杜 喆，程 明，張德智

(中國(guó)電信股份有限公司研究院，上海 200122)

0 引言

現(xiàn)有5G 前傳采用傳統(tǒng)CWDM 無(wú)源彩光技術(shù)[1]僅能規(guī)模部署O 波段前6 波(1 271 nm～1 371 nm)25G 光模塊，滿足3 通道前傳承載的需求[2]。為滿足5G 多頻組網(wǎng)以及電信聯(lián)通共建共享的需求，運(yùn)營(yíng)商也針對(duì)性地提出了MWDM、LWDM 和DWDM 等多通道解決方案[3-4]，但是上述方案均存在需新開發(fā)光芯片、產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、國(guó)產(chǎn)化能力不足、價(jià)格高昂等不足。為此，項(xiàng)目組主導(dǎo)提出了CWDM/環(huán)行器方案，即基于CWDM 技術(shù)O 波段前6 波光模塊，并在無(wú)源復(fù)用/解復(fù)用器中引入新型環(huán)行器，實(shí)現(xiàn)由1 根主干光纖完成同波長(zhǎng)雙向傳輸，完成6 通道前傳承載[5-6]。

1 CWDM/環(huán)行器技術(shù)原理

CWDM/環(huán)行器技術(shù)主要利用現(xiàn)有CWDM 無(wú)源彩光系統(tǒng)的光模塊，并在無(wú)源器件的復(fù)用器和解復(fù)用器中各增加了一個(gè)新型環(huán)行器，該環(huán)行器滿足1 271 nm～1 371 nm波段的工作要求。借助新型全波段環(huán)行器可以實(shí)現(xiàn)5G前傳系統(tǒng)上行和下行方向均采用相同的6 個(gè)工作波長(zhǎng)(1 271～1 371 nm)光模塊。CWDM/環(huán)行器方案的具體工作原理如圖1 所示。

圖1 CWDM/環(huán)行器方案工作原理示意圖

以1 271 nm 和1 331 nm 成對(duì)使用的前傳工作通道為例說明。工作通道的上行方向，AAU 設(shè)備上1 271 nm 波長(zhǎng)光模塊發(fā)送工作波長(zhǎng)1 271 nm 的光信號(hào)通過復(fù)用器中的復(fù)用器和環(huán)行器組件，隨后經(jīng)過主干光纖到達(dá)CU/DU側(cè)解復(fù)用器中的環(huán)行器和解復(fù)用器組件，被CU/DU 設(shè)備上1 331 nm 光模塊接收。在通過復(fù)用器和解復(fù)用器時(shí)，利用其中的環(huán)行器具備方向隔離的特點(diǎn)[7]，避免與下行方向的工作波長(zhǎng)1 271 nm 發(fā)生沖突干擾。但是，上行1 271 nm 波長(zhǎng)光信號(hào)在主干光纖遇到光反射點(diǎn)后，會(huì)有部分反射光信號(hào)與下行1 271 nm 波長(zhǎng)業(yè)務(wù)光信號(hào)同時(shí)被AAU 側(cè)光模塊接收，對(duì)前傳系統(tǒng)造成影響[8]。工作通道的下行方向原理與上行方向相同。

2 基于CWDM/環(huán)行器技術(shù)的5G 前傳設(shè)備工作波長(zhǎng)配對(duì)方案

影響CWDM/環(huán)行器設(shè)備規(guī)模部署的關(guān)鍵的因素之一就是上行和下行工作波長(zhǎng)如何配對(duì)部署使用的問題。目前，主要有兩種工作波長(zhǎng)配對(duì)方案，具體描述如下：

(1)同波長(zhǎng)配對(duì)方案

CWDM/環(huán)行器前3 通道采用1 271 nm、1 291 nm 和1 311 nm 的3 個(gè)波長(zhǎng)光模塊，后3 通道采用1 331 nm、1 351 nm 和1 371 nm 的3 波長(zhǎng)光模塊，而且每個(gè)工作通道上下行方向采用相同的工作波長(zhǎng)。同波長(zhǎng)配對(duì)方案原理如圖2 所示。

圖2 同波長(zhǎng)配對(duì)部署方案示意圖

(2)異波長(zhǎng)配對(duì)方案

CWDM/環(huán)行器前3 通道和后3 通道均采用6 波長(zhǎng)光模塊，其中前3 通道AAU 設(shè)備采用1 271 nm、1 291 nm和1 311 nm 的3 波長(zhǎng)光模塊，CU/DU 設(shè)備采用1 331 nm、1 351 nm 和1 371 nm 的3 波長(zhǎng)光模塊;后3通道AAU 設(shè)備和CU/DU 設(shè)備采用的光模塊工作波長(zhǎng)則正好相反。異波長(zhǎng)配對(duì)方案原理如圖3 所示。

圖3 異波長(zhǎng)配對(duì)部署方案示意圖

以上兩種工作波長(zhǎng)配對(duì)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體對(duì)比情況如表1 所示。

表1 兩種CWDM/環(huán)行器波長(zhǎng)配對(duì)方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比表

綜合比較上述兩種方案，建議采用異波長(zhǎng)配對(duì)方案，一方面沿用了傳統(tǒng)CWDM 無(wú)源彩光的部署方式，不需要重新對(duì)CWDM 無(wú)源彩光設(shè)備的裝維人員進(jìn)行培訓(xùn)；另一方面也有利于今后的平滑升級(jí)不斷業(yè)務(wù)。

3 規(guī)模部署中的關(guān)鍵問題分析

影響CWDM/環(huán)行器設(shè)備規(guī)模部署的另一個(gè)關(guān)鍵的因素就是如何有效降低前傳光鏈路中的光反射問題?，F(xiàn)以1 271 nm 和1 331 nm 配對(duì)(采用異波長(zhǎng)配對(duì)方式)的工作通道為例描述光反射是如何形成的，如圖4 所示。當(dāng)CU/DU 設(shè)備上1 331 nm 光模塊的下行發(fā)送光信號(hào)在主干光纖上經(jīng)過一個(gè)活動(dòng)連接器時(shí)，一旦活動(dòng)連接器兩端光纖存在未緊密連接等問題時(shí)，光信號(hào)除了大部分通過傳輸?shù)竭h(yuǎn)端AAU 側(cè)外，基于菲涅爾反射原理[9]，還會(huì)有一小部分光信號(hào)產(chǎn)生反射回到本端CU/DU 側(cè)1 271 nm光模塊的接收器。與此同時(shí)，CU/DU 側(cè)1 271 nm 光模塊還會(huì)正常接收AAU 設(shè)備上1 331 nm 光模塊發(fā)送過來(lái)的正常業(yè)務(wù)光信號(hào)。其他波長(zhǎng)工作通道也存在同樣原理光反射的干擾光信號(hào)。因?yàn)楦蓴_光信號(hào)的存在，此時(shí)移動(dòng)業(yè)務(wù)會(huì)產(chǎn)生一定誤碼。為保證移動(dòng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行，需要將光反射控制在一定范圍內(nèi)。

圖4 CWDM/環(huán)行器前傳系統(tǒng)光反射的原理示意圖

為了有效控制前傳系統(tǒng)中光反射，首選需要找到引入光反射的原因和具體故障點(diǎn)。通過大量現(xiàn)網(wǎng)光時(shí)域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果分析表明光反射主要來(lái)源于前傳光鏈路上的活動(dòng)連接器，如圖5 所示。

圖5 為根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試的OTDR 數(shù)據(jù)模擬繪制的典型5G 前傳光鏈路OTDR 測(cè)試曲線。目前，密集城區(qū)內(nèi)的5G 宏基站前傳光鏈路全長(zhǎng)在3～5 km 左右，在這短短的數(shù)公里光纖鏈路上存在著多個(gè)活動(dòng)連接頭。由于5G 前傳和FTTx 光寬接入采用同一張光纜網(wǎng)，因此典型前傳光鏈路上活動(dòng)連接頭主要分布在接入機(jī)房光配線架、基站側(cè)二級(jí)配線光交、基站AAU 側(cè)分纖箱以及在基站AAU 側(cè)無(wú)源復(fù)用器處，以便于光纖之間的靈活連接[10]。其中，接入機(jī)房?jī)?nèi)光配線架架上的活動(dòng)連接頭數(shù)量最多，普遍在2～3 個(gè)，多則有4～5 個(gè)活動(dòng)連接頭，如圖6所示。

圖5 5G 前傳光鏈路OTDR 測(cè)試曲線示意圖

圖6 5G 前傳光鏈路接入機(jī)房光配線架OTDR 測(cè)試曲線示意圖

針對(duì)光配線架活動(dòng)連接頭的調(diào)研及測(cè)試表明，目前普遍采用SC 型連接器，與以往采用的FC 型連接器(通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)緊固方式)相比較，雖然連接方便了[11]，但是引入光反射的隱患大大提高。這些隱患包括：

(1)人工操作不當(dāng)，導(dǎo)致光纖端面未緊密連接，產(chǎn)生光反射；

(2)活動(dòng)連接頭兩端光纖跳線接頭內(nèi)部彈簧的熱脹冷縮松動(dòng)等因素，導(dǎo)致跳接的兩個(gè)光纖端面之間產(chǎn)生空氣間隙，產(chǎn)生光反射。

由于在局端接入機(jī)房施工部署要求較為嚴(yán)格，這段光鏈路光反射質(zhì)量相對(duì)較好。

其次，在基站側(cè)分纖箱內(nèi)也存在一定數(shù)量的活動(dòng)連接頭，如圖7 所示。

圖7 5G 前傳光鏈路基站AAU 側(cè)分纖箱OTDR 測(cè)試曲線示意圖

針對(duì)AAU 側(cè)分纖箱內(nèi)活動(dòng)連接頭的調(diào)研和測(cè)試表明，同樣普遍采用SC 型連接器，除了上述光配線架活動(dòng)連接頭固有的安全隱患外，還存在以下問題：

(1)裝維人員不規(guī)范操作導(dǎo)致光纖跳線端面被劃傷、污染產(chǎn)生光反射[12]；

(2)線路設(shè)計(jì)不合理，分纖箱內(nèi)多次光纖跳接導(dǎo)致短距離內(nèi)多個(gè)活動(dòng)連接頭端面產(chǎn)生的光反射相互疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)的光反射效果。尤其是光纖端面污染是一個(gè)普遍問題，針對(duì)被污染的光纖端面項(xiàng)目組開展了對(duì)比測(cè)試，被測(cè)光纖端面如圖8 所示。

圖8 基站AAU 側(cè)分纖箱活動(dòng)連接頭光纖端面示意圖

具體的對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 5G 前傳鏈路反射光強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比表(dBm)

表2 測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)光纖端面受到污染后，會(huì)使得鏈路中的光反射明顯增強(qiáng)，反射光強(qiáng)度值通常在-11 dBm左右；當(dāng)對(duì)光纖端面進(jìn)行清潔后，光反射有所改善，反射光強(qiáng)度在-16 dBm～-14 dBm 左右。由于光纖端面無(wú)法被徹底清潔干凈，項(xiàng)目組更換分纖箱內(nèi)其他光纖接頭，再次測(cè)試光反射明顯改善，反射光強(qiáng)度降低到-27 dBm～-25 dBm 的水平。而根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試表明，部分質(zhì)量好的前傳鏈路反射光強(qiáng)度可以達(dá)到-30 dBm 左右。

針對(duì)上述現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，項(xiàng)目組提出了CWDM/環(huán)行器承載5G 前傳時(shí)的前傳鏈路施工驗(yàn)收改進(jìn)方案，具體改進(jìn)方案包括：

(1)在接入機(jī)房光配線架上，通過多次插拔配線盤外側(cè)的光纖連接頭，確保跳接兩端的光纖端面緊密連接。如光反射未改善，還需要插拔配線盤內(nèi)側(cè)的光纖連接頭。光配線架上空閑光纖端口需帶上防塵帽，防止內(nèi)部端面被灰塵等污染[13]。

(2)有條件的情況下，光配線架選用FC 型連接器，當(dāng)使用SC 型連接器時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇高質(zhì)量光纖跳線完成局站內(nèi)部的光纖跳接。

(3)在基站側(cè)分纖箱內(nèi)跳接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證光纖端面清潔。通過專用光纖清潔棉紙，甚至含有酒精的清潔棉紙進(jìn)行光纖端面的清潔[14]。有條件情況下，還可以借助專用顯微鏡驗(yàn)收光纖端面質(zhì)量。一旦重新插拔連接和端面清潔均無(wú)法改善光反射時(shí)，則應(yīng)更換光纖跳線。

(4)避免在基站側(cè)分纖箱內(nèi)多次跳接從而增加故障隱患點(diǎn)。建議通過單跳連接，并選用高質(zhì)量光纖跳線連接無(wú)源復(fù)用器。

(5)鑒于前傳鏈路驗(yàn)收CWDM 彩光設(shè)備接收光功率指標(biāo)最差為-10 dBm(在靈敏度-14 dBm 基礎(chǔ)上減去系統(tǒng)冗余2 dBm 和光纖色散引入的傳輸代價(jià)2 dBm[15])，結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，為保證移動(dòng)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，前傳鏈路反射光強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)小于-25 dBm，建議小于-30 dBm。

在移動(dòng)業(yè)務(wù)開通正常運(yùn)行后，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控移動(dòng)業(yè)務(wù)運(yùn)行狀況。一旦出現(xiàn)業(yè)務(wù)誤碼率提高或業(yè)務(wù)中斷，則需要排查前傳鏈路反射光功率是否異常。

4 結(jié)論

面向5G 多頻組網(wǎng)和電信聯(lián)通共建共享的應(yīng)用需求，現(xiàn)有5G 前傳采用傳統(tǒng)CWDM 無(wú)源彩光技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)單 纖3 通道承載。而MWDM、LWDM 和DWDM 等多 通道解決方案又存在缺乏光芯片、產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、國(guó)產(chǎn)化能力不足、價(jià)格高昂等問題。為此，在光纖資源緊缺場(chǎng)景下，CWDM/環(huán)行器技術(shù)不失為一種更為有效且成本較低的多通道承載方案。該方案不僅能夠最大程度降低前傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，充分保障前期移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)的投資，而通過制定合理的波長(zhǎng)配對(duì)方案以及有效控制前傳鏈路的光反射，還可以兼容傳統(tǒng)CWDM 無(wú)源彩光技術(shù)的前傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)維流程，滿足從3 通道到6 通道前傳承載快速的平滑升級(jí)。