5G前传WDM技术方案进展分析

  截至2019年年底，我国5G基站数已经超过13万个。目前，我国正在加快推进5G网络建设进度，预计到2020年年底全国5G基站数将超过60万个，5G承载网的建设受到广泛关注。前传网络作为承载网的一部分，相关技术方案的选择将与运营商的投资、建设效率和维护管理等密切相关。

  本文从架构、方案、技术成熟度、产业进展等角度综合分析了基于波分复用(WDM)的5G前传方案，介绍了目前5G前传WDM方案在标准化推进、系统测评等方面的进展，并对其未来发展提出了相关建议。

  5G前传WDM网络架构

  5G无线网络部署主要有分布式无线接入网(DRAN)和集中式无线接入网(CRAN)两种场景，其中CRAN又可分为CRAN小集中和CRAN大集中两种模式。CRAN大集中一般需要集中单元(CU)云化和分布单元(DU)池化集中部署来支撑实现。DRAN场景相对简单，有源天线单元(AAU)和DU一般分别部署在塔上和塔下，CRAN场景对应的拉远距离通常在10 km以内[1]。

  5G前传网络主要实现AAU到DU之间的信号拉远传输。集中式的CRAN架构给5G前传网络提出了新的需求，波分复用成为前传网络的优选方案，并存在无源WDM、有源WDM、半有源WDM等多种WDM网络架构。

       2.1 无源WDM方案

  无源WDM方案基于无中继放大、无色散补偿的端到端全无源方式来实现低成本的波分复用传输(见图1 )。AAU直接采用彩光模块，通过分支光缆连接到无源合分波器;在局端DU侧，无源合分波器进行波长复用/解复用，实现AAU到局端一一对应的彩光波长连接，部署简单，但存在无故障管理、维护难度较大等问题。

图1 无源WDM架构

  2.2 有源WDM方案

  有源WDM方案在远端站和局端站均采用室外型有源WDM设备进行电层或/和光层复用(见图2)。该方案减少了末端光纤数量，支持全拓扑结构如环带链/环形/链型/星型，也可以提供电信级的可管理性，但是成本较高，同时受基站供电条件等制约。

图2 有源WDM架构

  2.3 半有源WDM方案

  随着5G网络部署规模逐渐增加，前传网络将拥有数十万甚至百万量级的海量节点，网络的可维护管理能力成为迫切需求，支持维护管理能力的半有源WDM方案成为目前业界研究的重点方向，其基本架构如图3所示。半有源WDM方案既是有源WDM方案的简化，也是无源方案的增强。远端AAU侧为无源WDM，不受供电限制，局端BBU侧WDM为有源设备，结合光模块调顶功能[3]，能够实现监控、故障检测和保护等能力。

图3 半有源WDM架构

  5G前传WDM技术方案

  应用于5G前传的N×25 Gbit/s WDM技术根据使用的波长不同，目前有粗波分复用(CWDM)、基于以太网通道的波分复用( LWDM)、中等波分复用(MWDM)和密集波分复用(DWDM)4种，波长如图4所示。

图4 25G WDM波长选择方案

  CWDM系统使用ITU-T G.694.2规范的1271 nm~1491 nm波长范围，通道间隔20 nm。LWDM以IEEE 802.3-2018规范的400 GE LR8波长范围(1273.54 nm~1309.14 nm)为基础，通道间隔800 GHz(约4.4 nm)，对于12波系统，需进行4个波长的扩展，目前初定波长范围在1269.3 nm~1318.35 nm。MWDM方案使用的波长范围为1265 nm~1377 nm，对CWDM的6个标准CWDM波长进行通路间隔压缩后扩展得到12个波长。DWDM主要是基于ITU-T G.698.x标准，使用C波段(1529.55 nm~1565.50 nm)。不同WDM技术的关键特性和实现方式比较见表1。

表1 N×25Gbit/s WDM方案比较

  5G前传WDM产业及标准进展

       4.1 5G前传产业进展

  从目前5G前传产业发展情况看，CWDM和MWDM主要共用100G CWDM4产业链，光迅、海信、上海欣诺、爱立信、烽火、瑞斯康达、格林威尔等多个模块厂商和设备厂家拥有6波或12波25 Gbit/s CWDM商用产品，多个运营商省公司从2019年开始在现网已启动规模部署了6波和12波无源CWDM产品。

  25 Gbit/s MWDM的产业链从2020年开始正在加速成熟当中。在设备方面，包括华为、中兴、烽火在内等厂商已经启动半有源MWDM研发，部分厂家已经完成半有源MWDM原型设备并参加了中国移动的测试，满足MWDM波长、距离和环境要求的模块已有十数家厂家参与开发。

  25 Gbit/s DWDM目前已有II-VI、海信、易锐光电等模块厂商可提供固定波长双纤双向25 Gbit/s DWDM光模块，多个光模块公司也正在开发25 Gbit/s可调谐DWDM光模块，包括PIN接收和APD接收，单纤双向和双纤双向光模块，全C波段可调以及窄带可调等多个类型，2019年年底中国联通也在实验室进行了相关系统测评演示。

  25 Gbit/s LWDM可重用100G CWDM4、100GLR4、400G LR8等多个产业链，目前旭创、光迅、索尔思、II-VI等模块厂商正在进行LWDM光模块研发，中国电信也在联合设备商、模块商进行产业推进和标准化制定等工作。

      4.2 5G前传标准进展

  目前，业界已启动5G前传设备和模块的标准制定工作。中国通信标准化协会(CCSA)已经立项城域N×25 Gbit/s WDM系统总体技术部分标准，以及CWDM、MWDM、DWDM、LWDM 4种类型的25 Gbit/s光模块标准。在ITU-T SG15中，Q6正在进行G.698.1、G.698.2和G.698.4面向25 Gbit/s速率的修订工作，计划在其中增加20 km、20个通道的25 Gbit/s接口光层指标，相关情况如表2所示。另外，ITU-T SG15 Q6也已启动基于CWDM 25 Gbit/s方案的前传技术标准化工作的讨论。

表2 N×25 Gbit/s WDM前传设备及模块相关标准化工作

       4.3 5G前传方案测评

  为了评估25 Gbit/s前传模块的发展水平，充分支持5G的商业进程，IMT-2020(5G)推进组的5G承载工作组分别在2018年和2019年年底组织进行了两次25 Gbit/s及以上速率光模块的测试评估工作。从测试结果来看，近两年25 Gbit/s光模块的成熟度、稳定性以及与设备的兼容性等都有了较明显的提高。

  在5G前传设备方面，除了各运营商集团或省公司组织的25 Gbit/s CWDM系统的技术摸底或招标测试之外，支持OAM功能的半有源设备的测试评估成为业界关注的焦点。中国移动、中国电信、中国联通正在分别开展和推动25 Gbit/s MWDM、25 Gbit/s LWDM、25 Gbit/s DWDM方案的完善及标准制定工作，预计在2020年上半年将陆续启动新一轮的测试和验证。

  结束语

  本文在重点介绍5G前传WDM典型网络架构的基础上，聚焦分析了4种WDM技术方案的实现差异及最新的产业及标准化进展。整体来看，5G前传除了目前初步规模部署的无源CWDM方案之外，基于半有源的3种WDM方案(MWDM/LWDM/DWDM)已成为业界关注的焦点。

  从部署需求、传输性能优化、产业链良性发展等多方面考虑，5G前传WDM方案后续仍需业界协同推动、优化和完善。一是结合应用需求、成本等综合因素，进一步加快优化和规范传输功能、性能指标;二是聚焦维护管理功能特性需求，规范基于调顶方式的功能特性、实现协议、硬件集成模式等;三是鉴于目前多种WDM方案并存发展，后续业界应尽量聚焦多种方案的共性特征，推动核心芯片和器件的研发协同，推动技术方案尽快成熟并促进整个产业链良性发展。

  参考文献

  [1] IMT-2020 (5G)推进组. 5G承载需求白皮书[R], 2018.

  [2] IMT-2020 (5G)推进组. 5G承载网络架构和技术方案白皮书[R], 2018.

  [3] 华锋, 武成宾. 调顶信号对城域波分复用系统的影响[J]. 邮电设计技术, 2015(11):24-27.

  文章作者

  汤   瑞 中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师，主要从事高速光通信领域的产业、政策、标准和前沿技术研究工作。

  吴冰冰 中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师，博士，主要从事光模块器件、光传送网和量子信息领域研究工作。