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

  摘要：5G對前傳網(wǎng)提出了需野外部署、高速透傳、密集直連、對成本敏感、高可靠性等更高要求。從五個(gè)方面創(chuàng )新設計了面向5G前傳的低成本WDM的核心技術(shù)：(1)可野外安裝的點(diǎn)對點(diǎn)透傳型WDM直驅結構;(2)以直接檢測實(shí)現低成本的中短距光模塊;(3)在O帶擴展更多CWDM/LWDM波長(cháng)的方法;(4)以成熟的CWDM/LWDM光模塊堆疊來(lái)實(shí)現多方向匯聚及多級級聯(lián);(5)半無(wú)源WDM 的OLP保護新機制。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 )建設成本，滿(mǎn)足了高可靠性的運營(yíng)要求。

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

  1 WDM是5G前傳的必選技術(shù)

  對于5G新無(wú)線(xiàn)采用的大規模多入多出天線(xiàn)(Massive-MIMO)技術(shù)，部分物理層功能也可下移至AAU(有源天線(xiàn)單元：Active Antenna Unit)實(shí)現，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(mǎn)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(zhù)5G前傳網(wǎng)需要更密集的組網(wǎng)來(lái)實(shí)現更多的基站覆蓋。

  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傳，因此，如果有足夠的光纖可以使用，那么光纖直驅就是最簡(jiǎn)單的方案了。光纖直驅方案是在A(yíng)AU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)區域內就會(huì )需要多達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。

  為降低光纜建設成本，節省光纖消耗，可通過(guò)WDM(波分復用：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)對點(diǎn)的拓撲結構，上下行傳輸均使用獨立的、不同顏色的透明波長(cháng)通道，不需要進(jìn)行任何專(zhuān)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，故系統的復雜度大大降低，透傳的傳輸效率也得到了大幅提高。在提供更高帶寬的高速直連通道的同時(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直驅技術(shù)

  在過(guò)去的20多年里，WDM技術(shù)因為可以進(jìn)行密集波分復用DWDM，可以配置中繼放大，因而是骨干傳輸網(wǎng)中節省光纖、解決長(cháng)距離傳輸的必用手段[4, 5]?，F如今，由于5G前傳與集客云專(zhuān)線(xiàn)的巨大需求，推動(dòng)著(zhù)DWDM技術(shù)向網(wǎng)絡(luò )的末端下沉。

  在網(wǎng)絡(luò )接入側應用WDM技術(shù)時(shí)，長(cháng)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(色散補償)、無(wú)中間光通道跳接的、純透傳復用的點(diǎn)到點(diǎn)直連結構就成為低成本WDM的必然選擇。如圖1(a)所示，該結構是端到端無(wú)源的，其工作原理與光纖直驅類(lèi)似，但其最大的優(yōu)勢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(chēng)其為波分直驅或點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅。

  在無(wú)源波分復用(WDM)方案[4]中，如圖1(b)所示，遠端AAU直接采用彩光模塊，遠端采用的無(wú)源合分波器無(wú)需供電，可以根據線(xiàn)路的功率預算分配情況，以及根據匯聚方向數情況，靈活選擇部署位置。在基帶站點(diǎn)側，無(wú)源合分波器進(jìn)行波長(cháng)復用/解復用，實(shí)現AAU到基帶對應波長(cháng)的連接，基帶側也全部采用彩光模塊，并與AAU側工作波長(cháng)一一對應?？梢詫?shí)現點(diǎn)到點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)、星型、鏈型等傳輸距離不太長(cháng)(<10km)的組網(wǎng)場(chǎng)景需求。

  由于5G前傳的遠端側需要進(jìn)行室外部署，因此需要使用可以野外安裝的工業(yè)級(-40°C—85°C)光模塊。目前，實(shí)現工溫工作的技術(shù)方案主要有：(1)商業(yè)級25Gbit/s直調(DML)芯片+制冷封裝方式，優(yōu)點(diǎn)是對激光器芯片要求低，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)級激光器芯片工藝實(shí)現困難(如摻鋁量子阱材料生長(cháng))。

  無(wú)源彩光前傳波分系統可以實(shí)現免連線(xiàn)、免規劃、免維護。使用簡(jiǎn)單可靠的低成本無(wú)源系統來(lái)解決點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，減少了大量的有源設備，避免了遠端業(yè)務(wù)安裝需要供電的限制，因此可以免去復雜繁瑣的運維管理，真正實(shí)現免維護、免管理的省心服務(wù)。但這也導致傳統的無(wú)源波分最大的問(wèn)題是沒(méi)有任何線(xiàn)路保護和管理能力。

  (a)低成本無(wú)電層匯聚復用的純透傳直連的點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅結構

  (b)無(wú)需取電的野外部署模式

(a)低成本無(wú)電層匯聚復用的純透傳直連的點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅結構

(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回歸

  結構最簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)WDM直驅系統除了復用/解復用器以外，剩下最重要的就是代表收發(fā)機的光模塊技術(shù)了。近年來(lái)，由于數據中心和移動(dòng)通信升級的需求，5G前傳使用的25Gbit/s光模塊的研究熱點(diǎn)逐步轉向40km 以下基于直接檢測而非相干的中短距傳輸場(chǎng)景。

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

  在IM-DD (強度調制-直接檢測)系統中，當色散存在時(shí)，就會(huì )導致功率衰落問(wèn)題;而當色散不存在時(shí)，又會(huì )發(fā)生四波混頻現象[4, 5] ;還有就是當信號的符號率增加時(shí)，又會(huì )出現信道非線(xiàn)性響應的問(wèn)題。因此，專(zhuān)為低成本IM-DD系統提出的新型調制格式、收發(fā)機結構和DSP(數字信號處理)方案的目的就是為了抵抗直接檢測系統中的色散問(wèn)題和非線(xiàn)性效應問(wèn)題。

  由色散導致的脈沖展寬效應與調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)光譜是強度調制的，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。

  使用更復雜、更高階調制，無(wú)疑又增加了DSP的處理復雜度，隨之又需要PD(光電探測器)、TIA(跨阻放大器)和兩倍帶寬甚至更高采樣率的ADC(模數轉換)。

  目前各主流器件、光模塊廠(chǎng)家都在嘗試基于10G電帶寬的DML(直接調制激光器)工溫芯片，以超頻方式來(lái)實(shí)現低成本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25Gbit/s的高速光信號收發(fā);另一條思路就是利用PAM-4(4電平脈沖幅度調制)技術(shù)實(shí)現1個(gè)周期傳輸2個(gè)bit信息，如圖2(a)所示，相對于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雜的電調制解調技術(shù)來(lái)降低收發(fā)模塊對激光器物理帶寬的要求或減少激光器的使用數量來(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)節對比

圖2 PAM-4技術(shù)原理及其直接檢測處理與相干檢測處理的對比

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

  對于是使用一倍數量的兩倍信號帶寬器件還是使用兩倍數量的一倍信號帶寬器件，需要綜合考慮成本、功耗和占用空間。目前，在20 km 以下，強度直接調制直接檢測方案仍然具有明顯的成本和性能優(yōu)勢，而在100 km以上，相干檢測占據著(zhù)主導地位。

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

  目前已在數通領(lǐng)域成熟使用的LWDM 8光模塊使用的波長(cháng)為使用EML(電吸收調制激光器)的四個(gè)波長(cháng)1274、1278、1282、1286nm與使用DML(直接調制激光器)的四個(gè)波長(cháng)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(cháng)為1271、1291、1311、1331、1351、1371nm。

  在半導體器件的工作機理決定下，激光器的工作波長(cháng)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大約為0.08nm/°C。在粗波分復用CWDM系統中，由于波長(cháng)間隔很寬(20nm)，可以不必考慮溫度引起的中心波長(cháng)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(cháng)間隔很窄，常采用致冷型激光器，也就是使用半導體熱電致冷器TEC(Thermo Electric Cooler)，它可使激光器的結溫變化控制在±0.1°C范圍內。有鑒于此，我們可以基于這個(gè)TEC工作機理來(lái)穩定激光器的中心波長(cháng)或者人為有意地拉偏激光器的中心波長(cháng)，從而在不增加新的激光器芯片類(lèi)型的基礎上，讓同一個(gè)激光器芯片輸出更多個(gè)WDM的工作波長(cháng)來(lái)。

圖3 標稱(chēng)值1310nm的DFB激光器在不同溫度下的中心波長(cháng)值

  按照對不同溫度的精確控制來(lái)穩定光模塊不同的輸出波長(cháng)這個(gè)思路，我們在現有的成熟的O波段間隔為20nm的CWDM方案的1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1351nm、1371nm的基礎上，讓每一個(gè)波長(cháng)通過(guò)TEC控制后，向左右各偏移3.5nm波長(cháng)就可以形成12個(gè)波長(cháng)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擴展CWDM6的波長(cháng)方案是7nm和13nm不等間隔的，具體實(shí)現上前8個(gè)波長(cháng)搭配DML+ PIN(光電二極管)+ TEC，后4個(gè)波長(cháng)因為色散較大需要搭配DML+ APD(雪崩二極管)+ TEC，以此來(lái)滿(mǎn)足10km鏈路預算要求。

圖4 基于TEC以+/-3.5nm擴展CWDM6而形成的非等間隔12波方案

  TEC的功能就是為了穩定波長(cháng)，如果通過(guò)TEC的溫度來(lái)調節波長(cháng)，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(cháng)的WDM應用系統，我們還可以想到的就是直接基于成熟的LWDM來(lái)擴展12波方案，也就是分別采用八個(gè)LWDM波長(cháng)+四個(gè)CWDM的波長(cháng)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(cháng)間隔較窄，每個(gè)光模塊都必須使用TEC來(lái)穩定中心波長(cháng)。

  這種基于現行的LWDM擴展的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(cháng)方案為8個(gè)DML和4個(gè)EML，通過(guò)低成本的DML/EML TO氣密封裝和內置TEC控制波長(cháng)漂移來(lái)實(shí)現。

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擴展CWDM的12波WDM的工作波段在1266~1377nm;而基于LWDM擴展的12波的工作波段在1269~1332nm區間。二者的主要差異就集中在133x~137x這幾十個(gè)納米之中，因為光纖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，以補償133x~137x由于色散而導致的功率代價(jià)。O-band的LWDM12，波長(cháng)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相對于DML意味著(zhù)高成本，使用TEC、APD也會(huì )增加成本。在5G前傳光電器件的設計中，盡管成本挑戰極大，但是無(wú)論提出什么樣的波長(cháng)排列方案，都必須是以保證光芯片與光模塊產(chǎn)品性能指標為前提的，并需要考慮功耗、壽命、長(cháng)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WDM系統的影響，容易想到的解決方案就是工作于接近零色散的O-band區域，在理論上可以增加傳輸距離，但當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)不足是在該區域中有較高的光纖損耗，從接收機靈敏度的角度來(lái)看，這會(huì )導致傳輸距離變小。目前較新型的光纖在1550nm 處的衰減系數不高于0.18dB/km，在1310 nm 處的衰減系數不高于0.32dB/km。假設在兩個(gè)波長(cháng)處具有相同的發(fā)射功率，則衰減系數的增加將會(huì )導致42.9%的傳輸距離減少。

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

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

表1 已商用的O-band CWDM/LWDM光模塊的性能指標

  基于成熟商用的和前述在O-band創(chuàng )新出的更多波長(cháng)的CWDM和LWDM光模塊，再結合前面論述過(guò)的無(wú)源WDM直驅技術(shù)，我們創(chuàng )新設計出全無(wú)源、全彩光、CWDM/LWDM模塊化、可靈活堆疊、多方向級聯(lián)匯聚的面向5G前傳的25Gbit/s WDM系統方案及產(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)合分波器復用多個(gè)波長(cháng)傳輸以節省光纖資源，采用防水防潮設計，適應野外多場(chǎng)景安裝，提供室外掛墻、室外抱桿、室內機架等多種設備形態(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，進(jìn)行多模塊堆疊，通過(guò)模塊化設計，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 )新的系統設計思路，一方面采用標準化、模塊化架構，設備可實(shí)現低成本靈活配置;另一方面，共享了在數據中心商用規模巨大的、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(直接調制激光器/電吸收調制激光器)、NRZ/PAM4(非歸零碼/脈沖幅度4電平調制)、CWDM/LWDM(粗波分復用/局域網(wǎng)波分復用)、波片/AWG(陣列波導光柵)、PIC/PLC(光子集成電路/平面波導電路)、BiDi/非BiDi(單纖雙向)、灰光/彩光、室內/室外等標準光模塊的靈活選擇配置，來(lái)滿(mǎn)足各種速率、各種傳輸距離、各種線(xiàn)路功率預算的指標要求。

  2.5電信級、高可靠的半無(wú)源WDM OLP保護技術(shù)

  在傳統的有源的WDM系統中，一般使用兩條光纜路由，其中一條用于工作線(xiàn)路，另一條用于保護線(xiàn)路。正常情況下，設備工作在工作線(xiàn)路上，當發(fā)生線(xiàn)路意外，例如工作線(xiàn)路(光纜)發(fā)生斷纖或者性能下降時(shí)，設備通過(guò)OLP(Optical Line Protection)[4,5]板會(huì )自動(dòng)切換到保護線(xiàn)路(光纜)上，以保證業(yè)務(wù)部發(fā)生中斷。另外，設備對保護線(xiàn)路具有實(shí)時(shí)監測功能，當保護線(xiàn)路發(fā)生斷纖或性能下降時(shí)，設備也會(huì )及時(shí)監測到，以便及時(shí)進(jìn)行返回處理(恢復原樣)。因此，WDM設備的保護對象是光層上的傳輸線(xiàn)路，通過(guò)OLP板實(shí)現光線(xiàn)路保護，提高了網(wǎng)絡(luò )的可生存性。這也就是OLP保護與OCP(光通道保護)和OMSP(光復用段)保護的本質(zhì)區別之所在。

(a) 1+1 OLP

(b)1:1 OLP

圖7 有源WDM系統的兩種OLP保護倒換方式

  OLP保護主要分為兩種類(lèi)型：1+1保護方式和1:1保護方式，它們的工作原理如圖7所示。

  1+1的OLP保護主要是采用雙發(fā)選收的保護方式，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)傳輸到對端，接收端對R1、R2兩路光功率進(jìn)行檢測，根據功率狀況和設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)保護倒換協(xié)議的信息，因此倒換時(shí)間快、穩定性好。

  1:1的OLP保護方式主要是采用選發(fā)選收的保護方式，在該保護方式下，工作業(yè)務(wù)信號均沿工作光纖傳輸，非工作光纖可以傳送其它次級業(yè)務(wù)信號。兩端的OLP設備根據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，兩端設備需要通過(guò)APS自動(dòng)保護倒換協(xié)議信息協(xié)調保護倒換的動(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保護都必須兩端設備是有源工作狀態(tài)的，而這樣的設備當要用于C-RAN的前傳場(chǎng)景時(shí)，都要面臨必須在室外的天線(xiàn)一側給WDM設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保護機制

  為了提高可野外安裝的、低成本的、模塊化的無(wú)源WDM波分前傳系統的電信級高可靠性能力，我們創(chuàng )新性地設計出了一種遠端保持無(wú)源、僅通過(guò)近端有源保護板卡即可實(shí)現的1+1 OLP半無(wú)源保護方案。如圖8所示，在近端的局端側采用有源保護板卡，遠端側仍保持為無(wú)源狀態(tài)。在局端使用選發(fā)選收，選擇其中的某條線(xiàn)路作為主用線(xiàn)路，另外一條線(xiàn)路作為備用線(xiàn)路。在遠端使用并發(fā)并收的模式，發(fā)送光信號經(jīng)過(guò)主、備用線(xiàn)路同時(shí)傳輸到對端，而并收是根據接收到的兩路信號的功率，選擇接收一路信號。一旦主用線(xiàn)路的光纖發(fā)生故障造成通信質(zhì)量下降時(shí)，主用線(xiàn)路的接收端檢測到信號的功率下降，自動(dòng)將傳輸信號從主用線(xiàn)路切換到備用線(xiàn)路。

  在保持遠端無(wú)源的基礎上，僅通過(guò)增加有源保護板，支持OLP 1+1保護，基于LOS告警觸發(fā)，無(wú)需信令交互，支持對各通道的收發(fā)光功率的監測功能，易于故障定位與維護;OLP保護功能可根據應用場(chǎng)景選配，支持熱插拔;保護板取電方式靈活多樣;支持SNMP、Web等多種圖形化界面管理，提供電信級網(wǎng)絡(luò )管理與保護功能[8];半無(wú)源保護方案可以實(shí)現低時(shí)延，純物理傳輸，符合5G前傳網(wǎng)對時(shí)延要求小的特性。半無(wú)源保護方案造價(jià)低，有利于運營(yíng)商運維要求，對全網(wǎng)可以實(shí)現可視化管理。

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

  針對傳統的有源波分方案無(wú)法野外安裝、需要供電的問(wèn)題，以及傳統的無(wú)源波分方案不具有任何的保護措施這樣的不足，我們面向5G前傳提出了具有可野外無(wú)源安裝、可CWDM/LWDM模塊化擴展、能實(shí)現WDM OLP保護等創(chuàng )新技術(shù)能力的半有源WDM方案，該創(chuàng )新型的前傳波分復用系統的工作原理如圖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跳接的設計思路，核心架構采用無(wú)源雙星型純透傳WDM直驅組網(wǎng)拓撲。AAU側采用無(wú)源設備，采用CWDM/LWDM彩光模塊，AAU側無(wú)源合分波器復用多個(gè)波長(cháng)進(jìn)行傳輸以節省光纖資源;DU側采用僅僅增加一個(gè)有源保護板卡的全彩光的半有源WDM設備，實(shí)現2.5節所述的半無(wú)源WDM OLP保護功能。由于遠端側為純無(wú)源設備，則兼顧了無(wú)源設備無(wú)需供電、可室外部署等低成本特性;局端有源WDM設備形態(tài)多樣，根據網(wǎng)絡(luò )中具體應用需求，單個(gè)有源WDM業(yè)務(wù)板卡可以選擇是否集成光保護功能。局端側有源保護板卡可提供保護和自動(dòng)倒換機制，具備實(shí)時(shí)功率監控、主備路由自動(dòng)切換、工作參數設定、遠程網(wǎng)管控制等基本的OAM管理功能，可對各通道的收發(fā)光功率進(jìn)行監測和執行光層保護功能，支持前傳網(wǎng)絡(luò )的可管理性和可運維性。

  在保持端到端無(wú)源低成本的基礎上增加了有源網(wǎng)管及保護等輔助功能，能夠對重要的基站進(jìn)行線(xiàn)路保護，避免因光纜線(xiàn)路故障造成的基站脫網(wǎng)，還能夠保證局端設備在掉電情況下仍不影響業(yè)務(wù)運行。

  遠端部署無(wú)源WDM設備，無(wú)需供電，無(wú)需占用機房空間，部署位置可靈活選擇，支持機架式、抱桿和壁掛安裝，既可安裝于靠近AAU處解決單站業(yè)務(wù)，也可安裝于二級分纖點(diǎn)處匯聚多站匯聚業(yè)務(wù)。該應用模型是運營(yíng)商前傳網(wǎng)建設面臨的比較典型的應用場(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)現匯聚機房周?chē)目焖俨颊?，可以讓現有4G站與新增5G站共用一芯光纜資源。

  無(wú)源彩光雙星型結構，受限于彩光光模塊的接收靈敏度，適合10km以?xún)裙饫w雙路由到基站的應用場(chǎng)景。而遠端無(wú)源、局端有源的半有源WDM方案最大的優(yōu)勢就是保持了遠端波分復用設備的無(wú)源特征，而且在獲得無(wú)源系統的成本優(yōu)勢的同時(shí)又解決了線(xiàn)路保護問(wèn)題。

  除了有源保護板外兩端是全無(wú)源全彩光的，這樣非常便于部署和維護，同時(shí)滿(mǎn)足高可靠性，大大降低5G建設的綜合成本。既能極大程度緩解光纖資源的壓力，又能兼顧成本、管理、保護優(yōu)勢，助力運營(yíng)商低成本、高帶寬和快部署5G前傳網(wǎng)。

  O-band 半有源WDM方案可以提供統一管控的前傳網(wǎng)絡(luò )設備，有利于無(wú)線(xiàn)和傳輸對維護界面管理域的劃分，以及無(wú)線(xiàn)設備和光模塊的解耦。

  4 結束語(yǔ)

  2022年5月13日，中國移動(dòng)發(fā)布《中國移動(dòng)2022年至2023年基站前傳設備集中采購(CWDM基站前傳設備)_中標候選人公示》。這應該是迄今為止5G前傳最大的一個(gè)標的開(kāi)出，需求達高18萬(wàn)套CWDM設備，結果有10家設備商中標。作為迄今為止CWDM最大一標，此次價(jià)格創(chuàng )下新低，10家廠(chǎng)商平均報價(jià)僅2.1億元，單套設備單價(jià)約為1220元。創(chuàng )下了價(jià)格新低。2020年4月中國電信集團采購時(shí)，單套設備單價(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，但是從中標結果來(lái)看，業(yè)界幾個(gè)5G前傳大廠(chǎng)基本也都入圍了。

  從近幾年各大運營(yíng)商的實(shí)際前傳采購工程可以看出，低成本的O帶波分產(chǎn)品占據了絕大多數的市場(chǎng)份額。本文首先基于這種主流前傳波分方案，在繼續保持兩端無(wú)源的前提下，又針對特殊場(chǎng)景對線(xiàn)路保護功能的需求，而提出了可帶新型OLP保護的低成本的O帶半無(wú)源/半有源前傳WDM創(chuàng )新方案。在很多次的應用試點(diǎn)中，使用一對12波長(cháng)合1的CWDM無(wú)源設備，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保護板卡，其典型插入損耗2.0dB，模擬了光纖斷裂、信號丟失、掉電等多種故障情況下的保護倒換操作。從應用結果來(lái)看，當發(fā)生網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)，它能完全不影響5G業(yè)務(wù)性能，測試性能指標滿(mǎn)足實(shí)際要求，系統性能穩定可靠。由于該設備方案除了保護板外，端到端都是無(wú)源全彩光工作的，所以針對站點(diǎn)掉電這種極端情況，業(yè)務(wù)卻能絲毫不受影響，客戶(hù)對此給予了很高的評價(jià)。實(shí)際使用表明該創(chuàng )新方案不但充分利用了現有的光纖資源，也大大降低了網(wǎng)絡(luò )部署成本和運維難度，加快了5G網(wǎng)絡(luò )部署的建設速度。

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

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