研究了低成本O波段高速彩色光模块、全无源/全彩色光模块的WDM双星结构设计、仅在局端增加有源保护板的OLP保护新机制。本文提出的创新型WDM预传输设备和产品方案具有现场安装、灵活部署、低成本、高可靠性的技术优势。
1 5G前传面临光纤资源快速枯竭的窘境。
根据3GPP 5G RAN的功能划分，5G重构为AAU、DU、CU多级架构，对应传输网络的网络部署可分为前向传输、中间传输和后向传输。围绕5G新无线技术的推广使用，前向传输网络最本质的需求已经明确为高速高效的25Gbit/s大粒度直接传输。
5G转发网络主要有两种部署模式：分布式无线接入网(D-RAN)和集中式无线接入网(C-RAN)。D-RAN模式是集成基站的传统部署模式，新的C-RAN可以细分为两种部署模式：小型集中式C-RAN模式和大型集中式C-RAN模式。
与4G相比，5G的频率更高，单个基站的覆盖范围远小于4G，这意味着5G网络需要更多基站以更密集的方式覆盖，才能达到与4G网络相同的覆盖能力。如果大量密集基站直接使用光纤直连来解决覆盖问题，会耗费大量的光纤芯资源和管孔/管道铺设资源。
如图1所示，一个非常常见的5G基站接入光缆综合业务接入区的组网情况，一个综合业务接入区一般包括两个汇聚机房，4~6个一级光纤分支点，6个以上二级光纤分支点。当综合业务接入区域内有足够多的光缆，且AAU与基站距离较近时，可以采用光纤直连，这样可以有利于综合业务接入区域内的老光纤资源，接入方式可以将DU连接到最近的二级光纤分路器点；或者接入最近的二级光纤分路器，然后通过联络光缆(配线/主干光缆)连接到DU。当现有的光缆资源不能满足需求时，就需要新建一条光缆来连接DU。
1.服务接入区的集成5G接入模型
可见，5G发展和C-RAN部署模式对主配线光缆的最大影响是核心资源的巨大消耗。通常，对于4G/5G基站服务，每个BBU有三个扇区，每个扇区分为D-频段和F-频段，其中D-频段有三个载波，F-频段有一个载波。采用单纤双向光模块和D波段红外压缩技术后，每个基站需要占用133=9根纤芯。如果一个机房部署10个bbu，需要预留90个纤芯。对于室内分布、客户专线和家庭宽带业务，假设一个C-RAN区域内有两个微电网，每个微电网有3000户。据估计，在C-RAN区域中需要120个光纤芯。
如果4G基站采用RRU-BBU双路由保护机制，而5G基站不采用，则配线光缆的纤芯要求为891 292 120=228，如果5G基站也采用双路由保护，则配线纤芯需要348。这样，分配电缆需要敷设288芯以上，主干电缆需要使用432芯以上。考虑到并非所有路由都需要保护，主干光缆采用288芯光缆，围绕1~2个综合服务机房建设，覆盖2~3个C-RAN区域。如果主干光缆采用432芯光缆，可以覆盖3~4个C-RAN区域。
从上面的分析可以看出，5G预传输网络的建设对光缆资源提出了很大的挑战。另外，对于C-RAN大集中的应用场景，如果仍然采用光纤直连，传输距离将成为无法回避的问题。因此，为了降低光纤的建设成本，节约光纤的消耗
除了光纤，前向传输网络还需要具有CPRI/eCPRI接口的光模块或光器件。由于5G前传是室外应用，所以需要可以现场安装的工业级(-40C ~ 85C)光模块。目前，为了实现更宽的温度范围，光模块的主要技术方案有：(1)商用(0 ~ 70)25 Gbit/s直接调制(DML)芯片，采用制冷封装，优点是对激光器芯片要求低，缺点是功耗和成本增加；(2)直接采用工业级25Gbit/s DML芯片，优点是封装简单，功耗成本低，缺点是工业级激光芯片技术难以实现(如生长掺铝量子阱材料)。
对于25Gbit/s高速光模块，主流器件和光模块厂商都在尝试基于10 Gbit波特率的DML(直接调制激光器)热芯片，通过超频实现低成本的25Gbit/s高速收发模块。其基本思想是使用更复杂的电调制和解调技术来降低模块对激光器物理带宽的要求或减少所用激光器的数量来降低成本。一种方法是采用PAM-4(四级脉冲幅度调制)技术，在一个周期内传输2比特信息，比NRZ(不归零码)在一个周期内传输1比特信息高一倍。此外，使用高阶调制技术或多种调制技术的混合。例如，华为使用离散调谐技术(DMT)来实现单波100Gbit/s光模块。
目前，已经可以成熟规模使用并满足O波段CWDM中心波长分配表(如表1所示)要求的前六波25Gbit/s光模块的最新市场价格已经降到400元/光模块的水平，而工作在C波段的同速率光模块价格仍然在3000元/光模块以上。因此，用O波段CWDM光模块构建的波分系统的成本优势非常明显。
我们创新设计的全无源、受保护的O波段CWDM(粗波分复用)5G预传输产品，在O波段的前六个工作波长使用CWDM的彩色光模块，并以这六个波长为单位进行堆叠。通过模块化设计，可以提供6波、12波、18波、24波等超低价5G预传输网络光模块解决方案。
O波段CWDM的中心波长分配
采用标准化、模块化的架构，使设备可以低成本灵活配置，例如实现一个基站一根光纤前向传输的多向汇聚。这种配置模式完全匹配5G预传输的需求(S111配置需要6个光方向收发)，可以将分散在多个基站的高速光连接以6个波为单位连接到综合业务接入点进行多方向大汇聚大集中，是构建C-RAN大集中的最佳方案。
另一方面可以共享数据中心大规模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(不归零码/脉冲幅度4级调制)、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)灵活选择和配置非BiDi(单纤双向)、gray以满足各种速率、传输距离和线路功率预算的指标要求。
2.2具有两个无源端的低成本双星WDM架构
5G前传的高速光纤连接需求，让运营商普遍面临接入光缆匮乏的痛点。已经广泛用于干线和核心网络的波分复用(WDM)系统可以简单地在单根光纤上提供40波甚至96波波长信道。因此，我们可以很自然地将WDM技术引入到前向传输网络中，让WDM作为前向传输网络，从而简单快速地提供大量的波长通道(相当于提供大量的虚拟光纤)，这样可以大大节省前向传输中使用的接入光纤数量
针对光纤直驱需要消耗大量光纤资源的问题，提出了一种面向5G前向传输的新型低成本波分复用(WDM)设备的原理架构。为了降低成本，创新方案首次采用无中继放大、无DCM(色散补偿模块)、无中间OADM(光分插复用器)跳接的设计思路，核心架构采用两端无源的双星组网拓扑。
两端无源、纯透明传输直接连接的双星WDM直驱结构
在两端完全无源的双星波分复用(WDM)方案中，在AAU侧直接使用彩色光模块(6/12/18波)和无源波分器件。无源波分器件不需要带电工作，完全可以部署在现场光纤分线盒、分线盒、光分线盒等。在基带站的DU侧，采用所有色光模块，通过无源复用器进行波长复用/解复用，实现AAU与DU对应波长的连接。
该方案的突出特点是线路侧只需要一个工作纤芯，骨干光纤资源消耗极低。而且远程系统不需要电源，具有室外部署能力。可以满足点对点、环网、星型、链网等多种组网场景。但这种方案的一个麻烦是，每个汇聚方向使用的波长必须按照固定的顺序排列，两端使用的光模块是一一对应的，需要统一规划整个WDM系统。
前向WDM双星直驱设备是典型的点对点拓扑，省去了ONU(光网络单元)设备和OLT(光线路终端)设备，使得OTN(光传输网)、PTN(分组传输网)、SPN(切片分组网)等设备的电层处理冗余。
WDM结构的上行和下行传输使用独立的不同颜色的透明波长信道，不需要任何特殊的MAC层协议处理，也不需要信道间的动态带宽分配，因此系统的复杂度大大降低，传输效率大大提高。在提供具有更高带宽的高速直接信道的同时，传输延迟也是所有前向传输方案中最低的。
两端全无源色光前向波分系统可以实现无连接、无规划、无维护。使用简单可靠的低成本无源系统解决点对点传输，减少了大量有源器件，避免了OTDR等有源器件的高插入损耗对光纤线路的测量限制。从而可以省去繁杂的运维管理，真正实现免维护免管理的无忧服务。
2.3 OLP保护机制创新，可以保持远程被动
在传统的没有OTN帧结构的主动WDM系统中，为了应对风险，实现自愈能力，一般在工作线路出现故障时，通过OLP(光线路保护)功能自动将工作线路切换到保护线路(光缆)，以保证业务不会中断，如图3所示。
OLP保护分为两种：1 1保护模式和1:1保护模式。OLP 1 1保护主要采用双发送、选择性接收的保护方式，切换时间快，稳定性好；1:1 OLP保护方式主要采用选择性收发保护方式，APS自动保护倒换协议信息需要在两端进行交换，以协调系统两端的保护倒换动作，因此倒换时间略慢。从上面的讨论中，我们可以很容易地发现，两种OLP模式都必须要求两端的设备都是活动的。那么，如果要将这种OLP保护方法应用到正向传输网络中，我们将面临很大的压力，为室外天线侧的WDM设备供电，这也说明了传统的有源WDM设备带OLP功能无法在现场部署。
主动WDM系统的OLP保护切换方式
针对传统有源波分方案需要电源且无法现场安装，传统纯无源波分方案没有任何保护措施的问题，我们创新性地提出了一种面向5G前向传输的新机制，只需在局端增加一个有源保护板，即可实现端到端的全彩色OLP保护功能，同时保持远端无源特性。如图4所示，本地端采用主动保护板，而远程端保持被动。除了有源保护板，两端都是无源全彩灯，非常方便部署和维护，同时满足高可靠性，大大降低5G建设的综合成本。既能极大缓解光纤资源压力，又能兼顾成本、管理和保护优势，帮助运营商部署低成本、高带宽、快速部署的5G前向网络。
全无源全彩色光保护O波段CWDM转发设备的工作原理
为5G前传设计的创新O波段CWDM传输系统保护方案是一种全新的OLP保护机制。如图4所示，在本地局使用选择性发送和选择性接收。远端采用并发接收的模式，光信号同时通过主备线路传输到对端，并发接收是根据接收到的两路信号的功率选择一路信号。一旦主线光纤发生故障，通信质量下降，主线接收端在检测到信号掉电或故障后，会自动将传输信号从主线切换到备用线上。该方案最大的优点是保持了远端波分复用设备的无源特性，获得了无源系统的成本优势，同时解决了光层的线路保护问题。
这种创新方案在保持系统端到端无源的基础上，只需增加有源保护板就可以支持OLP保护功能。基于LOS告警触发，无需信令交互，支持各通道收发功率监控功能，易于故障定位和维护；OLP保护功能支持热插拔，可根据应用场景选择；保护板取电方式灵活多样；支持SNMP、Web等图形界面管理，提供运营商级网络管理和保护功能；全无源保护方案可以实现低时延、纯物理传输，符合5G前向传输网络低时延要求的特点。全无源保护方案成本低，有利于运营商的运维需求，可以实现全网可视化管理。
O波段CWDM OLP保护转发设备的应用方案
为了减少C-RAN模式组网规模大、CU/DU集中的情况，一旦光缆中断，将极大影响下游AAU站的正常工作。同时，为提高5G对自动驾驶、企业应用等综合业务网络的高可靠性，采用本文提出的全无源、全彩色光和保护前向WDM创新方案，可提供基于物理隔离不同光缆路由的光层OLP保护功能，保护倒换时间小于20ms小时。远程系统无需电源，具有室外部署能力；可满足点对点、环网、星网、链网等多种组网需求，适用于以下业务场景：
(1)当综合业务接入区光缆紧张时，基站需要通过多段骨干分布光缆连接AAU，AAU与基站的距离较远。
(2)在光纤资源匮乏的地区，没有管道资源，无条件铺设新光纤。
(3)时限较大时，可作为应急方案，暂时解决光纤问题。
(4)要求提高5G预传输网络的可靠性、可管理性和运维环境。
全彩光纤WDM转发设备双路由保护的典型应用
系统的WDM设备采用模块化架构，支持所有功能单元的热插拔，有利于本地局的灵活部署和后期扩展需求。通过有源OLP保护板，实现各通道收发功率的监控功能和光层保护功能，实现前向传输网络的可管理性和运维。
4摘要
由于光纤直驱方案消耗大量的光纤芯，面临着光纤资源短缺、新光纤建设困难(市政协调、工期)、单间覆盖面积增加、网络风险增加等问题。同时，传统的无源WDM波分系统虽然不需要电源，也省去了不必要的电层协议处理，可以低成本、快速地虚拟出大量几十个波长的光通道，但被广泛诟病的最大问题是不具备线路保护和监控能力。再者，传统的有源WDM波分系统可以实现电信级保护的切换和维护管理，但需要端到端供电，需要部署在机房内。鉴于此，本文根据保持无源波分的低成本特性，克服其保护能力不足的研发思路，创新性地提出了低成本全彩色光全无源O波段CWDM系统和半无源OLP保护创新方案，这无疑将为5G前向传输网络建设带来更加优化的技术方案和设备产品选择。编辑：pj
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