戚清嶺 陳帥

【摘要】5G前傳無(wú)源波分系統(tǒng)主要用于解決C-RAN架構(gòu)中DU-AAU間光纖拉遠(yuǎn)，傳輸光纖資源缺乏的問(wèn)題，通過(guò)無(wú)源波分復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)光信號(hào)復(fù)用在一根光纖上進(jìn)行雙向傳輸，取代光纜敷設(shè)，為運(yùn)營(yíng)商提供一種低成本、高性能的光纖擴(kuò)容解決方案。本文從無(wú)源波分復(fù)用的原理開(kāi)始分析，建立了無(wú)源波分傳輸模型，并對(duì)常見(jiàn)無(wú)源波分應(yīng)用場(chǎng)景模型進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的應(yīng)用建議。

【關(guān)鍵詞】5G前傳；無(wú)源波分復(fù)用設(shè)備；應(yīng)用場(chǎng)景

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.15.006

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署及普及，各大運(yùn)營(yíng)商正在積極推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)的建設(shè)步伐。目前5G基站建設(shè)正在由城區(qū)向縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村推進(jìn)。原有的宏站建設(shè)模式也從過(guò)去的D-RAN模式向C-RAN模式演進(jìn)。隨著B(niǎo)BU的集中放置，大量的主干光纜資源會(huì)被占用，目前城市的管道線路資源已日趨緊張，新建光纜的難度大、投資高、時(shí)效慢，不利于5G基站的快速推廣。無(wú)源波分設(shè)備就是利用不同波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)在一條光纖中傳輸，從而減少光纜纖芯的需求，能達(dá)到更快的建設(shè)效果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，無(wú)源波分設(shè)備傳輸距離會(huì)受跳接及本身插入損耗的限制，因此需要根據(jù)不同的建設(shè)場(chǎng)景提供不同的無(wú)源波分部署建議。

1. 無(wú)源波分的技術(shù)基礎(chǔ)

無(wú)源波分技術(shù)的核心就是將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)耦合在同一條光纖中傳輸，在接收端再將這些不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分離出來(lái)，達(dá)到節(jié)約光纜資源的目的。

光纖類型不同，波長(zhǎng)有不同的衰減，目前國(guó)內(nèi)大量使用的是G.652D光纖，此光纖相比其他類型的光纖在1383+/-3nm水峰處的衰減系數(shù)最低，同時(shí)PMD（色散）也更小。G.652D光纖正常的衰減系數(shù)：0.35dB/km（1310nm），0.25dB/km（1550nm）。

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）：信道間隔20nm，工作波長(zhǎng)范圍為1271～1611nm。因此CWDM對(duì)激光器、復(fù)用/解復(fù)用器的要求不高，擴(kuò)容成本較低。因此多在中、短距離的城域網(wǎng)中應(yīng)用，并且無(wú)法通過(guò)光纖再次放大增加傳輸距離，因?yàn)镃WDM整個(gè)光譜寬340nm，光放增益無(wú)法達(dá)到。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）：最小信道間隔0.2nm，可以傳輸最多192個(gè)波道。適合大容量、傳輸距離比較遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)EDFA光纖光放器對(duì)信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)跨距傳輸。

2. 無(wú)源波分的組成

（1）波分復(fù)用器

通過(guò)耦合將多個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)復(fù)用到一根光纖中傳輸；復(fù)用器是無(wú)源設(shè)備，無(wú)須插電就可以傳輸光信號(hào)。

（2）彩光模塊

彩光模塊都對(duì)應(yīng)特定的波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)和波分復(fù)用器的波長(zhǎng)相匹配；模塊的傳輸距離有10km、40km、80km等規(guī)格。

當(dāng)前，無(wú)源波分在5G前傳方案中廣泛應(yīng)用。波分系統(tǒng)由光纖、彩光模塊和復(fù)用器組成，其中復(fù)用器是關(guān)鍵器件。

常見(jiàn)的波分復(fù)用器有以下幾種：介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器、熔錐光纖型波分復(fù)用器、棱鏡色散型波分復(fù)用器、衍射光柵型波分復(fù)用器。

復(fù)用器是無(wú)源器件，主要完成多個(gè)光波長(zhǎng)的復(fù)用和解復(fù)用，其外形和封裝方式和PON系統(tǒng)中的分路器幾乎一樣。復(fù)用器的每個(gè)端口都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長(zhǎng)，并用不同的顏色進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。

（3）復(fù)用器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

無(wú)源波分除了耦合器和連接光纖外，核心器件是幾個(gè)偏黃色的約2cm長(zhǎng)的玻璃棒：即多層介質(zhì)膜濾波器（以下簡(jiǎn)稱“濾波器”），放大來(lái)看如圖1所示。圖1中濾波器下方幾根綁在一起的幾根透明的小玻璃棒是光纖接頭保護(hù)點(diǎn)。

每個(gè)濾波器有3根連接尾纖。其中一端連接有2根尾纖，分別是輸入端和反射端，另一端連接的尾纖為輸出端。每個(gè)濾波器可以從輸入的多路光信號(hào)中過(guò)濾出特定的波長(zhǎng)，而將其他波長(zhǎng)從反射端反射出去；合波則是相反的過(guò)程。

3. 無(wú)源波分的性能指標(biāo)

（1）無(wú)源波分系統(tǒng)模型及波長(zhǎng)分配

無(wú)源波分用于承載基站傳輸業(yè)務(wù)時(shí)，主要采用1∶6（即1根光纖傳輸6個(gè)波長(zhǎng)）、1∶12和1∶18等。

粗波分最大支持18個(gè)波長(zhǎng)，因此最大支持1∶18的模型，超過(guò)1∶18的模型則需使用密波（非G.652D光纖應(yīng)避開(kāi)1371、1391nm和1411nm波長(zhǎng)），波長(zhǎng)的選擇應(yīng)統(tǒng)一，這樣方便管理。

（2）系統(tǒng)的光功率指標(biāo)

由于BBU/DU與RRU/AAU間的網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖分配網(wǎng)，故BBU/DU和RRU/AAU的光功率預(yù)算除考慮光纜線路的長(zhǎng)度因素外，還要考慮光鏈路中無(wú)源波分的插損和活接頭的數(shù)量。常規(guī)1∶6無(wú)源波分插損參考值2.6dB，典型值1.1dB；1∶8無(wú)源波分插損參考值2.8dB，典型值1.2dB；1∶12無(wú)源波分插損參考值3.2dB，典型值1.5dB；1∶18無(wú)源波分插損參考值3.5dB，典型值1.7dB。（參考值是當(dāng)前主流廠商執(zhí)行的最差標(biāo)準(zhǔn)，典型值是多數(shù)主流廠商可達(dá)到的水平）

（3）系統(tǒng)的光功率預(yù)算指標(biāo)測(cè)算

通常，城區(qū)BBU/DU與RRU/AAU間的光纖鏈路長(zhǎng)度一般不超過(guò)8km，鏈路中的活接頭數(shù)量約6個(gè)，則系統(tǒng)的光功率預(yù)算需滿足：

0.45dB*8km（光纖及熔接衰減）+0.5dB*6個(gè)（活動(dòng)接頭衰減）+1.1dB*2個(gè)（1∶6無(wú)源波分插損）+2dB（冗余）=10.8dB

若光鏈路長(zhǎng)度、活動(dòng)接頭數(shù)量或無(wú)源波分插損與上式偏差較大，應(yīng)重新計(jì)算。

（4）無(wú)源波分設(shè)備的其他特性

由于RRU/AAU是室外工作設(shè)備，與其對(duì)接的波分復(fù)用器需要具備以下幾個(gè)特性：

·工作溫度：-40度～85度

·防水防塵：IP67

·安裝方式：19英寸、抱桿或者掛壁

·集成度：支持3個(gè)插片（1U）、支持16個(gè)槽位（3U）

·支持混傳：支持多種速率業(yè)務(wù)的混傳

·業(yè)務(wù)能力：支持CPRI等業(yè)務(wù)的透明傳輸

4. 無(wú)源波分在5G建設(shè)中的應(yīng)用

4.1 前傳纖芯需求分析

D-RAN部署場(chǎng)景下的CU/DU與AAU同址，前傳采用光纖直驅(qū)方式。C-RAN部署場(chǎng)景，前傳可采用光纖直驅(qū)、彩光+無(wú)源波分和有源系統(tǒng)等方式。2G/4G/5G全集中場(chǎng)景下，每個(gè)宏站天面需部署5套R(shí)RU/AAU。一個(gè)滿配的宏基站，各廠家BBU和AAU的前傳光纖需求數(shù)量分別為36芯、36/48芯和42/54芯。目前基站接入光纜多為24、48芯光纜，無(wú)法滿足2G/4G/5G全集中的前傳纖芯需求，需要采用波分復(fù)用手段才能滿足集中部署情況下的前傳纖芯需求。目前可采用的解決方案包括有源波分、單纖雙向光模塊、無(wú)源波分等。從纖芯使用效率方面考慮，有源波分方案最優(yōu)，無(wú)源波分其次。從單站造價(jià)方面考慮，無(wú)源波分方案最優(yōu)。

4.2 無(wú)源波分鏈路功率預(yù)算

以開(kāi)通1個(gè)S111的5G站為例，需要6個(gè)25Gbit/s彩光模塊，典型情況下可用1套1∶6無(wú)源波分設(shè)備開(kāi)通，使用纖芯數(shù)由6芯降為1芯。傳輸線路的最大損耗為9.3dB，5個(gè)跳接點(diǎn)以下最大可以傳輸12.3km。

注：傳輸鏈路功率預(yù)算=端到端衰耗預(yù)算-無(wú)源波分器件損耗=（發(fā)光功率－接靈敏度－維護(hù)余量）-無(wú)源波分器件損耗。

其中發(fā)光功率：激光器的發(fā)射光功率，10Gbit/s光模塊為-3.8～+3.2dBm，25Gbit/s光模塊為0～+6dBm；測(cè)算時(shí)取最小發(fā)光功率。

接收靈敏度：指的是PIN管的最低接收光功率，10Gbit/s光模塊為-14dBm，25Gbit/s光模塊為-13.8dBm。

維護(hù)余量：指的是全程端到端的衰耗，包括無(wú)源波分、激光器、光纖和光纖連接器等。無(wú)源波分損耗指合波器和分波器的插入損耗之和，1∶6的無(wú)源波分要求小于3dB、1∶12無(wú)源波分要求小于4dB、1∶18無(wú)源波分要求小于4.4dB。

為了方便計(jì)算出光纜網(wǎng)的配置模型，將功率預(yù)算折算為跳纖點(diǎn)數(shù)量和光纖距離的公式如下。

傳輸鏈路的功率預(yù)算=靈活接頭損耗+光纖損耗=跳纖點(diǎn)數(shù)量×單跳纖點(diǎn)的接頭數(shù)×單個(gè)靈活接頭損耗+光纖距離×單位光纖損耗=跳纖點(diǎn)數(shù)量×2×0.5dB/個(gè)+光纖距離×0.35dB/km。

以S111無(wú)線基站為例進(jìn)行測(cè)算，1個(gè)基站需要6個(gè)波道，在現(xiàn)有的傳輸光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，以常規(guī)的5個(gè)跳纖點(diǎn)為例計(jì)算。在只考慮端到端傳輸鏈路上各種損耗，而不考慮色散的條件下。

①如果采用1∶6無(wú)源波分，全25Gbit/s光模塊，傳輸鏈路的余量為9.3dB，根據(jù)覆蓋模型，現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，在5個(gè)跳纖點(diǎn)情景下可滿足最大傳輸距離為12.3km。

②10Gbit/s速率下，由于發(fā)光功率較低，無(wú)法滿足5個(gè)跳纖點(diǎn)，改為4個(gè)跳纖點(diǎn)場(chǎng)景下，最大傳輸距離只能達(dá)到2km。

③1∶18無(wú)源波分器的插入損耗較大，10Gbit/s速率下，基本很難滿足5個(gè)或者4個(gè)跳纖點(diǎn)，不建議使用。

4.3 幾種常見(jiàn)的無(wú)源波分在5G基站回傳中的應(yīng)用

（1）新建5G基站與4G不共站，如圖2。光交到5G基站之間新布放配線光纜，匯聚機(jī)房到光交主干光纜利舊且資源緊張?，F(xiàn)網(wǎng)4G基站前傳為光纖直驅(qū)，消耗光纜資源較多，在此場(chǎng)景應(yīng)用無(wú)源波分時(shí)，對(duì)4G前傳不做改造，5G前傳采用無(wú)源波分+彩光方式。以1∶6無(wú)源波分（2臺(tái)）+25G彩光模塊（6塊）進(jìn)行系統(tǒng)配置，遠(yuǎn)端光模塊波長(zhǎng)配置為：1271nm、1311nm、1351nm；局端光模塊波長(zhǎng)配置為：1291nm、1331nm、1371nm。

（2）新建5G基站與4G基站共址、無(wú)纖芯，如圖3。需騰退4G基站纖芯，采用4G、5G分別用無(wú)源波分或4G、5G采用無(wú)源波分混傳兩種方案進(jìn)行。

（3）新建5G基站與4G基站共址，主干光交纖芯不足，配線光纜有纖芯，如圖4?？梢园褵o(wú)源分光器布放在主干光交，節(jié)省主干纖芯，配線光纜正常使用。

5. 結(jié)束語(yǔ)

5G前傳無(wú)源波分系統(tǒng)主要用于解決C-RAN架構(gòu)中DU-AAU間光纖拉遠(yuǎn)，傳輸光纖資源缺乏的問(wèn)題，通過(guò)在DU和AAU側(cè)部署無(wú)源波分復(fù)用器，再使用配套的彩光模塊替換無(wú)線設(shè)備上原有的灰光模塊，從而提供不同波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)光信號(hào)，兩側(cè)的無(wú)源波分復(fù)用器再將不同波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)光信號(hào)復(fù)用在一根光纖上進(jìn)行雙向傳輸，取代光纜敷設(shè)，為運(yùn)營(yíng)商提供一種低成本、高性能的光纖擴(kuò)容解決方案。但由于無(wú)源波分器自身引入的插入損耗，相比裸纖方案將會(huì)減少傳輸距離。

應(yīng)用無(wú)源波分開(kāi)通5G基站，建議優(yōu)先使用1∶6或1∶12無(wú)源波分設(shè)備。對(duì)于同一物理站址多系統(tǒng)的集中需求，建議使用多套1∶6或1∶12無(wú)源波分設(shè)備進(jìn)行疊加使用。

如果DU至AAU間距離小于10公里，需要考慮光功率過(guò)載對(duì)通信質(zhì)量造成的影響。

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