基于CWDM/環行器技術的5G 前傳承載方案研究

杜 喆，程 明，張德智

(中國電信股份有限公司研究院，上海 200122)

0 引言

現有5G 前傳采用傳統CWDM 無源彩光技術[1]僅能規模部署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 多頻組網以及電信聯通共建共享的需求，運營商也針對性地提出了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光芯片、產業鏈不成熟、國產化能力不足、價格高昂等不足。為此，項目組主導提出了CWDM/環行器方案，即基于CWDM 技術O 波段前6 波光模塊，并在無源復用/解復用器中引入新型環行器，實現由1 根主干光纖完成同波長雙向傳輸，完成6 通道前傳承載[5-6]。

1 CWDM/環行器技術原理

CWDM/環行器技術主要利用現有CWDM 無源彩光系統的光模塊，并在無源器件的復用器和解復用器中各增加了一個新型環行器，該環行器滿足1 271 nm～1 371 nm波段的工作要求。借助新型全波段環行器可以實現5G前傳系統上行和下行方向均采用相同的6 個工作波長(1 271～1 371 nm)光模塊。CWDM/環行器方案的具體工作原理如圖1 所示。

圖1 CWDM/環行器方案工作原理示意圖

以1 271 nm 和1 331 nm 成對使用的前傳工作通道為例說明。工作通道的上行方向，AAU 設備上1 271 nm 波長光模塊發送工作波長1 271 nm 的光信號通過復用器中的復用器和環行器組件，隨后經過主干光纖到達CU/DU側解復用器中的環行器和解復用器組件，被CU/DU 設備上1 331 nm 光模塊接收。在通過復用器和解復用器時，利用其中的環行器具備方向隔離的特點[7]，避免與下行方向的工作波長1 271 nm 發生沖突干擾。但是，上行1 271 nm 波長光信號在主干光纖遇到光反射點后，會有部分反射光信號與下行1 271 nm 波長業務光信號同時被AAU 側光模塊接收，對前傳系統造成影響[8]。工作通道的下行方向原理與上行方向相同。

2 基于CWDM/環行器技術的5G 前傳設備工作波長配對方案

影響CWDM/環行器設備規模部署的關鍵的因素之一就是上行和下行工作波長如何配對部署使用的問題。目前，主要有兩種工作波長配對方案，具體描述如下：

(1)同波長配對方案

CWDM/環行器前3 通道采用1 271 nm、1 291 nm 和1 311 nm 的3 個波長光模塊，后3 通道采用1 331 nm、1 351 nm 和1 371 nm 的3 波長光模塊，而且每個工作通道上下行方向采用相同的工作波長。同波長配對方案原理如圖2 所示。

圖2 同波長配對部署方案示意圖

(2)異波長配對方案

CWDM/環行器前3 通道和后3 通道均采用6 波長光模塊，其中前3 通道AAU 設備采用1 271 nm、1 291 nm和1 311 nm 的3 波長光模塊，CU/DU 設備采用1 331 nm、1 351 nm 和1 371 nm 的3 波長光模塊;后3通道AAU 設備和CU/DU 設備采用的光模塊工作波長則正好相反。異波長配對方案原理如圖3 所示。

圖3 異波長配對部署方案示意圖

以上兩種工作波長配對方案各有優缺點，具體對比情況如表1 所示。

表1 兩種CWDM/環行器波長配對方案優劣勢對比表

綜合比較上述兩種方案，建議采用異波長配對方案，一方面沿用了傳統CWDM 無源彩光的部署方式，不需要重新對CWDM 無源彩光設備的裝維人員進行培訓；另一方面也有利于今后的平滑升級不斷業務。

3 規模部署中的關鍵問題分析

影響CWDM/環行器設備規模部署的另一個關鍵的因素就是如何有效降低前傳光鏈路中的光反射問題。現以1 271 nm 和1 331 nm 配對(采用異波長配對方式)的工作通道為例描述光反射是如何形成的，如圖4 所示。當CU/DU 設備上1 331 nm 光模塊的下行發送光信號在主干光纖上經過一個活動連接器時，一旦活動連接器兩端光纖存在未緊密連接等問題時，光信號除了大部分通過傳輸到遠端AAU 側外，基于菲涅爾反射原理[9]，還會有一小部分光信號產生反射回到本端CU/DU 側1 271 nm光模塊的接收器。與此同時，CU/DU 側1 271 nm 光模塊還會正常接收AAU 設備上1 331 nm 光模塊發送過來的正常業務光信號。其他波長工作通道也存在同樣原理光反射的干擾光信號。因為干擾光信號的存在，此時移動業務會產生一定誤碼。為保證移動業務正常運行，需要將光反射控制在一定范圍內。

圖4 CWDM/環行器前傳系統光反射的原理示意圖

為了有效控制前傳系統中光反射，首選需要找到引入光反射的原因和具體故障點。通過大量現網光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)測試，并對測試結果分析表明光反射主要來源于前傳光鏈路上的活動連接器，如圖5 所示。

圖5 為根據現網測試的OTDR 數據模擬繪制的典型5G 前傳光鏈路OTDR 測試曲線。目前，密集城區內的5G 宏基站前傳光鏈路全長在3～5 km 左右，在這短短的數公里光纖鏈路上存在著多個活動連接頭。由于5G 前傳和FTTx 光寬接入采用同一張光纜網，因此典型前傳光鏈路上活動連接頭主要分布在接入機房光配線架、基站側二級配線光交、基站AAU 側分纖箱以及在基站AAU 側無源復用器處，以便于光纖之間的靈活連接[10]。其中，接入機房內光配線架架上的活動連接頭數量最多，普遍在2～3 個，多則有4～5 個活動連接頭，如圖6所示。

圖5 5G 前傳光鏈路OTDR 測試曲線示意圖

圖6 5G 前傳光鏈路接入機房光配線架OTDR 測試曲線示意圖

針對光配線架活動連接頭的調研及測試表明，目前普遍采用SC 型連接器，與以往采用的FC 型連接器(通過旋轉實現緊固方式)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，導致光纖端面未緊密連接，產生光反射；

(2)活動連接頭兩端光纖跳線接頭內部彈簧的熱脹冷縮松動等因素，導致跳接的兩個光纖端面之間產生空氣間隙，產生光反射。

由于在局端接入機房施工部署要求較為嚴格，這段光鏈路光反射質量相對較好。

其次，在基站側分纖箱內也存在一定數量的活動連接頭，如圖7 所示。

圖7 5G 前傳光鏈路基站AAU 側分纖箱OTDR 測試曲線示意圖

針對AAU 側分纖箱內活動連接頭的調研和測試表明，同樣普遍采用SC 型連接器，除了上述光配線架活動連接頭固有的安全隱患外，還存在以下問題：

(1)裝維人員不規范操作導致光纖跳線端面被劃傷、污染產生光反射[12]；

(2)線路設計不合理，分纖箱內多次光纖跳接導致短距離內多個活動連接頭端面產生的光反射相互疊加，進一步增強的光反射效果。尤其是光纖端面污染是一個普遍問題，針對被污染的光纖端面項目組開展了對比測試，被測光纖端面如圖8 所示。

圖8 基站AAU 側分纖箱活動連接頭光纖端面示意圖

具體的對比測試結果如表2 所示。

表2 5G 前傳鏈路反射光強度測試結果對比表(dBm)

表2 測試結果表明，當光纖端面受到污染后，會使得鏈路中的光反射明顯增強，反射光強度值通常在-11 dBm左右；當對光纖端面進行清潔后，光反射有所改善，反射光強度在-16 dBm～-14 dBm 左右。由于光纖端面無法被徹底清潔干凈，項目組更換分纖箱內其他光纖接頭，再次測試光反射明顯改善，反射光強度降低到-27 dBm～-25 dBm 的水平。而根據現網測試表明，部分質量好的前傳鏈路反射光強度可以達到-30 dBm 左右。

針對上述現網測試，項目組提出了CWDM/環行器承載5G 前傳時的前傳鏈路施工驗收改進方案，具體改進方案包括：

(1)在接入機房光配線架上，通過多次插拔配線盤外側的光纖連接頭，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側的光纖連接頭。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，當使用SC 型連接器時，應當選擇高質量光纖跳線完成局站內部的光纖跳接。

(3)在基站側分纖箱內跳接時，應嚴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收光纖端面質量。一旦重新插拔連接和端面清潔均無法改善光反射時，則應更換光纖跳線。

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

(5)鑒于前傳鏈路驗收CWDM 彩光設備接收光功率指標最差為-10 dBm(在靈敏度-14 dBm 基礎上減去系統冗余2 dBm 和光纖色散引入的傳輸代價2 dBm[15])，結合前期實驗室測試結果，為保證移動業務的正常運行，前傳鏈路反射光強度指標應小于-25 dBm，建議小于-30 dBm。

在移動業務開通正常運行后，應實時監控移動業務運行狀況。一旦出現業務誤碼率提高或業務中斷，則需要排查前傳鏈路反射光功率是否異常。

4 結論

面向5G 多頻組網和電信聯通共建共享的應用需求，現有5G 前傳采用傳統CWDM 無源彩光技術僅能實現單 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、產業鏈不成熟、國產化能力不足、價格高昂等問題。為此，在光纖資源緊缺場景下，CWDM/環行器技術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絡的建設成本，充分保障前期移動前傳網絡的投資，而通過制定合理的波長配對方案以及有效控制前傳鏈路的光反射，還可以兼容傳統CWDM 無源彩光技術的前傳網絡的建設和運維流程，滿足從3 通道到6 通道前傳承載快速的平滑升級。