面向5G前传的半有源WDM技术创新

  张辉1 李明莉1 李岳琛2 李鑫2 徐荣3

  (1.中国移动通信集团吉林延边州分公司，吉林延边州133000;2.成都鼎集信息技术有限公司;3.中国移动通信有限公司研究院，北京100053;)

  摘要：5G对前传网提出了需野外部署、高速透传、密集直连、对成本敏感、高可靠性等更高要求。从五个方面创新设计了面向5G前传的低成本WDM的核心技术：(1)可野外安装的点对点透传型WDM直驱结构;(2)以直接检测实现低成本的中短距光模块;(3)在O带扩展更多CWDM/LWDM波长的方法;(4)以成熟的CWDM/LWDM光模块堆叠来实现多方向汇聚及多级级联;(5)半无源WDM 的OLP保护新机制。并基于这些创新技术提出了可野外安装、可模块化堆叠、有保护的新型半有源WDM前传创新方案，降低了5G前传网络建设成本，满足了高可靠性的运营要求。

  关键词：半有源波分复用;前传网;O带波分复用;直捡光模块;半无源光线路保护

  1 WDM是5G前传的必选技术

  对于5G新无线采用的大规模多入多出天线(Massive-MIMO)技术，部分物理层功能也可下移至AAU(有源天线单元：Active Antenna Unit)实现，这样就创造出了一种全新的网络连接需求——前传网络，前传是连接AAU与DU(分布单元：Distributed Unit)之间的传输通道，接口为eCPRI(enhanced Common Public Radio Interface)[1,2]，需要满足>25Gbit/s的大带宽和低时延的传输需求。另外与4G相比，5G[3]所使用的频率更高，单基站覆盖范围较4G变小了，这意味着5G前传网需要更密集的组网来实现更多的基站覆盖。

  5G前传网最本质的连接需要就是>25Gbit/s的高速大粒度与直接高效透传，因此，如果有足够的光纤可以使用，那么光纤直驱就是最简单的方案了。光纤直驱方案是在AAU与DU之间通过前传光模块和光纤直接连接起来的点到点直连方案。按照一般的需求测算，一个普通的接入点就需要36~48根光纤，一个C-RAN(Centralized/Collaborative/Cloud Radio Access Network)区域内就会需要多达120根以上的光纤纤芯，主干光缆就需要超过300根纤芯的需求。

  为降低光缆建设成本，节省光纤消耗，可通过WDM(波分复用：Wavelength Division Multiplexing)[4,5]技术使用单根光纤就可非常简单地提供18波、32波、40波，甚至80波/96波，大大节约接入光纤使用量，解决接入光纤匮乏的痛点问题。

  WDM波分是典型的点对点的拓扑结构，上下行传输均使用独立的、不同颜色的透明波长通道，不需要进行任何专门的电层协议处理，通道之间不需要带宽的动态分配，故系统的复杂度大大降低，透传的传输效率也得到了大幅提高。在提供更高带宽的高速直连通道的同时，传输时延是所有前传方案中最低的。

  因此，WDM技术将成为5G前传网技术的不二选择。

  2 低成本、高可靠的前传WDM创新技术

  2.1无需供电、可野外安装的WDM直驱技术

  在过去的20多年里，WDM技术因为可以进行密集波分复用DWDM，可以配置中继放大，因而是骨干传输网中节省光纤、解决长距离传输的必用手段[4, 5]。现如今，由于5G前传与集客云专线的巨大需求，推动着DWDM技术向网络的末端下沉。

  在网络接入侧应用WDM技术时，长距离传输不是首先要考虑的问题了，而低成本成为首要考虑因素。这时，最简单的无中继放大、无DCM(色散补偿)、无中间光通道跳接的、纯透传复用的点到点直连结构就成为低成本WDM的必然选择。如图1(a)所示，该结构是端到端无源的，其工作原理与光纤直驱类似，但其最大的优势就是可以在一根光纤上同时提供大量的虚拟光纤(也就是波分通道)进行直连，因此我们称其为波分直驱或点到点WDM直驱。

  在无源波分复用(WDM)方案[4]中，如图1(b)所示，远端AAU直接采用彩光模块，远端采用的无源合分波器无需供电，可以根据线路的功率预算分配情况，以及根据汇聚方向数情况，灵活选择部署位置。在基带站点侧，无源合分波器进行波长复用/解复用，实现AAU到基带对应波长的连接，基带侧也全部采用彩光模块，并与AAU侧工作波长一一对应。可以实现点到点、环网、星型、链型等传输距离不太长(<10km)的组网场景需求。

  由于5G前传的远端侧需要进行室外部署，因此需要使用可以野外安装的工业级(-40°C—85°C)光模块。目前，实现工温工作的技术方案主要有：(1)商业级25Gbit/s直调(DML)芯片+制冷封装方式，优点是对激光器芯片要求低，缺点是增加了功耗与成本。(2)直接采用工业级的25Gbit/s DML芯片，优点是封装简单、功耗成本低，缺点是工业级激光器芯片工艺实现困难(如掺铝量子阱材料生长)。

  无源彩光前传波分系统可以实现免连线、免规划、免维护。使用简单可靠的低成本无源系统来解决点对点传输，减少了大量的有源设备，避免了远端业务安装需要供电的限制，因此可以免去复杂繁琐的运维管理，真正实现免维护、免管理的省心服务。但这也导致传统的无源波分最大的问题是没有任何线路保护和管理能力。

  (a)低成本无电层汇聚复用的纯透传直连的点到点WDM直驱结构

  (b)无需取电的野外部署模式

(a)低成本无电层汇聚复用的纯透传直连的点到点WDM直驱结构

(b)无需取电的野外部署模式

图1 无需供电、可野外安装的低成本无源WDM技术

  2.2中短距高速光模块向低成本的直接检测回归

  结构最简单的点到点WDM直驱系统除了复用/解复用器以外，剩下最重要的就是代表收发机的光模块技术了。近年来，由于数据中心和移动通信升级的需求，5G前传使用的25Gbit/s光模块的研究热点逐步转向40km 以下基于直接检测而非相干的中短距传输场景。

  强度调制—直接检测(IM-DD)光纤系统中影响性能的物理损伤一般来自发射机和光纤传播过程。主要的损伤有色散、激光器相位噪声、激光器相对强度噪声和四波混频(FWM)。

  在IM-DD (强度调制-直接检测)系统中，当色散存在时，就会导致功率衰落问题;而当色散不存在时，又会发生四波混频现象[4, 5] ;还有就是当信号的符号率增加时，又会出现信道非线性响应的问题。因此，专为低成本IM-DD系统提出的新型调制格式、收发机结构和DSP(数字信号处理)方案的目的就是为了抵抗直接检测系统中的色散问题和非线性效应问题。

  由色散导致的脉冲展宽效应与调制光的光谱宽度的平方成比例。为了减小色散的影响，在光模块中直接滤掉不必要的光谱部分是非常有效的。过去使用法布里—珀罗(F-P)激光器在多纵向模式上振荡，整个光谱是强度调制的，从而产生非常宽的多频率光谱。激光的多频率成分引起的脉冲展宽可以通过将激光光谱限制为单纵模来消除，或者用DFB单纵模激光器来代替F-P多纵模激光器。

  使用更复杂、更高阶调制，无疑又增加了DSP的处理复杂度，随之又需要PD(光电探测器)、TIA(跨阻放大器)和两倍带宽甚至更高采样率的ADC(模数转换)。

  目前各主流器件、光模块厂家都在尝试基于10G电带宽的DML(直接调制激光器)工温芯片，以超频方式来实现低成本25Gbit/s高速光模块。一种是利用10G电芯片带宽的器件通过倍频来实现25Gbit/s的高速光信号收发;另一条思路就是利用PAM-4(4电平脉冲幅度调制)技术实现1个周期传输2个bit信息，如图2(a)所示，相对于NRZ的1个周期传输1bit信息来说倍频了一倍;他们的基本思路都是利用更复杂的电调制解调技术来降低收发模块对激光器物理带宽的要求或减少激光器的使用数量来降低成本的，例如在同速率情况下，使用PAM-4技术可节省50%的光器件使用量。

(a)PAM-4技术原

(b)PAM直检与相干处理环节对比

图2 PAM-4技术原理及其直接检测处理与相干检测处理的对比

  直接检测通常被视为一种实现低成本需求的方案。PAM4技术的基础原理就是采用更密集的电平去传输更多的信息，PAM4的信号处理也分为两种方法，一种是采用CDR(时钟和数据恢复电路)的模拟方式，另一种是采用DSP(数字信号处理)的数字方式。如图2(b)所示，考虑到一些已提出的直接检测方案的复杂度、带宽需求和数字处理能力，无论是使用单个PD 还是多个PD 的接收机，虽然都不能确定直接检测是一种用来实现低成本、低功耗、占用空间小的收发机的正确方法。但是如果我们降低对传输距离的期望值，例如限制在20km以内，不必采用太过复杂的调制编码技术，速率也限制在25Gbit/s量级，那么答案将是非常肯定的。

  对于是使用一倍数量的两倍信号带宽器件还是使用两倍数量的一倍信号带宽器件，需要综合考虑成本、功耗和占用空间。目前，在20 km 以下，强度直接调制直接检测方案仍然具有明显的成本和性能优势，而在100 km以上，相干检测占据着主导地位。

  2.3在O带扩展更多CWDM/LWDM波长的技术创新

  目前已在数通领域成熟使用的LWDM 8光模块使用的波长为使用EML(电吸收调制激光器)的四个波长1274、1278、1282、1286nm与使用DML(直接调制激光器)的四个波长1295、1300、1305、1310nm;同时，目前成熟且非常便宜的CWDM在O-band的6个DML激光器的工作波长为1271、1291、1311、1331、1351、1371nm。

  在半导体器件的工作机理决定下，激光器的工作波长通常是随温度而变化的，如图3所示，DFB激光器的温度漂移系数大约为0.08nm/°C。在粗波分复用CWDM系统中，由于波长间隔很宽(20nm)，可以不必考虑温度引起的中心波长飘逸问题，因此其激光器常采用非冷却激光器，而LWDM/DWDM由于波长间隔很窄，常采用致冷型激光器，也就是使用半导体热电致冷器TEC(Thermo Electric Cooler)，它可使激光器的结温变化控制在±0.1°C范围内。有鉴于此，我们可以基于这个TEC工作机理来稳定激光器的中心波长或者人为有意地拉偏激光器的中心波长，从而在不增加新的激光器芯片类型的基础上，让同一个激光器芯片输出更多个WDM的工作波长来。

图3 标称值1310nm的DFB激光器在不同温度下的中心波长值

  按照对不同温度的精确控制来稳定光模块不同的输出波长这个思路，我们在现有的成熟的O波段间隔为20nm的CWDM方案的1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1351nm、1371nm的基础上，让每一个波长通过TEC控制后，向左右各偏移3.5nm波长就可以形成12个波长的O带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 (单位 nm)，如图4所示。

  可以看出这个基于TEC扩展CWDM6的波长方案是7nm和13nm不等间隔的，具体实现上前8个波长搭配DML+ PIN(光电二极管)+ TEC，后4个波长因为色散较大需要搭配DML+ APD(雪崩二极管)+ TEC，以此来满足10km链路预算要求。

图4 基于TEC以+/-3.5nm扩展CWDM6而形成的非等间隔12波方案

  TEC的功能就是为了稳定波长，如果通过TEC的温度来调节波长，TEC会工作在大电流的状态，因此光模块的功耗会高很多。

  为了在O带获得更多波长的WDM应用系统，我们还可以想到的就是直接基于成熟的LWDM来扩展12波方案，也就是分别采用八个LWDM波长+四个CWDM的波长分配方案，全部采用4.5nm的等间隔，也就是1269、1273、1277、1282、1286、1291、1295、1300、1305、1309、1313、1317(此激光器若无供货可用1331取代)nm。这样一来，激光器芯片就一部分继承了LWDM8中所使用的EML激光器，另一部分继承了CWDM/LWDM中所使用的DML激光器，如图5所示。由于该方案的波长间隔较窄，每个光模块都必须使用TEC来稳定中心波长。

  这种基于现行的LWDM扩展的25Gbit/s彩光模块产品，支持SFP28封装形式，工作温度-40至85℃，传输距离为10/20km，其12个波长方案为8个DML和4个EML，通过低成本的DML/EML TO气密封装和内置TEC控制波长漂移来实现。

图5 等间隔4.5nm共享已有CWDM的DML、LWDM的EML的12波方案

  基于TEC扩展CWDM的12波WDM的工作波段在1266~1377nm;而基于LWDM扩展的12波的工作波段在1269~1332nm区间。二者的主要差异就集中在133x~137x这几十个纳米之中，因为光纤在这一段的色散比较大，为了克服色散的影响 CWDM12给出的解决方案是前八波用PIN接收，后四波用APD来提高灵敏度，以补偿133x~137x由于色散而导致的功率代价。O-band的LWDM12，波长间隔窄一些(为4.5nm)能省掉APD，但需要用TEC致冷器和EML型激光器。

  一般情况下，使用EML相对于DML意味着高成本，使用TEC、APD也会增加成本。在5G前传光电器件的设计中，尽管成本挑战极大，但是无论提出什么样的波长排列方案，都必须是以保证光芯片与光模块产品性能指标为前提的，并需要考虑功耗、寿命、长期可靠性等因素。

  2.4低成本、模块化CWDM/LWDM型O带波分技术

  为了减小色散对WDM系统的影响，容易想到的解决方案就是工作于接近零色散的O-band区域，在理论上可以增加传输距离，但当WDM工作点趋近零色散点时又有两点不足：

  第一个不足是在该区域中有较高的光纤损耗，从接收机灵敏度的角度来看，这会导致传输距离变小。目前较新型的光纤在1550nm 处的衰减系数不高于0.18dB/km，在1310 nm 处的衰减系数不高于0.32dB/km。假设在两个波长处具有相同的发射功率，则衰减系数的增加将会导致42.9%的传输距离减少。

  第二个不足是在零色散波长附近的光谱区域中，想采用WDM来复用多个载波的能力会受到克尔效应所带来的非线性限制，而且它们会随信号功率的增加而增加。其中之一就是四波混频(FWM)，是指多个不同波长的光波当满足相位匹配条件时相互作用而导致在其他波长上产生混频成分。

  目前市场上各项性能指标如表1所示的CWDM(粗波分复用：Coarse Wavelength Division Multiplexing)[6]和LWDM(局域网波分复用：LAN Wavelength Division Multiplexing)[7]光模块已经成熟并规模使用。

表1 已商用的O-band CWDM/LWDM光模块的性能指标

  基于成熟商用的和前述在O-band创新出的更多波长的CWDM和LWDM光模块，再结合前面论述过的无源WDM直驱技术，我们创新设计出全无源、全彩光、CWDM/LWDM模块化、可灵活堆叠、多方向级联汇聚的面向5G前传的25Gbit/s WDM系统方案及产品，其工作原理如图6所示。

  此创新方案两端均使用彩光模块，通过合分波器复用多个波长传输以节省光纤资源，采用防水防潮设计，适应野外多场景安装，提供室外挂墙、室外抱杆、室内机架等多种设备形态;另外以CWDM在O-band工作的光模块或LWDM在O-band的光模块为基础，进行多模块堆叠，通过模块化设计，可以提供超低成本的6波、12波、18波、24波等5G前传网无源WDM解决方案。

图6 基于CWDM/LWDM成熟模块堆叠型无源WDM创新方案

  这样创新的系统设计思路，一方面采用标准化、模块化架构，设备可实现低成本灵活配置;另一方面，共享了在数据中心商用规模巨大的、成熟的光模块产业链，可以通过PIN/APD(光电二极管/雪崩二极管)、DML/EML(直接调制激光器/电吸收调制激光器)、NRZ/PAM4(非归零码/脉冲幅度4电平调制)、CWDM/LWDM(粗波分复用/局域网波分复用)、波片/AWG(阵列波导光栅)、PIC/PLC(光子集成电路/平面波导电路)、BiDi/非BiDi(单纤双向)、灰光/彩光、室内/室外等标准光模块的灵活选择配置，来满足各种速率、各种传输距离、各种线路功率预算的指标要求。

  2.5电信级、高可靠的半无源WDM OLP保护技术

  在传统的有源的WDM系统中，一般使用两条光缆路由，其中一条用于工作线路，另一条用于保护线路。正常情况下，设备工作在工作线路上，当发生线路意外，例如工作线路(光缆)发生断纤或者性能下降时，设备通过OLP(Optical Line Protection)[4,5]板会自动切换到保护线路(光缆)上，以保证业务部发生中断。另外，设备对保护线路具有实时监测功能，当保护线路发生断纤或性能下降时，设备也会及时监测到，以便及时进行返回处理(恢复原样)。因此，WDM设备的保护对象是光层上的传输线路，通过OLP板实现光线路保护，提高了网络的可生存性。这也就是OLP保护与OCP(光通道保护)和OMSP(光复用段)保护的本质区别之所在。

(a) 1+1 OLP

(b)1:1 OLP

图7 有源WDM系统的两种OLP保护倒换方式

  OLP保护主要分为两种类型：1+1保护方式和1:1保护方式，它们的工作原理如图7所示。

  1+1的OLP保护主要是采用双发选收的保护方式，Tx端口的发送光功率按照一定的分光比例(50:50)分送至T1及T2端口，沿主备光纤同时传输到对端，接收端对R1、R2两路光功率进行检测，根据功率状况和设定的切换条件选择与Rx相连通的工作通路。倒换触发不需要收发端相互传递APS自动保护倒换协议的信息，因此倒换时间快、稳定性好。

  1:1的OLP保护方式主要是采用选发选收的保护方式，在该保护方式下，工作业务信号均沿工作光纤传输，非工作光纤可以传送其它次级业务信号。两端的OLP设备根据主用光纤和备用光纤的状况，同步选择工作于主用光纤或切换到备用光纤。为了保证两端切换的有效性和可靠性，两端设备需要通过APS自动保护倒换协议信息协调保护倒换的动作，因此倒换时间稍慢。

  由以上描述可以看出，无论是1+1的OLP还是1:1的OLP保护都必须两端设备是有源工作状态的，而这样的设备当要用于C-RAN的前传场景时，都要面临必须在室外的天线一侧给WDM设备提供电源的巨大压力，而且无法在野外部署。

图8 半无源/半有源工作模式下的新型WDM OLP保护机制

  为了提高可野外安装的、低成本的、模块化的无源WDM波分前传系统的电信级高可靠性能力，我们创新性地设计出了一种远端保持无源、仅通过近端有源保护板卡即可实现的1+1 OLP半无源保护方案。如图8所示，在近端的局端侧采用有源保护板卡，远端侧仍保持为无源状态。在局端使用选发选收，选择其中的某条线路作为主用线路，另外一条线路作为备用线路。在远端使用并发并收的模式，发送光信号经过主、备用线路同时传输到对端，而并收是根据接收到的两路信号的功率，选择接收一路信号。一旦主用线路的光纤发生故障造成通信质量下降时，主用线路的接收端检测到信号的功率下降，自动将传输信号从主用线路切换到备用线路。

  在保持远端无源的基础上，仅通过增加有源保护板，支持OLP 1+1保护，基于LOS告警触发，无需信令交互，支持对各通道的收发光功率的监测功能，易于故障定位与维护;OLP保护功能可根据应用场景选配，支持热插拔;保护板取电方式灵活多样;支持SNMP、Web等多种图形化界面管理，提供电信级网络管理与保护功能[8];半无源保护方案可以实现低时延，纯物理传输，符合5G前传网对时延要求小的特性。半无源保护方案造价低，有利于运营商运维要求，对全网可以实现可视化管理。

  3 可野外安装、可模块化扩展、可保护的半有源WDM创新方案

  针对传统的有源波分方案无法野外安装、需要供电的问题，以及传统的无源波分方案不具有任何的保护措施这样的不足，我们面向5G前传提出了具有可野外无源安装、可CWDM/LWDM模块化扩展、能实现WDM OLP保护等创新技术能力的半有源WDM方案，该创新型的前传波分复用系统的工作原理如图9所示。

  图9半有源WDM创新方案的工作原理

  为了降低成本，该创新方案首先采用无中继放大、无DCM、无中间OADM跳接的设计思路，核心架构采用无源双星型纯透传WDM直驱组网拓扑。AAU侧采用无源设备，采用CWDM/LWDM彩光模块，AAU侧无源合分波器复用多个波长进行传输以节省光纤资源;DU侧采用仅仅增加一个有源保护板卡的全彩光的半有源WDM设备，实现2.5节所述的半无源WDM OLP保护功能。由于远端侧为纯无源设备，则兼顾了无源设备无需供电、可室外部署等低成本特性;局端有源WDM设备形态多样，根据网络中具体应用需求，单个有源WDM业务板卡可以选择是否集成光保护功能。局端侧有源保护板卡可提供保护和自动倒换机制，具备实时功率监控、主备路由自动切换、工作参数设定、远程网管控制等基本的OAM管理功能，可对各通道的收发光功率进行监测和执行光层保护功能，支持前传网络的可管理性和可运维性。

  在保持端到端无源低成本的基础上增加了有源网管及保护等辅助功能，能够对重要的基站进行线路保护，避免因光缆线路故障造成的基站脱网，还能够保证局端设备在掉电情况下仍不影响业务运行。

  远端部署无源WDM设备，无需供电，无需占用机房空间，部署位置可灵活选择，支持机架式、抱杆和壁挂安装，既可安装于靠近AAU处解决单站业务，也可安装于二级分纤点处汇聚多站汇聚业务。该应用模型是运营商前传网建设面临的比较典型的应用场景，可以有效解决光缆资源紧张问题，能快速的部署5G基站，并能实现汇聚机房周围的快速布站，可以让现有4G站与新增5G站共用一芯光缆资源。

  无源彩光双星型结构，受限于彩光光模块的接收灵敏度，适合10km以内光纤双路由到基站的应用场景。而远端无源、局端有源的半有源WDM方案最大的优势就是保持了远端波分复用设备的无源特征，而且在获得无源系统的成本优势的同时又解决了线路保护问题。

  除了有源保护板外两端是全无源全彩光的，这样非常便于部署和维护，同时满足高可靠性，大大降低5G建设的综合成本。既能极大程度缓解光纤资源的压力，又能兼顾成本、管理、保护优势，助力运营商低成本、高带宽和快部署5G前传网。

  O-band 半有源WDM方案可以提供统一管控的前传网络设备，有利于无线和传输对维护界面管理域的划分，以及无线设备和光模块的解耦。

  4 结束语

  2022年5月13日，中国移动发布《中国移动2022年至2023年基站前传设备集中采购(CWDM基站前传设备)_中标候选人公示》。这应该是迄今为止5G前传最大的一个标的开出，需求达高18万套CWDM设备，结果有10家设备商中标。作为迄今为止CWDM最大一标，此次价格创下新低，10家厂商平均报价仅2.1亿元，单套设备单价约为1220元。创下了价格新低。2020年4月中国电信集团采购时，单套设备单价约为2350元。两年时间，价格下降了一半。虽然价格厮杀惨烈，但是从中标结果来看，业界几个5G前传大厂基本也都入围了。

  从近几年各大运营商的实际前传采购工程可以看出，低成本的O带波分产品占据了绝大多数的市场份额。本文首先基于这种主流前传波分方案，在继续保持两端无源的前提下，又针对特殊场景对线路保护功能的需求，而提出了可带新型OLP保护的低成本的O带半无源/半有源前传WDM创新方案。在很多次的应用试点中，使用一对12波长合1的CWDM无源设备，使用全彩光25Gbit/s高速模块，并配置了创新型的半无源1+1 OLP保护板卡，其典型插入损耗2.0dB，模拟了光纤断裂、信号丢失、掉电等多种故障情况下的保护倒换操作。从应用结果来看，当发生网络故障时，它能完全不影响5G业务性能，测试性能指标满足实际要求，系统性能稳定可靠。由于该设备方案除了保护板外，端到端都是无源全彩光工作的，所以针对站点掉电这种极端情况，业务却能丝毫不受影响，客户对此给予了很高的评价。实际使用表明该创新方案不但充分利用了现有的光纤资源，也大大降低了网络部署成本和运维难度，加快了5G网络部署的建设速度。

  远端半无源、近端半有源的可野外安装的、有保护的、模块化的、全彩光WDM前传应用方案具有行业的创新性!它让远端无源，局端仅保护板卡有源，具有OLP保护能力，实现了网管又远端节约了电费，从而解决了远端难以供电的问题，因此是5G前传网络建设的一种创新型低成本解决方案。

  参考文献：

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