面向5G前傳的新型CWDM承載方案

程明，杜喆，張德智

（中國電信股份有限公司研究院，上海 200122）

1 引言

近幾年，5G網絡實現了從小規模試點向大規模商用部署的快速轉變，與此同時，5G前傳的現網建設方案也隨之發生了改變。目前，5G前傳承載主流方案已基本完成從采用雙纖雙向灰光模塊的光纖直連模式向采用6波3通道25 Gbit/s粗波分復用（coarse wavelength division multiplexing，CWDM）的無源波分模式轉變。

隨著中國電信與中國聯通共建共享200 MHz頻譜帶寬，特別是5G網絡流量快速增長，6通道25 Gbit/s前傳承載需求日趨明顯。現有25 Gbit/s CWDM方案中的前6波（1 271～1 371 nm）一般采用直接調制器激光器（directly modulated laser，DML），具有成熟的產業鏈支持和明顯的價格優勢。但是，在面臨6通道12波25 Gbit/s承載需求時，CWDM方案的后6波（1 511～1 611 nm）面臨色散代價大、需要采用電吸收調制激光器（electro-absorption modulated laser，EML）等問題，整體方案成本較高。業內為此提出多種解決方案并開展了相關的標準化工作，主要包括：細波分復用（LAN wavelength division multiplexing，LWDM）、中等波分復用（medium wavelength division multiplexing，MWDM）、密集波分復用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）等。上述波分復用解決方案在高帶寬、線路保護、管理維護等方面都有一定的提升和創新，但最受運營商關注的低成本部署需求尚未得到滿足。

2 現網部署的移動前傳方案及標準化

2.1 4G前傳及標準化

4G時代，無線基站基帶處理單元（base band unit，BBU）與射頻拉遠單元（radio remote unit，RRU）之間的前傳互聯主要采用通用公共無線接口（common public radio interface，CPRI），接口速率為10 Gbit/s及以下，BBU與RRU之間以光纖直連為主。4G部署初期，前傳基本采用雙纖雙向灰光模塊互連。隨著BBU集中、RRU拉遠的基站建設模式規模推廣，光纖資源被大量消耗。因此，在4G部署中后期，采用能夠節省一半光纖的單纖雙向灰光模塊成為主流。在一些光纖資源特別緊張的區域，有運營商少量部署了基于CWDM彩光模塊的前傳網絡。初期采用CWDM彩光模塊的前傳方案價格非常昂貴，甚至達到灰光模塊直連價格的5～10倍。后期隨著應用規模的擴大，CWDM彩光模塊價格有所下降，但仍是灰光模塊的2～3倍。

為了規范4G前傳光模塊，中國電信集團公司牽頭制定了行業標準YD/T 3131-2016《無線基站BBU與RRU互連用SFP/SFP+光收發合一模塊》，首次提出將無線前傳鏈路光功率預算模型作為前傳光模塊指標制定的依據。4G前傳鏈路的光功率預算需要考慮傳輸（光纖含熔接）損耗、活動連接器損耗（多波系統增加5 dB的復用/解復用器插入損耗）和維護冗余等因素，該鏈路預算模型在5G前傳光模塊的指標制定中也被參考。該標準主要對10 Gbit/s及以下速率的雙纖雙向灰光模塊、單纖雙向灰光模塊進行了指標規范，也涵蓋了基于CWDM的彩光模塊技術要求，包括ITU-T G.694.2標準規范的18個波長，從1 271 nm到1 611 nm，通道間隔20 nm，但并未對不同波長的彩光模塊指標進行差異細化。

2.2 5G前傳及標準化

5G時代，無線基站有源天線單元（active antenna unit，AAU）與分布單元（distributed unit，DU）之間的前傳互聯主要采用25 Gbit/s速率的增強型通用公共無線接口（enhanced CPRI，eCPRI）。對于低頻段100 MHz頻譜寬度、S111（單頻三扇面站址）、64T64R站型，通常需要3通道25 Gbit/s的eCPRI鏈路。5G試商用及部署初期，主要由無線主設備廠商提供前傳解決方案，以25 Gbit/s雙纖雙向灰光模塊互連為主。2019年，運營商小規模集采和應用了25 Gbit/s單纖雙向灰光模塊，同年運營商省公司招標采購的25 Gbit/s CWDM彩光模塊規模則超過百萬量級。2020年，隨著5G網絡部署規模的擴大和建設進度的加快，特別是25 Gbit/s CWDM彩光模塊價格快速下降，CWDM無源波分方案成為3通道25 Gbit/s前傳承載的主流，國內運營商都開始大規模集采招標用于5G前傳的25 Gbit/s CWDM彩光模塊，部分無線設備的集采招標模型也明確要求采用CWDM無源波分方案。

現有用于5G前傳的25 Gbit/s CWDM無源波分方案使用的波長是前6波（1 271～1 371 nm），主要原因是短波長的色散代價較小，且產業鏈更為成熟（前4波可共用100GE CWDM4產業鏈），具有明顯的成本優勢。對于3通道25 Gbit/s模型，DU側彩光模塊一般放置在局端，可以只用滿足商業溫度要求，而AAU側彩光模塊一般放置在室外，需要滿足工業溫度要求。在綜合考慮產業鏈成熟度（1 351 nm和1 371 nm彩光模塊產業鏈相對較弱）后，行業內基本形成共識：1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm CWDM彩光模塊放置在AAU側，1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm CWDM彩光模塊放置在DU側，且成對使用。與CWDM彩光模塊配套應用的CWDM復用/解復用器，早期主要使用多個不同的介質薄膜濾波器（thin film filter，TFF）進行串聯堆疊實現。每個TFF都能把特定的單一波長通過透射篩選出來，從而實現復用/解復用功能，因此，可以通過調整TFF的串聯排列順序來控制各波長的插入損耗。根據鏈路預算模型，由于長波長的發送和色散代價（transmitter and dispersion penalty，TDP）較大，所以對CWDM復用/解復用器的要求是長波長插入損耗更小，從而實現TDP與線路損耗的均衡。此外，為了滿足4G與5G混傳的場景，運營商提出了基于CWDM的12波方案，其中，1 271～1 371 nm波長為25 Gbit/s速率用于5G前傳，1 471～1 571 nm波長為10 Gbit/s速率用于4G前傳。12波CWDM方案在實際應用中相對較少，主要原因是現網對存量4G前傳鏈路進行割接會影響正常業務，而考慮到新建的4G基站未來向5G基站平滑升級，會選擇直接采用25 Gbit/s速率接口。

5G前傳光模塊行業標準的制定略慢于現網部署速度。2019年發布了25 Gbit/s雙纖雙向灰光模塊行業標準YD/T 3125.2-2019《通信用增強型SFP光收發合一模塊（SFP+） 第2部分：25 Gbit/s》，2020年發布了25 Gbit/s單纖雙向灰光模塊行業標準YD/T 2759.2-2020 《單纖雙向光收發合一模塊第2部分：25 Gbit/s》。目前，業內正在加緊制定針對5G前傳場景的xWDM（CWDM、LWDM、MWDM、DWDM）相關行業標準。其中，涉及CWDM方案的行業標準有系統技術要求《城域N×25 Gbit/s波分復用（WDM）系統技術要求 第2部分：CWDM》和25 Gbit/s CWDM光模塊技術要求《25 Gbit/s波分復用（WDM）光收發合一模塊 第1部分：CWDM》。此外，與25 Gbit/s CWDM光模塊配套使用的CWDM復用/解復用器技術要求《城域接入用單纖雙向波分復用器 第2部分：CWDM》剛于2020年年底完成行業標準立項。

3 新型CWDM承載方案

3.1 新型CWDM承載方案架構

為了滿足6通道25 Gbit/s前傳低成本承載需求，中國電信股份有限公司研究院率先提出并驗證了基于CWDM/光環行器的承載方案。該承載方案采用無源架構，主要包括DU側光模塊、DU側復用/解復用器、AAU側復用/解復用器和AAU側光模塊，總體架構示意圖如圖1所示。

圖1 基于光環行器的CWDM承載方案架構示意圖

其中，DU側光模塊采用CWDM前6波（工作波長1 271～1 371 nm），工作溫度要求為商業溫度或擴展溫度。DU側復用/解復用器集成了6波復用器、6波解復用器和光環行器，工作溫度要求為商業溫度或擴展溫度，DU側彩光模塊發送的光信號經復用器合波后，通過光環行器到達線路側，從AAU側過來的合波信號則經過光環行器和解復用器到達DU側彩光模塊。AAU側復用/解復用器集成了6波復用器、6波解復用器和光環行器，工作溫度要求為工業溫度或擴展溫度，AAU側彩光模塊發送的光信號經復用器合波后，通過光環行器到達線路側，從DU側過來的合波信號則經過光環行器和解復用器到達AAU側彩光模塊。AAU側光模塊采用CWDM前6波，工作溫度要求為工業溫度或擴展溫度。

該方案利用CWDM前6波，通過復用器和解復用器實現合分波，利用光環行器的方向性實現合波信號在主干光纖中的單纖雙向傳送，從而完成6通道25 Gbit/s的承載。其中，光模塊接收機為寬譜接收，鏈路的波長配對由光模塊接收機與復用/解復用器之間光纖連接進行選擇。兩端波長配對建議沿用原有CWDM前傳波長配對方案，即1 271 nm與1 331 nm波長配對，1 291 nm與1 351 nm波長配對，1 311 nm與1 371 nm波長配對。

3.2 新型CWDM承載方案的優勢與面臨的挑戰

該方案使用CWDM前6波彩光模塊，產業鏈最為成熟，相比其他方案有明顯的成本優勢。與原有CWDM無源波分方案相比，新方案使用的彩光模塊指標略有提升，這是因為該系統引入一對光環行器會帶來1 dB左右的插入損耗。此外，前6波彩光模塊都可能放置在AAU側，因此1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm彩光模塊也需要滿足工業溫度或擴展溫度的要求，該需求可以通過在光模塊中集成低成本的加熱器來滿足。對于復用/解復用器，其集成的6波復用器和6波解復用器非常成熟，支持CWDM前6波的光環行器技術上不復雜并已有成熟商用產品，完全能夠滿足規模部署的供貨需求。

該方案面臨的最大挑戰是引入光環行器后前傳鏈路上的反射光更容易對正常的業務信號光產生干擾。采用該方案的前傳鏈路分為3段：DU到復用/解復用器（DU側）之間的局內跳纖段；復用/解復用器（DU側）到復用/解復用器（AAU側）之間的主干光纖段；復用/解復用器（AAU側）到AAU之間的配線光纖段。根據前傳鏈路光反射點的位置不同，產生的反射光對正常業務光信號的影響也不一樣。以DU側發送的業務光信號為例，不同光反射點對其影響如圖2所示。

圖2 不同光反射點對CWDM/光環行器承載方案的影響

（1）當光反射點出現在DU到復用/解復用器（DU側）之間時，產生的反射光將從光反射點折返回光模塊的發送端。光模塊發送機的光回波損耗容限指標能夠確保光模塊容忍一定的反射光信號，此外，25 Gbit/s光模塊在發送端內置有隔離器來降低反射光對光模塊發送機的影響。

（2）當光反射點出現在復用/解復用器（DU側）到復用/解復用器（AAU側）之間時，產生的反射光將從光反射點折返，與AAU側發送的相同波長業務光信號一起，經過復用/解復用器（DU側）中的光環行器和解復用器，到達DU側光模塊的接收端。此時，AAU側發送的正常光信號將受到反射光的同頻串擾，降低鏈路的光信噪比（optical signal noise ratio，OSNR），從而影響正常業務的承載。

（3）當光反射點出現在復用/解復用器（AAU側）到AAU之間時，產生的反射光將從光反射點折返回復用/解復用器（AAU側）中的光環行器，因為光環行器具有方向性、高隔離度和高回波損耗等特性，因此反射光將不會繼續傳播。

從上述分析可知，主干光纖的鏈路質量情況將是影響該方案在現網應用效果的主要因素。

對于正常連接的主干光纖，其鏈路光反射一般較小，因為光纖連接器和光環行器的回波損耗很大。可能出現較強反射光的情況主要有：光纖連接器或光纖斷開、光纖連接器虛連接、光纖端面臟污等。

當光纖連接器或光纖斷開時，正常業務光信號將中斷，而斷開的端面可能產生較強反射光并形成光路環回，從而可能會影響現場運維人員的故障判斷。

當光纖連接器虛連接或光纖端面臟污時，會增加光纖線路損耗，并有一定概率產生相對較強的反射光，從而導致業務光信號OSNR下降。當業務光信號OSNR劣化到一定程度時，會影響光模塊接收正常的業務光信號。

此外，當該方案承載3通道時，如果波長配對沿用了原有CWDM無源波分方案，即前6波波長兩兩配對，則業務光信號將不受反射光的影響，因為反射光與業務光不會出現同波長且同方向的情況。

3.3 線路光反射的影響分析

在傳輸系統中，OSNR一般由式（1）定義，單位為dB。

其中，Pi是第i個通路內的信號功率，單位為dBm，Ni是等效噪聲帶寬Bm范圍內竄入的噪聲功率，單位為dBm，Bm是噪聲等效帶寬，Br是參考光帶寬。

對于CWDM/光環行器方案，前傳鏈路距離一般較短，當OSNR劣化可能影響正常業務光信號接收時，反射光將明顯強于后向瑞利散射噪聲，等效噪聲主要需要考慮反射光的因素。當接收到的業務光信號與反射光信號中心波長相同時，反射光對業務光的影響一般最大。此時，OSNR可以簡化為第i個通路內信號功率（單位dBm）與反射光功率（單位dBm）的差值。

參考SDH通信系統和WDM光纖傳輸系統工程設計要求，10 Gbit/s傳輸系統接收機OSNR容限為20 dB，25 Gbit/s傳輸系統接收機OSNR容限約為24 dB（提高4 dB左右），即接收端比特誤碼率不低于10?12時，接收機可以容忍的最小OSNR值為24 dB。

4 新型CWDM承載方案的實驗室評估與現網試點

4.1 實驗室測試評估

新方案使用的CWDM彩光模塊與原方案相比，只在發光功率或接收靈敏度指標上提高了1 dB，以及要求安裝在AAU側的CWDM 6波（工作波長1 271～1 371 nm）光模塊工作溫度均滿足工業溫度。25 Gbit/s CWDM彩光模塊的可靠性和穩定性已經過行業內光模塊廠商測試和現網規模部署的檢驗。對于內置光環行器的CWDM復用/解復用器，其工作溫度要求滿足擴展溫度，插入損耗指標增加1 dB。光環行器、CWDM復用器和解復用器均為無源器件，作為成熟商用器件，其可靠性和穩定性也經過行業內光器件廠商的測試檢驗。

為了評估光反射可能造成的影響，中國電信股份有限公司研究院定制了集成6波復用器、6波解復用器、光環行器的CWDM復用/解復用器，通過了第三方檢測機構的功能、性能和高低溫在線可靠性測試，并在實驗室開展了利用新型CWDM/光環行器方案模擬承載前傳鏈路的測試工作，得到以下結果。

· 當光纖鏈路正常連接時，該系統在室溫及高低溫環境下均能夠正常工作。

· 在CWDM彩光模塊和復用/解復用器之間增加反射點或提高反射光光功率，正常業務不受影響。

· 當主干光纖段的光纖連接器或光纖斷開時，可能產生較強的反射光信號。特別地，當復用/解復用器的線路端口斷開時，支路側同波長的出射光比入射光光功率小18～20 dB。該出射光不是因為光環行器串擾導致，而是因為線路側端口出現大的光反射導致，如圖3所示。此時，業務處于中斷/環回狀態，業務板卡告警指示燈變紅，但是端口告警指示燈可能顯示正常，需要網管或現場運維人員基于復用/解復用器不同端口的光功率數據做出綜合故障判斷。當線路端口連接恢復正常后，無線設備能夠從環回狀態中恢復正常。

圖3 復用/解復用器線路端口斷開后反射光的傳播路徑示意圖

· 當人為造成光纖連接器虛連接或光纖連接器端面臟污時，有一定概率在產生較強反射光的同時業務光信號不中斷。此時，需要根據光模塊接收端的業務光信號光功率和反射光信號光功率來初步判斷是否會對業務的正常接收產生影響。

為了評估反射光對業務的影響，中國電信股份有限公司研究院搭建了測試環境，如圖4所示。光模塊1模擬正常業務光信號的收發，光模塊2模擬發送反射光，溫度控制管理模塊通過溫度調節來控制光模塊2發送光信號的中心波長，可調光衰減器用于控制業務光信號和反射光信號的光功率。

圖4 反射光對業務影響實驗室評估測試示意圖

實驗室測試發現，業務光信號能否正常傳輸與反射光的中心波長和光功率關聯度很高。反射光與業務光的中心波長越接近，光模塊對反射光的光功率容忍度越低，即要求業務光與反射光的光功率差值越高。圖5為實驗室測試環境下，誤碼率為10?12時，不同測試光模塊接收端反射光信號與業務光信號的中心波長差值和光功率差值之間的關系。

圖5 業務光信號與反射光信號的光功率差值和中心波長差值之間的關系

當反射光與業務光中心波長非常接近（≤±0.1 nm）時，為確保傳輸糾前誤碼率<10?12，業務光應比反射光的光功率高23.5 dB以上，測試結果與理論計算基本一致。隨著反射光與業務光中心波長偏差越多，正常業務承載對業務光與反射光之間的光功率差值要求也越低。當反射光與業務光中心波長之間的差值超過0.4 nm后，業務光比反射光的光功率高8 dB以上，就能保證傳輸糾前誤碼率小于10?12。此外，5G前傳25 Gbit/s eCPRI采用前向糾錯（forward error correction，FEC）RS(528, 514)有約5 dB的編碼增益，會降低對接收端OSNR的要求。實際應用中，相同規格光模塊的發射中心波長會有差異，但為保證接收端的反射光不對正常接收的業務光產生影響，建議線路測試時確保業務光應比反射光的光功率高19 dB以上。

4.2 現網試點

為了驗證新型CWDM承載方案的可行性，2020年，中國電信在多個地市公司開展了現網試點測試工作。試點場景包括：同波長配對部署3通道25 Gbit/s、波長兩兩配對部署3通道25 Gbit/s、部署6通道25 Gbit/s。目前，所有現網試點基站均運行良好。

現網測試中發現，城市范圍內部署的5G基站普遍前傳距離較短，接收端光功率也較大。同向同波長的業務光與反射光之間的差值正常情況下都超過20 dB（復用器/解復用器與主干光纖連接后在線測試），部分線路質量好的光纖中業務光與反射光之間的差值甚至超過30 dB。現網試點過程中也發現了個別主干光纖存在線路質量較差、反射光較強的情況，此時，光纖鏈路在線路損耗等指標上也不滿足要求，需要進行施工整改。絕大多數光反射問題可以通過重新插拔光纖和清潔光纖端面來解決。

5 結束語

基于CWDM/光環行器的5G前傳承載方案，利用CWDM前6波波長，通過光環行器的方向性實現單纖雙向12波光信號的傳送，能夠滿足6通道25 Gbit/s的低成本承載需求。通過實驗室測試和現網試點，初步驗證了該方案的可行性及穩定性。采用該方案的前傳系統對反射光更加敏感，可能會對后續現網建設、施工、驗收及維護帶來一定挑戰，但這些問題可以通過制定相關規范和進行流程管理予以解決。