無(wú)源WDM技術(shù)在5G前傳中的應(yīng)用
Labs 導(dǎo)讀
無(wú)源WDM技術(shù)是現(xiàn)階段5G前傳采用的主要技術(shù)，由于5G前傳的速度高達(dá)25G，色散成為影響5G前傳的主要因素。介紹了無(wú)源WDM前傳方案的技術(shù)原理和常用模型的波長(zhǎng)分配，通過(guò)對(duì)光模塊的發(fā)送和色散代價(jià)(TDP)指標(biāo)的研究，分析了TDP的各影響因素及其對(duì)5G前傳的影響，最后結(jié)合光纖鏈路傳輸指標(biāo)要求，提出了無(wú)源WDM技術(shù)在5G前傳中的部署建議。
1、引言
5G前傳是指5G無(wú)線接入網(wǎng)中DU(分布單元)和AAU(有源天線單元)之間的傳輸。當(dāng)前，5G前傳方案主要包括：光纖直驅(qū)、無(wú)源WDM、半有源WDM和有源WDM等。
在各種前傳方案中，由于光纖直驅(qū)方案需要消耗大量的纖芯資源，而新建光纜需要一定的時(shí)間周期，還會(huì)受到管道和桿路資源的限制;半有源WDM方案當(dāng)前尚不成熟;有源WDM方案成本太高;而無(wú)源WDM方案憑借占用光纜纖芯少、價(jià)格低廉、可快速部署等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)階段5G前傳采用的主要方案。
2、無(wú)源WDM前傳方案簡(jiǎn)介
2.1 無(wú)源WDM前傳方案的技術(shù)原理
無(wú)源WDM采用波分復(fù)用技術(shù)，用無(wú)源的MUX/DEMUX(復(fù)用/解復(fù)用器)將多路光信號(hào)采用不同的波長(zhǎng)合路到一根光纖中傳輸。例如，通常一個(gè)5G宏站共3個(gè)AAU，DU至AAU的收發(fā)端口數(shù)共6個(gè)，在DU側(cè)和AAU側(cè)各采用1個(gè)6路的MUX/DEMUX就可以將DU和AAU間的收發(fā)信號(hào)合路到一根光纖中傳輸，如圖1所示。
由于MUX/DEMUX是無(wú)源器件，故各業(yè)務(wù)端口需采用不同發(fā)送波長(zhǎng)的光模塊，即彩光模塊。無(wú)源WDM系統(tǒng)包括MUX/DEMUX和彩光模塊2部分。由于DU和AAU設(shè)備通常已配置特定波長(zhǎng)(一般為1310nm)的光模塊，使用時(shí)需將DU、AAU既有特定波長(zhǎng)的光模塊(又稱灰光模塊)替換成相同速率的彩光模塊。
無(wú)源WDM前傳方案常用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為雙星型(見(jiàn)圖1)和總線型(見(jiàn)圖2)兩種。雙星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于5G宏站的前傳場(chǎng)景，總線型主要應(yīng)用于高速公路、高鐵、隧道等場(chǎng)景。
2.2 無(wú)源WDM前傳方案的系統(tǒng)模型
基于成本的考慮，無(wú)源WDM一般采用CWDM(粗波分)技術(shù)。CWDM共支持18個(gè)波長(zhǎng)，5G前傳常用的模型為6合1(即1根光纖傳輸6個(gè)波長(zhǎng))和12合1，各模型使用的波長(zhǎng)如表1所示。
5G前傳雖然可使用18合1模型，但首先由于18合1模型使用的光模塊型號(hào)較多，會(huì)增加維護(hù)難度;另外，在少數(shù)使用G.652B光纖的接入網(wǎng)中，還會(huì)受光纖E波段衰耗水峰的影響，故不建議使用。
為了避開(kāi)G.652B光纖E波段衰耗水峰的影響，12合1模型的波長(zhǎng)分為前6波(1271nm～1371nm)和后6波(1471nm～1571nm)，6合1模型則使用前6波。
3、色散對(duì)5G前傳的影響
3.1 光模塊的發(fā)送和色散代價(jià)(TDP)
色散是指光信號(hào)(脈沖)的不同頻率成份以不同的速度傳播，到達(dá)一定距離后由于脈沖展寬而產(chǎn)生的信號(hào)失真現(xiàn)象。色散對(duì)傳輸?shù)挠绊懣赏ㄟ^(guò)光模塊的TDP(Transmitter Dispersion Penalty，發(fā)送和色散代價(jià))參數(shù)來(lái)體現(xiàn)。
TDP參數(shù)反應(yīng)信號(hào)經(jīng)光模塊調(diào)制和光纖傳輸后因色散導(dǎo)致信號(hào)劣化的程度。實(shí)際測(cè)試中，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接收模塊靈敏度的劣化程度來(lái)衡量。TDP就是以下兩種情況下的靈敏度的差值(TDP = S2 - S1)：
- 理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)靈敏度S1;
- 被測(cè)發(fā)射機(jī)+規(guī)定長(zhǎng)度光鏈路情況下的靈敏度S2。
3.2 5G前傳彩光模塊的TDP指標(biāo)
5G前傳彩光模塊的TDP指標(biāo)和光模塊采用的調(diào)制方式有關(guān)，光模塊按調(diào)制方式主要分為DML(Directly Modulated Laser，直接調(diào)制激光器)和EML(Electlro-absorption Modulated Laser，電吸收調(diào)制激光器)兩種。
DML通過(guò)直接控制通過(guò)激光器的電流來(lái)發(fā)出不同強(qiáng)度的光。EML經(jīng)過(guò)激光器的是恒定的電流，通過(guò)外調(diào)制器改變通光的比例來(lái)得到不同強(qiáng)度的光，包括光源(激光器)和調(diào)制器兩部分。直接調(diào)制時(shí)，激光器始終工作在不穩(wěn)定的狀態(tài)，有很多非線性的效應(yīng)會(huì)影響到輸出的質(zhì)量，所以，DML一般用于低速率和短距離的通信系統(tǒng)。長(zhǎng)距離、高速度的通信系統(tǒng)一般使用EML。
此外，5G前傳彩光模塊(傳輸速率為25G)的TDP指標(biāo)還與激光器的中心波長(zhǎng)、標(biāo)稱傳輸長(zhǎng)度有關(guān)，標(biāo)稱傳輸長(zhǎng)度10km的彩光模塊TDP參考值見(jiàn)表2。
受色散的限制，DML只能用于前6波。EML雖然TDP較小，但成本要比DML高得多，所以，5G前傳主要采用DML。而4G前傳(傳輸速率為10G)受色散的影響較小，對(duì)于12合1模型，可用前6波開(kāi)通5G前傳、后6波開(kāi)通4G前傳。
3.3 環(huán)境溫度對(duì)TDP的影響
當(dāng)5G前傳的彩光模塊工作在高溫環(huán)境時(shí)，TDP會(huì)明顯增大，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的彩光模塊，TDP受高溫的影響越明顯。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)70℃時(shí)，波長(zhǎng)為1351nm和1371nm的光模塊，TDP相對(duì)于常溫(15℃～35℃)的增加值甚至高達(dá)2～3dB。
為減少高溫對(duì)TDP的影響，可將前6波中短波長(zhǎng)的光模塊用于AAU側(cè)，長(zhǎng)波長(zhǎng)的光模塊用于DU側(cè)，如圖3所示。
光模塊的工作溫度分為商業(yè)級(jí)：0～+70(℃)和工業(yè)級(jí)：-40～+85(℃)。由于AAU通常安裝在戶外，對(duì)前傳光模塊的工作溫度范圍要求較為嚴(yán)格，所以，用于AAU側(cè)光模塊的溫度特性應(yīng)滿足工業(yè)級(jí)要求。而DU通常安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，用于DU側(cè)光模塊的溫度特性滿足商業(yè)級(jí)要求即可。
4、光纖鏈路傳輸指標(biāo)
4.1 光纖鏈路全程衰耗
從DU至AAU的光纖鏈路全程衰耗包括：光纖及熔接衰減、活動(dòng)連接衰耗和MUX/DEMUX插損，光纖鏈路的全程衰耗可按表3計(jì)算。
表3 5G前傳光纖鏈路全程衰耗計(jì)算表
5G前傳光纖鏈路的傳輸參考模型如圖4所示。以光纖鏈路長(zhǎng)度10.0km、光纖鏈路中的活動(dòng)連接數(shù)7個(gè)計(jì)算，系統(tǒng)的全程鏈路衰耗最大為10.5dB。
圖4 5G前傳中光纖鏈路的傳輸參考模型
4.2 系統(tǒng)光功率預(yù)算
系統(tǒng)光功率預(yù)算主要由光模塊的光功率參數(shù)決定，為“最小OMA發(fā)送光功率”-“最大發(fā)送和色散的代價(jià)(TDP)”-“最大OMA接收靈敏度”。5G前傳彩光模塊(10km)的主要光功率指標(biāo)和光功率預(yù)算可參考表4。
表4 5G前傳彩光模塊(10km)的主要光功率指標(biāo)和光功率預(yù)算(注)
系統(tǒng)的光功率預(yù)算應(yīng)大于光纖鏈路全程衰耗并預(yù)留2～3dB的維護(hù)余量。從表4的“光功率預(yù)算”值可以看出，標(biāo)稱傳輸長(zhǎng)度10km的彩光模塊并不能滿足實(shí)際場(chǎng)景下10km光纖鏈路的衰耗指標(biāo)要求。根據(jù)系統(tǒng)的光功率預(yù)算和表3可測(cè)算出，在預(yù)留2dB維護(hù)余量時(shí)，彩光光模塊(10km)在圖4的傳輸模型下理想傳輸距離不超過(guò)6.3km。
5、結(jié)論和建議
綜上所述，由于5G前傳的速率較高，采用無(wú)源WDM方案時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的TDP，因此，在工程實(shí)施中建議采取以下措施：
- 系統(tǒng)模型應(yīng)以6合1和12合1為主，不宜采用18合1。
- 5G前傳彩光模塊應(yīng)采用DML調(diào)制方式，并采用前6波。如果只解決5G基站的前傳，宜采用6合1系統(tǒng);由于5G站大多與4G站共址，可采用12合1系統(tǒng)，前6波傳5G、后6波傳4G;如果一個(gè)物理站需要同時(shí)解決5G和4G 3d-mimo(速率為24.33Gbps)的前傳，建議使用2套6合1系統(tǒng)，距離較短時(shí)，也可使用1套12合1系統(tǒng)。
- AAU側(cè)應(yīng)采用工業(yè)級(jí)光模塊，光模塊波長(zhǎng)宜采用1271nm、1291nm、1311nm波長(zhǎng)，;DU側(cè)應(yīng)采用商業(yè)級(jí)光模塊，光模塊波長(zhǎng)宜采用1331nm、1351nm、1371nm波長(zhǎng)，。
- 常用彩光光模塊(10km)在典型場(chǎng)景下的理想傳輸距離為6.3km，超過(guò)這一距離時(shí)，建議采用光功率預(yù)算更大的彩光模塊(15km)。
【本文為51CTO專欄作者“移動(dòng)Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】
