5G前傳WDM技術(shù)方案進(jìn)展分析

  截至2019年年底，我國5G基站數已經(jīng)超過(guò)13萬(wàn)個(gè)。目前，我國正在加快推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò )建設進(jìn)度，預計到2020年年底全國5G基站數將超過(guò)60萬(wàn)個(gè)，5G承載網(wǎng)的建設受到廣泛關(guān)注。前傳網(wǎng)絡(luò )作為承載網(wǎng)的一部分，相關(guān)技術(shù)方案的選擇將與運營(yíng)商的投資、建設效率和維護管理等密切相關(guān)。

  本文從架構、方案、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)進(jìn)展等角度綜合分析了基于波分復用(WDM)的5G前傳方案，介紹了目前5G前傳WDM方案在標準化推進(jìn)、系統測評等方面的進(jìn)展，并對其未來(lái)發(fā)展提出了相關(guān)建議。

  5G前傳WDM網(wǎng)絡(luò )架構

  5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署主要有分布式無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(DRAN)和集中式無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(CRAN)兩種場(chǎng)景，其中CRAN又可分為CRAN小集中和CRAN大集中兩種模式。CRAN大集中一般需要集中單元(CU)云化和分布單元(DU)池化集中部署來(lái)支撐實(shí)現。DRAN場(chǎng)景相對簡(jiǎn)單，有源天線(xiàn)單元(AAU)和DU一般分別部署在塔上和塔下，CRAN場(chǎng)景對應的拉遠距離通常在10 km以?xún)萚1]。

  5G前傳網(wǎng)絡(luò )主要實(shí)現AAU到DU之間的信號拉遠傳輸。集中式的CRAN架構給5G前傳網(wǎng)絡(luò )提出了新的需求，波分復用成為前傳網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)選方案，并存在無(wú)源WDM、有源WDM、半有源WDM等多種WDM網(wǎng)絡(luò )架構。

       2.1 無(wú)源WDM方案

  無(wú)源WDM方案基于無(wú)中繼放大、無(wú)色散補償的端到端全無(wú)源方式來(lái)實(shí)現低成本的波分復用傳輸(見(jiàn)圖1 )。AAU直接采用彩光模塊，通過(guò)分支光纜連接到無(wú)源合分波器;在局端DU側，無(wú)源合分波器進(jìn)行波長(cháng)復用/解復用，實(shí)現AAU到局端一一對應的彩光波長(cháng)連接，部署簡(jiǎn)單，但存在無(wú)故障管理、維護難度較大等問(wèn)題。

圖1 無(wú)源WDM架構

  2.2 有源WDM方案

  有源WDM方案在遠端站和局端站均采用室外型有源WDM設備進(jìn)行電層或/和光層復用(見(jiàn)圖2)。該方案減少了末端光纖數量，支持全拓撲結構如環(huán)帶鏈/環(huán)形/鏈型/星型，也可以提供電信級的可管理性，但是成本較高，同時(shí)受基站供電條件等制約。

圖2 有源WDM架構

  2.3 半有源WDM方案

  隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )部署規模逐漸增加，前傳網(wǎng)絡(luò )將擁有數十萬(wàn)甚至百萬(wàn)量級的海量節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )的可維護管理能力成為迫切需求，支持維護管理能力的半有源WDM方案成為目前業(yè)界研究的重點(diǎn)方向，其基本架構如圖3所示。半有源WDM方案既是有源WDM方案的簡(jiǎn)化，也是無(wú)源方案的增強。遠端AAU側為無(wú)源WDM，不受供電限制，局端BBU側WDM為有源設備，結合光模塊調頂功能[3]，能夠實(shí)現監控、故障檢測和保護等能力。

圖3 半有源WDM架構

  5G前傳WDM技術(shù)方案

  應用于5G前傳的N×25 Gbit/s WDM技術(shù)根據使用的波長(cháng)不同，目前有粗波分復用(CWDM)、基于以太網(wǎng)通道的波分復用( LWDM)、中等波分復用(MWDM)和密集波分復用(DWDM)4種，波長(cháng)如圖4所示。

圖4 25G WDM波長(cháng)選擇方案

  CWDM系統使用ITU-T G.694.2規范的1271 nm~1491 nm波長(cháng)范圍，通道間隔20 nm。LWDM以IEEE 802.3-2018規范的400 GE LR8波長(cháng)范圍(1273.54 nm~1309.14 nm)為基礎，通道間隔800 GHz(約4.4 nm)，對于12波系統，需進(jìn)行4個(gè)波長(cháng)的擴展，目前初定波長(cháng)范圍在1269.3 nm~1318.35 nm。MWDM方案使用的波長(cháng)范圍為1265 nm~1377 nm，對CWDM的6個(gè)標準CWDM波長(cháng)進(jìn)行通路間隔壓縮后擴展得到12個(gè)波長(cháng)。DWDM主要是基于ITU-T G.698.x標準，使用C波段(1529.55 nm~1565.50 nm)。不同WDM技術(shù)的關(guān)鍵特性和實(shí)現方式比較見(jiàn)表1。

表1 N×25Gbit/s WDM方案比較

  5G前傳WDM產(chǎn)業(yè)及標準進(jìn)展

       4.1 5G前傳產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

  從目前5G前傳產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況看，CWDM和MWDM主要共用100G CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，光迅、海信、上海欣諾、愛(ài)立信、烽火、瑞斯康達、格林威爾等多個(gè)模塊廠(chǎng)商和設備廠(chǎng)家擁有6波或12波25 Gbit/s CWDM商用產(chǎn)品，多個(gè)運營(yíng)商省公司從2019年開(kāi)始在現網(wǎng)已啟動(dòng)規模部署了6波和12波無(wú)源CWDM產(chǎn)品。

  25 Gbit/s MWDM的產(chǎn)業(yè)鏈從2020年開(kāi)始正在加速成熟當中。在設備方面，包括華為、中興、烽火在內等廠(chǎng)商已經(jīng)啟動(dòng)半有源MWDM研發(fā)，部分廠(chǎng)家已經(jīng)完成半有源MWDM原型設備并參加了中國移動(dòng)的測試，滿(mǎn)足MWDM波長(cháng)、距離和環(huán)境要求的模塊已有十數家廠(chǎng)家參與開(kāi)發(fā)。

  25 Gbit/s DWDM目前已有II-VI、海信、易銳光電等模塊廠(chǎng)商可提供固定波長(cháng)雙纖雙向25 Gbit/s DWDM光模塊，多個(gè)光模塊公司也正在開(kāi)發(fā)25 Gbit/s可調諧DWDM光模塊，包括PIN接收和APD接收，單纖雙向和雙纖雙向光模塊，全C波段可調以及窄帶可調等多個(gè)類(lèi)型，2019年年底中國聯(lián)通也在實(shí)驗室進(jìn)行了相關(guān)系統測評演示。

  25 Gbit/s LWDM可重用100G CWDM4、100GLR4、400G LR8等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，目前旭創(chuàng )、光迅、索爾思、II-VI等模塊廠(chǎng)商正在進(jìn)行LWDM光模塊研發(fā)，中國電信也在聯(lián)合設備商、模塊商進(jìn)行產(chǎn)業(yè)推進(jìn)和標準化制定等工作。

      4.2 5G前傳標準進(jìn)展

  目前，業(yè)界已啟動(dòng)5G前傳設備和模塊的標準制定工作。中國通信標準化協(xié)會(huì )(CCSA)已經(jīng)立項城域N×25 Gbit/s WDM系統總體技術(shù)部分標準，以及CWDM、MWDM、DWDM、LWDM 4種類(lèi)型的25 Gbit/s光模塊標準。在ITU-T SG15中，Q6正在進(jìn)行G.698.1、G.698.2和G.698.4面向25 Gbit/s速率的修訂工作，計劃在其中增加20 km、20個(gè)通道的25 Gbit/s接口光層指標，相關(guān)情況如表2所示。另外，ITU-T SG15 Q6也已啟動(dòng)基于CWDM 25 Gbit/s方案的前傳技術(shù)標準化工作的討論。

表2 N×25 Gbit/s WDM前傳設備及模塊相關(guān)標準化工作

       4.3 5G前傳方案測評

  為了評估25 Gbit/s前傳模塊的發(fā)展水平，充分支持5G的商業(yè)進(jìn)程，IMT-2020(5G)推進(jìn)組的5G承載工作組分別在2018年和2019年年底組織進(jìn)行了兩次25 Gbit/s及以上速率光模塊的測試評估工作。從測試結果來(lái)看，近兩年25 Gbit/s光模塊的成熟度、穩定性以及與設備的兼容性等都有了較明顯的提高。

  在5G前傳設備方面，除了各運營(yíng)商集團或省公司組織的25 Gbit/s CWDM系統的技術(shù)摸底或招標測試之外，支持OAM功能的半有源設備的測試評估成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。中國移動(dòng)、中國電信、中國聯(lián)通正在分別開(kāi)展和推動(dòng)25 Gbit/s MWDM、25 Gbit/s LWDM、25 Gbit/s DWDM方案的完善及標準制定工作，預計在2020年上半年將陸續啟動(dòng)新一輪的測試和驗證。

  結束語(yǔ)

  本文在重點(diǎn)介紹5G前傳WDM典型網(wǎng)絡(luò )架構的基礎上，聚焦分析了4種WDM技術(shù)方案的實(shí)現差異及最新的產(chǎn)業(yè)及標準化進(jìn)展。整體來(lái)看，5G前傳除了目前初步規模部署的無(wú)源CWDM方案之外，基于半有源的3種WDM方案(MWDM/LWDM/DWDM)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

  從部署需求、傳輸性能優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展等多方面考慮，5G前傳WDM方案后續仍需業(yè)界協(xié)同推動(dòng)、優(yōu)化和完善。一是結合應用需求、成本等綜合因素，進(jìn)一步加快優(yōu)化和規范傳輸功能、性能指標;二是聚焦維護管理功能特性需求，規范基于調頂方式的功能特性、實(shí)現協(xié)議、硬件集成模式等;三是鑒于目前多種WDM方案并存發(fā)展，后續業(yè)界應盡量聚焦多種方案的共性特征，推動(dòng)核心芯片和器件的研發(fā)協(xié)同，推動(dòng)技術(shù)方案盡快成熟并促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展。

  參考文獻

  [1] IMT-2020 (5G)推進(jìn)組. 5G承載需求白皮書(shū)[R], 2018.

  [2] IMT-2020 (5G)推進(jìn)組. 5G承載網(wǎng)絡(luò )架構和技術(shù)方案白皮書(shū)[R], 2018.

  [3] 華鋒, 武成賓. 調頂信號對城域波分復用系統的影響[J]. 郵電設計技術(shù), 2015(11):24-27.

  文章作者

  湯   瑞 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，主要從事高速光通信領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)、政策、標準和前沿技術(shù)研究工作。

  吳冰冰 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，博士，主要從事光模塊器件、光傳送網(wǎng)和量子信息領(lǐng)域研究工作。