周 楠 吳昌冬 張友全 周 亮

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

2019年6月6日，工信部向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，并確定中國電信和中國聯(lián)通通過共建共享的方式建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，“新基建”已成為推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要?jiǎng)幽苤?，?G建設(shè)不僅位列“新基建”之首，而且還是人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等“新基建”項(xiàng)目的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。受限于頻譜特性，相較于4G基站，5G基站覆蓋密度有一定增加，基站選址困難、機(jī)房成本高、建設(shè)周期長、配套資源利用率低等問題隨之進(jìn)一步放大，因此，5G必然將C-RAN作為一種主流的組網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN部署模式需要占用接入光纜網(wǎng)大量光纖資源，同時(shí)電信聯(lián)通共建共享的需求將導(dǎo)致共享站的前傳光纖需求翻倍，這無疑對(duì)接入光纜網(wǎng)，特別是主干光纜和管道產(chǎn)生巨大的建維壓力。傳統(tǒng)的光纖直驅(qū)的方式已經(jīng)難以滿足5G建設(shè)需求，前傳使用設(shè)備勢在必行。本研究對(duì)5G前傳承載需求進(jìn)行分析，并結(jié)合前傳xWDM新技術(shù)特點(diǎn)，提出具備可行性的5G前傳技術(shù)方案和應(yīng)用建議。

1 前傳承載需求分析

1.1 接口速率及數(shù)量

4G網(wǎng)絡(luò)基于CPRI（通用公共無線電接口）接口實(shí)現(xiàn)了BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）的分離，LTE帶寬為20 MHz時(shí)，采用15 bit的I/Q采樣位寬，每個(gè)天線上所傳送的單載波I/Q數(shù)據(jù)流為921.6 Mbps，添加控制字和編碼后速率為1.2288 Gbps。若采用2天線端口或8天線端口，則分別需要2.4576 Gbps或9.8304 Gbps的CPRI帶寬，故4G的CPRI光模塊接口速率為10G。5G頻譜帶寬從原來的20 MHz增大到100 MHz，射頻通道TR數(shù)量增加到64T64R，所以相當(dāng)于CPRI帶寬在單載波921.6 Mbps的基礎(chǔ)上增加到5×64=320倍，現(xiàn)有的光模塊技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足。為此，出現(xiàn)了采用基于分組技術(shù)、支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用的eCPRI接口，并對(duì)RAN架構(gòu)進(jìn)行重新分割，有效地降低了前傳帶寬。表1描述了不同帶寬、流數(shù)、天線數(shù)下eCPRI接口速率需求。

表1 不同帶寬、流數(shù)、天線數(shù)下eCPRI接口速率需求

在光模塊速率選擇上，用于4G/5G前傳承載的光模塊分為10 Gbps光模塊與25Gbps光模塊。10 Gbps光模塊主要用于4G前傳與5G中4TR、2TR前傳；25 Gbps光模塊用于5G中64TR、32TR、16TR、8TR前傳。

在纖芯需求方面，對(duì)于5G單宏站，100 MHz頻寬需要3個(gè)25Gbps eCPRI接口（6根纖芯）；對(duì)于中國電信和中國聯(lián)通的共建共享站，200 MHz頻譜需6個(gè)25Gbps eCPRI接口（12根纖芯）。如果5G共建共享站又與4G共站，則需要6個(gè)25Gbps eCPRI接口和3個(gè)9.8Gbps CPRI接口（18根纖芯）。如果4G站同時(shí)有載波聚合，會(huì)進(jìn)一步增加前傳纖芯需求數(shù)量。

1.2 時(shí)延和同步需求

時(shí)延與距離以及無線和承載設(shè)備的處理能力相關(guān)。根據(jù)eCPRI接口時(shí)延分配，前傳時(shí)延約100 μs。在不考慮節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延的情況下，對(duì)于超低時(shí)延業(yè)務(wù)，前傳距離不應(yīng)超過20 km，因此在前傳網(wǎng)絡(luò)中引入承載設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，要盡可能降低節(jié)點(diǎn)時(shí)延。在實(shí)際C-RAN場景下，AAU至BBU的距離通常不超過10 km，在地鐵等多站級(jí)聯(lián)的鏈型或環(huán)形場景中距離會(huì)大于10 km，但一般不會(huì)超過20 km。

5G基本同步需求與4G相同，基站間時(shí)間偏差要求應(yīng)小于3 μs；5G協(xié)同增強(qiáng)提出100 ns量級(jí)高精度需求；部分新業(yè)務(wù)，包括高精度定位業(yè)務(wù)、高速移動(dòng)業(yè)務(wù)覆蓋（如車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造）等，需要更高精度同步。當(dāng)前同步以太網(wǎng)（SyncE）、IEEE1588v2等同步傳輸技術(shù)可滿足5G基本業(yè)務(wù)同步精度需求（1.5 μs）；通過5G高精度同步組網(wǎng)技術(shù)，可滿足5G系統(tǒng)多種業(yè)務(wù)的更高同步需求。為保證業(yè)務(wù)的同步精度要求，前傳網(wǎng)絡(luò)鏈路應(yīng)消除不對(duì)稱因素，包括線路、光模塊等帶來的非對(duì)稱性。

1.3 工作環(huán)境

前傳設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜多樣，特別在室外工作時(shí)，應(yīng)能在-35℃～+55℃溫度環(huán)境和5%～98%的相對(duì)濕度下長期穩(wěn)定可靠工作。室外前傳設(shè)備還應(yīng)滿足IP65防護(hù)等級(jí)和防雷要求。在前傳光模塊的選擇上，室外要求為工業(yè)級(jí)溫度要求（I-Temp，-40℃～+85℃）。

2 前傳xWDM技術(shù)方案

前傳采用光纖直驅(qū)方案，既可以滿足前傳接口性能要求，施工和維護(hù)管理又都比較簡單，是光纖需求不大且資源豐富場景下較為經(jīng)濟(jì)可行的方案。NGOF早在2018年初就提出了25Gbps BiDi技術(shù)方案，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用。單纖雙向傳輸技術(shù)一方面可以節(jié)約50%左右的光纖資源，另一方面也保證了上下行信號(hào)時(shí)延一致性，有利于滿足5G業(yè)務(wù)高精度同步需求。但是隨著5G的深入發(fā)展，特別是電信聯(lián)通共建共享場景下，即使采用BiDi方案，單個(gè)共享站仍然需要6根光纖，仍會(huì)對(duì)接入光纜網(wǎng)產(chǎn)生巨大的壓力。為此，波分復(fù)用（WDM）技術(shù)成為5G前傳的重要手段，它可使多個(gè)CPRI或eCPRI接口通過不同波長共享光纖資源，從而實(shí)現(xiàn)一根（或一對(duì)）光纖解決一個(gè)站或多個(gè)站的5G前傳需求，大大提高光纖利用率。根據(jù)波道間隔的不同，xWDM技術(shù)方案又可以分為CWDM技術(shù)方案、LWDM技術(shù)方案、MWDM技術(shù)方案和DWDM技術(shù)方案。

2.1 CWDM技術(shù)方案

粗波分（以下簡稱CWDM）方案采用粗波分復(fù)用技術(shù)，波長參考ITU-T G.694.2標(biāo)準(zhǔn)，波道間隔20 nm，將CWDM彩光模塊安裝在AAU/RRU和BBU/DU上，通過CWDM合分波器完成WDM功能，利用一對(duì)或者一根光纖提供多個(gè)AAU/RRU到BBU/DU的連接。

目前前傳CWDM系統(tǒng)主要有6波系統(tǒng)和12波系統(tǒng)。6波系統(tǒng)可用于100MHz頻譜寬帶的3通道S111站，優(yōu)選1271/1291/1311/1331/1351/1371 nm，前4波目前有DML（直接調(diào)制激光器）+PIN（光電二極管）低成本方案，但1351/1371 nm采用DML時(shí)色散代價(jià)較大（比前4波高2～2.5 dB），需采用APD（雪崩二極管）進(jìn)行色散補(bǔ)償來保證相同的鏈路功率預(yù)算。當(dāng)需要6通道（12個(gè)波長）時(shí)，由于DML色散代價(jià)大，必須采用EML（電吸收調(diào)制激光器），為避開G.652光纖“水峰”，波長優(yōu)選1471/1491/1511/1531/1551/1571 nm。但由于技術(shù)限制，該6個(gè)波長僅能支持10 Gbps速率，且很難再進(jìn)一步擴(kuò)展至更多波長。故12波CWDM系統(tǒng)一般用于4G和5G共址站使用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 波CWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CWDM方案成本較低，但也存在一些問題：（1）由于采用固定波長，網(wǎng)絡(luò)建維中存在波長識(shí)別困難、備品備件的型號(hào)數(shù)量較多、不便于管理的問題；（2）受限于長波長過大的色散代價(jià)和低成本DML+PIN方案性能，無源CWDM方案將維護(hù)余量降至2 dB，維護(hù)壓力較大；（3）由于低成本無溫控結(jié)構(gòu)，5G前傳場景面臨低溫區(qū)的性能壓力和高溫區(qū)的壽命壓力，長期穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)較高；（4）無源CWDM的光模塊暫無OAM能力，網(wǎng)絡(luò)管控能力受限。

對(duì)于電信聯(lián)通共建共享模式下采用200 MHz頻譜的5G基站，前傳承載需采用兩套6波CWDM系統(tǒng)并行使用，為此業(yè)界也開始研究支持單纖12波25 Gbps的WDM前傳方案，包括中國電信和信通院牽頭的LWDM方案、中國移動(dòng)獨(dú)創(chuàng)的MWDM方案和中國聯(lián)通主推的DWDM方案。

2.2 LWDM技術(shù)方案

LAN-WDM技術(shù)（簡稱LWDM，或細(xì)波分復(fù)用），符合IEEE 802.3BA標(biāo)準(zhǔn)，將O波段頻譜按照800 GHz（約4.4 nm）波道間隔進(jìn)行劃分，共有8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長，分別為1273.54 nm～1309.14 nm。對(duì)于12波系統(tǒng)需求，再進(jìn)行4個(gè)波長的擴(kuò)展，初定的波長范圍為1269.3 nm～1318.35 nm。具體如圖2所示。

圖2 LWDM方案波長分配圖

LWDM的技術(shù)優(yōu)勢在于產(chǎn)業(yè)鏈共用，可以共用400G LR8產(chǎn)業(yè)鏈（1273.54 nm～1286.66 nm）和100G LR4產(chǎn)業(yè)鏈（1295.56～1309.14 nm），并重用了CWDM產(chǎn)業(yè)鏈。25 Gbps通道工作波長位于零色散點(diǎn)附近，色散代價(jià)較?。ǎ?dB），可擴(kuò)展性好。各通道的器件成本也較低，所有12個(gè)25 Gbps通道和12個(gè)擴(kuò)展10 Gbps通道均可通過DML+PIN+TEC溫控的低成本方式滿足10 km傳輸需求，并保證不少于3 dB的維護(hù)冗余；若10G擴(kuò)展波道采用DML+APD組合，可以滿足15 km甚至20 km的傳輸距離要求。LWDM方案由于25 Gbps通道的波長間隔較小，需要相對(duì)嚴(yán)格的波長控制，因此普遍采用溫控模塊（TEC）。LWDM可采用調(diào)頂方式實(shí)現(xiàn)簡單OAM管理，但由于采用固定波長方式，因此光模塊備件種類過多。

隨著中國聯(lián)通和中國電信5G共建共享的深入推進(jìn)，6×25 Gbps的前傳需求非常明確和迫切。中國電信和中國信通院已分別牽頭完成了LWDM的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和光模塊標(biāo)準(zhǔn)制定工作，產(chǎn)業(yè)鏈也就方案與指標(biāo)達(dá)成一致。中國電信已于2022年初啟動(dòng)了LWDM設(shè)備的首次集采。

2.3 MWDM技術(shù)方案

在CWDM的6波系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，中國移動(dòng)提出了將波長左右各拉偏3.5 nm的中等波分復(fù)用方案，即MWDM方案。其波長分配圖如圖3所示，相鄰波長間隔不再一致，分別為7 nm和13 nm。該方案的前8波共用了100G CWDM4的產(chǎn)業(yè)鏈，可以使用與LWDM相同的DML+PIN+TEC溫控方案，成本較低；而后4波25G的性能由于其色散代價(jià)較大，需要使用APD補(bǔ)償，導(dǎo)致總體成本增加。

圖3 MWDM方案波長分配圖

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，中國移動(dòng)制定了6通道25G企標(biāo)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但由于該方案是中國移動(dòng)獨(dú)創(chuàng)方案，要求每家企業(yè)簽署保密協(xié)議，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)封閉。中國移動(dòng)已于2022年Q1開啟了MWDM的首次集采。

2.4 DWDM技術(shù)方案（G.metro）

2020年7月3日，中國聯(lián)通發(fā)布《前傳波分設(shè)備測試公告》，包括兩類設(shè)備：無源CWDM和波長自適應(yīng)城域接入型波分復(fù)用，后者即為聯(lián)通一直在努力推動(dòng)的5G前傳“可調(diào)諧DWDM方案”，G.metro方案。該方案的波長分配圖如圖4所示。現(xiàn)階段行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只定義了10G速率的G.metro方案（YD/T 3551-2019），20通道25G DWDM行標(biāo)已經(jīng)立項(xiàng)，由中國聯(lián)通主導(dǎo)推動(dòng)中。

圖4 G.metro方案波長分配圖

G.metro采用100GHz波道間隔的DWDM技術(shù)和單纖雙向結(jié)構(gòu)，波長可調(diào)范圍包括6波、12波、20波和40波等，10G和25G共用波長池，所有波長性能相當(dāng)，配置靈活，系統(tǒng)容量大，并可以充分利用現(xiàn)有的DWDM成熟產(chǎn)業(yè)鏈。G.metro方案的光模塊使用了EML+PIN+TEC方案，支持波長可調(diào)諧，雖然EML增加了成本，但可調(diào)光模塊大大減少備品的種類和數(shù)量，維護(hù)簡便。同時(shí)由于G.metro方案使用了衰耗較低的1550 nm波長，維護(hù)余量較高，可達(dá)3 dB。

為了解決成本問題，業(yè)內(nèi)還提出了固定波長DWDM方案。但是該方案光模塊型號(hào)多，其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜度相對(duì)高，由于系統(tǒng)容量大，光纖利用率高，目前在歐美等海外運(yùn)營商有實(shí)際部署。

3 方案比較及應(yīng)用建議

在5G C-RAN場景下，前傳距離較長，需要占用較多主干光纜和管道資源，新建主干光纜和管道成本高、周期長，建議采用前傳xWDM技術(shù)方案降低纖芯使用數(shù)量。表2對(duì)各類前傳xWDM技術(shù)方案進(jìn)行了綜合比較。在選擇方案時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素：（1）在光纖的消耗方面：若采用xWDM技術(shù)則無需再規(guī)模建設(shè)前傳光纜，對(duì)于6通道25G站，CWDM方案需要采用2根纖芯，而其他xWDM只需1根纖芯，具有一定優(yōu)勢。（2）在光鏈路預(yù)算方面：由于接入層光纜的接頭較多，光纜損耗參差不齊，需要充足的光鏈路預(yù)算和充足的維護(hù)冗余（3 dB），鑒于此，LWDM和G.metro方案相對(duì)更優(yōu)。（3）在前傳性能方面：5G基站部署于室外，需要經(jīng)得住高低溫的考驗(yàn)，TEC溫控可以有效提升高低溫性能和壽命，降低前傳系統(tǒng)故障率。（4）在成本造價(jià)方面：5G規(guī)模建設(shè)，對(duì)成本非常敏感，成本較高的APD和可調(diào)EML可能會(huì)成為MWDM和G.metro方案大規(guī)模應(yīng)用的障礙。

表2 通道25G前傳方案綜合比較

綜合上述考慮因素，對(duì)于100MHz的5G單宏站（3通道25G），使用無源CWDM方案性價(jià)比更高；對(duì)于電信聯(lián)通共建共享站和未來有載波擴(kuò)容需求的5G站點(diǎn)（6通道25G+N通道10G），LWDM技術(shù)方案更具有性能優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的深入部署和接入層光纜建維成本的進(jìn)一步提升，xWDM技術(shù)方案成為更受運(yùn)營商青睞的5G前傳承載方案。各家運(yùn)營商均根據(jù)自身需求和產(chǎn)業(yè)鏈情況布局了不同類型的xWDM技術(shù)方案，并逐步在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用，取得了預(yù)期的成效。