无源 WDM 技术是现阶段 5G 前传采用的主要技术,由于 5G 前传的速度高达 25G,色散成为影响 5G 前传的主要因素。介绍了无源 WDM 前传方案的技术原理和常用模型的波长分配,通过对光模块的发送和色散代价(TDP)指标的研究,分析了 TDP 的各影响因素及其对 5G 前传的影响,最后结合光纤链路传输指标要求,提出了无源 WDM 技术在 5G 前传中的部署建议。

 

1、引言

5G 前传是指 5G 无线接入网中 DU(分布单元)和 AAU(有源天线单元)之间的传输。当前,5G 前传方案主要包括:光纤直驱、无源 WDM、半有源 WDM 和有源 WDM 等。

 

在各种前传方案中,由于光纤直驱方案需要消耗大量的纤芯资源,而新建光缆需要一定的时间周期,还会受到管道和杆路资源的限制;半有源 WDM 方案当前尚不成熟;有源 WDM 方案成本太高;而无源 WDM 方案凭借占用光缆纤芯少、价格低廉、可快速部署等优点,已成为现阶段 5G 前传采用的主要方案。

 

2、无源 WDM 前传方案简介

 

2.1 无源 WDM 前传方案的技术原理

无源 WDM 采用波分复用技术,用无源的 MUX/DEMUX(复用 / 解复用器)将多路光信号采用不同的波长合路到一根光纤中传输。例如,通常一个 5G 宏站共 3 个 AAU,DU 至 AAU 的收发端口数共 6 个,在 DU 侧和 AAU 侧各采用 1 个 6 路的 MUX/DEMUX 就可以将 DU 和 AAU 间的收发信号合路到一根光纤中传输,如图 1 所示。

 

图 1 无源 WDM 前传方案技术原理

 

由于 MUX/DEMUX 是无源器件,故各业务端口需采用不同发送波长的光模块,即彩光模块。无源 WDM 系统包括 MUX/DEMUX 和彩光模块 2 部分。由于 DU 和 AAU 设备通常已配置特定波长(一般为 1310nm)的光模块,使用时需将 DU、AAU 既有特定波长的光模块(又称灰光模块)替换成相同速率的彩光模块。

 

无源 WDM 前传方案常用的组网结构分为双星型(见图 1)和总线型(见图 2)两种。双星型组网结构主要应用于 5G 宏站的前传场景,总线型主要应用于高速公路、高铁、隧道等场景。

 

图 2 无源 WDM 的总线型组网结构

 

2.2 无源 WDM 前传方案的系统模型

基于成本的考虑,无源 WDM 一般采用 CWDM(粗波分)技术。CWDM 共支持 18 个波长,5G 前传常用的模型为 6 合 1(即 1 根光纤传输 6 个波长)和 12 合 1,各模型使用的波长如表 1 所示。

 

表 1 无源 WDM 常用模型的波长分配表

 

5G 前传虽然可使用 18 合 1 模型,但首先由于 18 合 1 模型使用的光模块型号较多,会增加维护难度;另外,在少数使用 G.652B 光纤的接入网中,还会受光纤 E 波段衰耗水峰的影响,故不建议使用。

 

为了避开 G.652B 光纤 E 波段衰耗水峰的影响,12 合 1 模型的波长分为前 6 波(1271nm~1371nm)和后 6 波(1471nm~1571nm),6 合 1 模型则使用前 6 波。

 

3、色散对 5G 前传的影响 

 

3.1 光模块的发送和色散代价(TDP)

 

色散是指光信号(脉冲)的不同频率成份以不同的速度传播,到达一定距离后由于脉冲展宽而产生的信号失真现象。色散对传输的影响可通过光模块的 TDP(Transmitter Dispersion Penalty,发送和色散代价)参数来体现。

 

TDP 参数反应信号经光模块调制和光纤传输后因色散导致信号劣化的程度。实际测试中,通过标准接收模块灵敏度的劣化程度来衡量。TDP 就是以下两种情况下的灵敏度的差值(TDP = S2 - S1):

 

(1)理想参考发射机的标准灵敏度 S1;

 

(2)被测发射机+规定长度光链路情况下的灵敏度 S2。

 

3.2 5G 前传彩光模块的 TDP 指标

5G 前传彩光模块的 TDP 指标和光模块采用的调制方式有关,光模块按调制方式主要分为 DML(Directly Modulated Laser,直接调制激光器)和 EML(Electlro-absorption Modulated Laser,电吸收调制激光器)两种。

 

DML 通过直接控制通过激光器的电流来发出不同强度的光。EML 经过激光器的是恒定的电流,通过外调制器改变通光的比例来得到不同强度的光,包括光源(激光器)和调制器两部分。直接调制时,激光器始终工作在不稳定的状态,有很多非线性的效应会影响到输出的质量,所以,DML 一般用于低速率和短距离的通信系统。长距离、高速度的通信系统一般使用 EML。

 

此外,5G 前传彩光模块(传输速率为 25G)的 TDP 指标还与激光器的中心波长、标称传输长度有关,标称传输长度 10km 的彩光模块 TDP 参考值见表 2。

 

表 2 25G 彩光模块(10km)的 TDP 参考值

 

受色散的限制,DML 只能用于前 6 波。EML 虽然 TDP 较小,但成本要比 DML 高得多,所以,5G 前传主要采用 DML。而 4G 前传(传输速率为 10G)受色散的影响较小,对于 12 合 1 模型,可用前 6 波开通 5G 前传、后 6 波开通 4G 前传。

 

3.3 环境温度对 TDP 的影响

当 5G 前传的彩光模块工作在高温环境时,TDP 会明显增大,波长越长的彩光模块,TDP 受高温的影响越明显。当环境温度超过 70℃时,波长为 1351nm 和 1371nm 的光模块,TDP 相对于常温(15℃~35℃)的增加值甚至高达 2~3dB。

 

为减少高温对 TDP 的影响,可将前 6 波中短波长的光模块用于 AAU 侧,长波长的光模块用于 DU 侧,如图 3 所示。

 

图 3 5G 前传中无源 WDM 的波长分配

 

光模块的工作温度分为商业级:0~+70(℃)和工业级:-40~+85(℃)。由于 AAU 通常安装在户外,对前传光模块的工作温度范围要求较为严格,所以,用于 AAU 侧光模块的温度特性应满足工业级要求。而 DU 通常安装在机房内,用于 DU 侧光模块的温度特性满足商业级要求即可。

 

4、光纤链路传输指标

 

4.1 光纤链路全程衰耗

从 DU 至 AAU 的光纤链路全程衰耗包括:光纤及熔接衰减、活动连接衰耗和 MUX/DEMUX 插损,光纤链路的全程衰耗可按表 3 计算。

 

表 3 5G 前传光纤链路全程衰耗计算表

 

5G 前传光纤链路的传输参考模型如图 4 所示。以光纤链路长度 10.0km、光纤链路中的活动连接数 7 个计算,系统的全程链路衰耗最大为 10.5dB。

 

图 4 5G 前传中光纤链路的传输参考模型

 

4.2 系统光功率预算

系统光功率预算主要由光模块的光功率参数决定,为“最小 OMA 发送光功率”-“最大发送和色散的代价(TDP)”-“最大 OMA 接收灵敏度”。5G 前传彩光模块(10km)的主要光功率指标和光功率预算可参考表 4。

 

表 4 5G 前传彩光模块(10km)的主要光功率指标和光功率预算(注)

 

系统的光功率预算应大于光纤链路全程衰耗并预留 2~3dB 的维护余量。从表 4 的“光功率预算”值可以看出,标称传输长度 10km 的彩光模块并不能满足实际场景下 10km 光纤链路的衰耗指标要求。根据系统的光功率预算和表 3 可测算出,在预留 2dB 维护余量时,彩光光模块(10km)在图 4 的传输模型下理想传输距离不超过 6.3km。

 

5、结论和建议

综上所述,由于 5G 前传的速率较高,采用无源 WDM 方案时系统会产生较大的 TDP,因此,在工程实施中建议采取以下措施:

 

(1)系统模型应以 6 合 1 和 12 合 1 为主,不宜采用 18 合 1。

 

(2)5G 前传彩光模块应采用 DML 调制方式,并采用前 6 波。如果只解决 5G 基站的前传,宜采用 6 合 1 系统;由于 5G 站大多与 4G 站共址,可采用 12 合 1 系统,前 6 波传 5G、后 6 波传 4G;如果一个物理站需要同时解决 5G 和 4G 3d-mimo(速率为 24.33Gbps)的前传,建议使用 2 套 6 合 1 系统,距离较短时,也可使用 1 套 12 合 1 系统。

 

(3)AAU 侧应采用工业级光模块,光模块波长宜采用 1271nm、1291nm、1311nm 波长,;DU 侧应采用商业级光模块,光模块波长宜采用 1331nm、1351nm、1371nm 波长,。

 

(4)常用彩光光模块(10km)在典型场景下的理想传输距离为 6.3km,超过这一距离时,建议采用光功率预算更大的彩光模块(15km)。

 

参考文献

[1] 丁为民,陈一伟,等 . 面向 C-RAN 的 5G 前传方案研究 [J]. 电信工程技术与标准化,2019(07).

 

[2] YD/T 1351-2018 粗波分复用光收发合一模块[S]. 北京:中华人民共和国工业和信息化部,2018.

 

[3] 黄乐天,邓春胜.一种用于 5G 前传的半有源波分复用方案[J]. 电信工程技术与标准化,2020(01).

 

[4] 吴健雄, 陈銮雄.无源波分复用设备在 5G 前传中的应用场景研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2020(01).

 

Application of passive WDM technology in 5G forward transmission

 

[Abstract]: Passive WDM technology is the main technology used in 5G forward transmission at this stage. As the speed of 5G forward transmission is as high as 25G, dispersion becomes the main factor affecting. This paper introduces the technical principle of passive WDM in forward transmission and its wavelength assignment in common models. It studies the Transmitter Dispersion Penalty (TDP) index of optical module and analyzes its influence in 5G forward transmission. Finally, it analyses the transmission index of optical fiber link and proposes the suggestions of passive WDM technology in 5G forward transmission.

 

[Keywords]: Passive WDM , 5G, Forward transmission, TDP(Transmitter Dispersion Penalty)