光纖通信技術在5G移動通信中的運用

陸昊 杭州電子科技大學

1 5G通信含義與其理念

5G即 為"the fifth generation of cellular mobile communication "的縮寫，中文全稱為第五代移動蜂窩通信。他成功實現了4G（LTE / WiMax），3G（UMTS）和2G（GSM）系統。5G的目標是高數據速率，減少延遲，節省能源，降低成本，提高系統容量和大規模設備連接。低通信延遲是5G的一個改進。較低的延遲可以幫助5G移動網絡實現諸如多人移動游戲，遠程手術，自動駕駛汽車和其他需要快速響應的任務。近兩年為了使通信系統能更好的順應科技發展和滿足人們生活需求，全球科技公司和政府都在大力推進5G技術研發和標準制定。貝爾實驗室無線研究部副總裁西奧多 賽澤表示，5G并不會完全替代4G、Wi-Fi，而是將4G、Wi-Fi等網絡融入其中，為用戶帶來更為豐富的體驗。通過將4G、Wi-Fi等整合進5G里面，用戶不用關心自己所處的網絡，不用再通過手動連接到Wi-Fi網絡等，系統會自動根據現場網絡質量情況連接到體驗最佳的網絡之中，真正實現無縫切換。

2 5G通信對光纖通信技術的要求

5G基站的密集組網需要大量光纖，5G的無線接入網的前傳和中傳及回傳對光纖傳輸系統提出高帶寬低時延的要求。現代的光纖通訊系統多半包括一個發射器，將電訊號轉換成光訊號，再透過光纖將光訊號傳遞。光纖多半埋在地下，連接不同的建筑物。系統中還包括數種光放大器，以及一個光接收器將光訊號轉換回電訊號。在光纖通訊系統中傳遞的多半是數位訊號，來源包括電腦、電話系統，或是有線電視系統。

光纖通信主要有以下三個發展目標：

2.1 擴展WDM系統可以運行的波長范圍

WDM 就是Wavelength Division Multiplexing的縮寫， WDM技術即在光纖上進行信道復用的技術，是利用多個激光器在單條光纖上同時發送多束不同波長激光的技術。在光纖通信中，WDM可以利用不同波長的激光將多個光載波信號復用到單個光纖上。這種技術可以在一根光纖上實現雙向通信，并實現容量的倍增。傳統的波長窗口，稱為C波段，波長范圍為1.53-1.57μm，而目前正在研究的新材料干光纖具有低損耗窗口的特性，有望將該范圍擴展到1.30-1.65μm，即這一改進可以使網絡帶寬擴大七倍。[4] 密集波分復用技術(DWDM)可以承載8～160個波長，而且隨著DWDM技術的不斷發展，其分波波數的上限值仍在不斷地增長，間隔一般 ≤1.6 nm，主要應用于長距離傳輸系統。在所有的DWDM系統中都需要色散補償技術(克服多波長系統中的非線性失真——四波混頻現象)。在16波DWDM系統中，一般采用常規色散補償光纖來進行補償，而在40波DWDM系統中，必須采用色散斜率補償光纖補償。DWDM能夠在同一根光纖中把不同的波長同時進行組合和傳輸，為了保證有效傳輸，一根光纖轉換為多根虛擬光纖。采用DWDM技術，單根光纖可以傳輸的數據流量高達400 Gbit/s，隨著廠商在每根光纖中加入更多信道，每秒太位的傳輸速度指日可待。

2.2 光弧子通信

光纖中的光孤子是利用光纖中的色散和非線性效應的相互補償作用實現光脈沖無畸變的傳輸。無論在光纖的正常或反常色散區，光脈沖在傳輸過程中都有脈沖展寬現象。光纖的自相位調制(非線性)效應的單獨作用也會使脈沖展寬。但是，在反常色散區，色散和自相位調制的作用可以相互抵消，使光脈沖在傳輸過程中脈沖寬度保持不變。如果光纖傳輸過程中有能量補償光纖的損耗，則脈沖的幅度和寬度都可能不變化，從而形成光孤子傳輸。在理想情況下，光脈沖可以在光纖中無限制地無畸變傳輸。光孤子通信和線性光纖通信比較有一系列顯著的優點：一、傳輸容量比最好的線性通信系統大1個～2個數量級；二、可以進行全光中繼。由于孤子脈沖的特殊性質使中繼過程簡化為一個絕熱放大過程，大大簡化了中繼設備，高效、簡便、經濟。光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術上還是在經濟都具有明顯的優勢，光孤子通信在高保真度、長距離傳輸方面，優于光強度調制/直接檢測方式和相干光通信。理論分析表明，采用光弧子通信技術可以使傳輸速率達到1Tbit/s。

2.3 全光網絡

全光網絡中的信息傳輸、交換、放大等無需經過光電、電光轉換，因此不受原有網絡中電子設備響應慢的影響。由于任何一個網絡節點都不處理信息，全光網對光信號來說是完全透明的，因此可以充分利用光纖的潛力。全光通信網由全光內部部分和通用網絡控制部分組成，內部全光網是透明的，能容納多種業務格式，網絡節點可以通過選擇合適的波長進行透明的發送或從別的節點處接收。通過對波長路由的光交叉設備進行適當配置，透明光傳輸可以擴展到更大的距離。外部控制部分可實現網絡的重構，使得波長和容量在整個網絡內動態分配以滿足通信量、業務和性能需求的變化，并提供一個生存性好、容錯能力強的網絡。

3 光纖通信在5G移動通信中的應用分析

5G相對于4G最直觀的區別就在速度上的巨大提升，而5G帶來不僅僅是傳輸速度上的提升，更是為了實現信息時代的從人與人之間的通信到到萬物互聯的跨越，推動信息時代的數字化轉型。移動超高速下載，AR/VR等大流量應用的出現對移動網絡產生了升級的需求。而目前工業自動化，無人駕駛，網聯無人機，遠程醫療，智能電網，智能交通等萬物互聯技術的興起則進一步推動了無線網絡向5G時代發展。同時，5G移動通信的商用化及大范圍的普及反過來促進新興物聯產業發展，推動傳統產業數字化的革新，最終會使得社會高度信息化，人們生活進一步便利。由于信息量在爆炸式增長，人們生活節奏日益加快，這就要求基礎光纖通信要不斷發展大容量和建立超高速系統。同時，對于各種不同的產業，也提供了非常多不一樣的業務，業務的處理機制與網絡節點不可能全部一樣，所以，必須對其做出不一樣的處理。通過光纖通信技術的不斷發展和突破，可以相信5G在不久的將來能廣泛應用于社會的各個方面。

4 結語

縱觀光纖通信技術在近代社會的發展，尤其為互聯網時代的發展奠定了基石。世界經濟論壇把5G稱作第四次工業革命。相信通過對光纖通信技術的研究和突破，人們將會充分享受5G時代帶來的便利，甚至為全電子信息化時代開辟途徑，實現科技帶動人類文明的發展。