景及光纤资源情况，分为D-RAN、C-RAN小集中和C-RAN大集中三种情况，如图5所示。D-RAN部署场景，仍采用光纤直驱方案，通常建议采用BiDi单纤双向传输，可节约一半光纤资源，如图6所示。在C-RAN小集中场景下，需要6个25G接口，采用6波CWDM传输方案，如图7所示。

 
 图5. 5G前传网络部署方式

 
 图6. 光纤直驱的传输方式

 
 图7. 6波CWDM前传方案

在C-RAN大集中场景下，每个无线基站通常需要12个高速光接口，为此中国移动推出了12波MWDM传输方案，选用的12个波长如表2，在6波CWDM激光芯片的基础上，通过TEC温控，将激射波长分别左右漂移3.5nm，获得12个传输波长。中国电信则选择了12波LWDM传输方案，信道间隔为800GHz，12个波长如表3，由于波长间隔只有4.3-4.7nm，需要TEC温控来稳定光源的工作波长。MWDM及LWDM传输方案，因TEC的引入，光模块的功耗通常会增加0.5W左右。
各种WDM传输波长及光纤色散如图8所示，可以看到，CWDM的后2波因远离光纤的零色散点1310nm，色散抬头严重，为补偿因光纤色散引起的损耗代价，需要采用灵敏度更高的APD光探测器。因此可以看到，在表2的CWDM传输方案中，对于激光器和光探测器方案，前4波选择的是DML+PIN，后2波选择的是DML+APD。MWDM的后4波因同样原因，也选用DML+APD方案。

表2. CWDM/MWDM传输波长及实现方案


表3. LWDM传输波长及实现方案



图8. 光纤色散曲线与5G前传WDM方案

表2及表3中同时列出了各种WDM传输方案中的产业链共用情况。WDM技术最早应用于电信领域，但主要用在长距离传输的骨干网与核心网中，采用的是C波段（1530-1570nm）DWDM传输，选择依据是此波段的光纤传输损耗最低，但此产业链的各种光器件成本均较高。随着移动互联网的发展，大规模数据中心的建设兴起，光纤传输技术在数据中心得到广泛应用，成为光纤通信技术的第二个并且是更大的蓝海市场。数据中心光纤传输距离相对较短，而数据传输速率较高，光纤传输方案重点解决色散受限的问题，与电信长途网中的损耗受限完全不同。

当前的5G前传网络，属于电信应用范畴，但其应用场景则与电信长途网完全不同，反倒是与数据中心有相似之处，都是色散受限的高速短距传输，因此传输波长也是选择以1310nm为中心的O波段。O波段CWDM、LWDM传输在数据中心已经大量应用，产业链成熟，5G前传可共用其产业链，以降低建设成本。比如5G前传中6波CWDM的前4波和12波MWDM的前8波，就可以共用数据通信领域CWDM4产业链，12波LWDM的2-5信道可以共用数据通信400G LR8产业链，7-10信道则可以共用数据通信100G LR4产业链。

共用数据通信CWDM4产业链，也是中国移动推出MWDM方案的重要原因，这样可以在控制成本的情况下尽快开始5G网络的建设。
   
针对5G前传应用新需求，亿源通快速推出MWDM,LWDM系列产品，充分利用O波段光资源，增加波段利用率，提升速率。亿源通可为客户提供全系列WDM波分复用解决方案，包括CWDM、DWDM、CCWDM、MWDM、LWDM产品等。亿源通科技在光通信行业拥有20年OEM/ODM研发制造经验，在全球行业内具有一定的影响力，专注于为客户提供光通信无源基础光器件设计、研发、制造的一站式定制化生产，主要有光纤连接器，光纤跳线，PLC分路器，WDM波分复用器，MEMS光开关等产品线，产品广泛应用于FTTH, 数据中心（Data center），5G网络，电信网络等场景。