光纖通信技術(shù)在5G移動(dòng)通信中的應(yīng)用

劉榆華

（中時(shí)訊通信建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510050）

0 引 言

近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，光纖通信逐漸滲透到人們生活的方方面面。光纖通信具有通信速率快、效率高以及帶寬寬的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在多終端的數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域[1]。隨著社會(huì)對(duì)信息傳輸速度要求的提高，4G技術(shù)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前需求，因此加快5G技術(shù)的建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 5G通信技術(shù)的概述

1.1 概 念

5G是第五代移動(dòng)蜂窩通信的簡(jiǎn)稱，相較于4G，5G具有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體對(duì)比如表1所示。5G允許大規(guī)模設(shè)備進(jìn)行連接，極大地提升了系統(tǒng)的整體容量，同時(shí)信息的傳輸延遲和運(yùn)行的成本都會(huì)大大降低。尤其是在低延遲方面，5G適用于自動(dòng)駕駛、多人游戲、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控采集等需要及時(shí)反應(yīng)的場(chǎng)景，推動(dòng)社會(huì)不斷向前發(fā)展。

表1 4G、5G技術(shù)關(guān)鍵能力對(duì)比

1.2 通信特點(diǎn)

5G技術(shù)的通信特點(diǎn)主要集中在以下3個(gè)方面。

（1）提高頻譜的利用范圍。在5G技術(shù)之前，大部分的信號(hào)傳輸采用低頻頻譜資源，高頻段的利用率極低。而5G通信技術(shù)則可以利用高頻段的頻譜，盡管在在當(dāng)前的技術(shù)水平下，高頻的利用率還不太高，但通過(guò)技術(shù)的更迭，其利用率將不斷提升。

（2）通信系統(tǒng)的性能高。5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多用戶以及多區(qū)域之間的組網(wǎng)協(xié)作，有效提升通信系統(tǒng)的性能。

（3）設(shè)計(jì)理念先進(jìn)。室內(nèi)通信是通信的主體業(yè)務(wù)，5G技術(shù)的首要目標(biāo)就是保證室內(nèi)的高效率通信，從根本上革新傳統(tǒng)移動(dòng)通信的設(shè)計(jì)理念[2]。

2 5G通信對(duì)光纖通信技術(shù)的要求

由于5G的無(wú)線接入網(wǎng)對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的帶寬和延時(shí)提出了更高的要求，因此為了5G基站更好的組網(wǎng)，周邊需要布置大量光纖。光纖通信主要傳遞來(lái)源于移動(dòng)電話、電腦等的數(shù)位信號(hào)，其主要有以下3個(gè)發(fā)展目標(biāo)。

2.1 擴(kuò)展波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)范圍

波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)是指在單條光纖中同時(shí)讓兩個(gè)或兩個(gè)以上的光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)不同光信道各自傳輸信息的光波分復(fù)用技術(shù)，基于WDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)的激光上承載不同的光波信號(hào)，從而在實(shí)現(xiàn)雙向通信的同時(shí)將帶寬容量翻倍。傳統(tǒng)信息傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)在1.53～1.57 μm，而光纖可以將范圍擴(kuò)展到1.30～1.60 μm，將網(wǎng)絡(luò)的帶寬擴(kuò)大至7倍以上。為了更好地應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，密集WDM（DWDM）技術(shù)逐步興起，其承載的最大波長(zhǎng)數(shù)可以達(dá)到160個(gè)，而且數(shù)目仍在增加[3]。

2.2 光弧子通信

利用光纖中的非線性效應(yīng)以及色散補(bǔ)償作用實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)光脈沖傳輸?shù)囊环N超短脈沖被稱為光弧子。對(duì)于光纖來(lái)說(shuō)，無(wú)論是處在正常光還是反常色散區(qū)，其傳輸過(guò)程都不可避免地出現(xiàn)脈沖展寬的現(xiàn)象。除此之外，在正常光下，光纖本身存在的自相位調(diào)制效應(yīng)也是導(dǎo)致脈沖展寬的重要原因。但是，在反常色散區(qū)就出現(xiàn)了抵消現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)抵消，光脈沖的脈沖寬度在傳輸過(guò)程中維持穩(wěn)定[4]。相應(yīng)地，如果在信號(hào)傳輸過(guò)程中及時(shí)對(duì)光纖的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，就可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和幅度的穩(wěn)定，從而形成光弧子傳播。光弧子通信相較線性通信具有極其顯著的優(yōu)勢(shì)，一是前者的傳輸容量是后者的10～100倍；二是光孤子的特性可以有效簡(jiǎn)化中繼過(guò)程，更加經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、高效，可以實(shí)現(xiàn)全光中繼；三是光孤子通信具有更高的保真度、更長(zhǎng)的傳輸距離以及更高的傳輸效率[5]。

2.3 全光網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于全光網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于在信息傳輸時(shí)無(wú)需進(jìn)行光電的相互轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不處理信息，同時(shí)不會(huì)受到電子設(shè)備響應(yīng)速度慢的影響，因此其信息傳輸質(zhì)量和效率都能夠得到保證。全光通信網(wǎng)由全光部分和通信控制部分組成。前者為完全透明結(jié)構(gòu)，可以容納更多的業(yè)務(wù)格式，通過(guò)波長(zhǎng)的合理適配可以完成信號(hào)的發(fā)送和接收[6]。如果適當(dāng)輔助光交叉設(shè)備，將實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。后者的外部通信控制部分可以幫助重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信量、業(yè)務(wù)類型以及需求量可以動(dòng)態(tài)分配，形成一個(gè)更具容錯(cuò)性和兼容性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3 光纖技術(shù)在5G通信中的應(yīng)用

3.1 超寬視頻業(yè)務(wù)

我國(guó)視頻流量占據(jù)信息管道流量總數(shù)的70%以上，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，更多更先進(jìn)、更智能、更豐富的通信產(chǎn)品會(huì)被研發(fā)出來(lái)，同時(shí)這個(gè)比例將會(huì)繼續(xù)增加。尤其是360全息影像技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用，目前最熱門的自動(dòng)駕駛也需要該技術(shù)的支持。

此外，現(xiàn)在同樣廣泛應(yīng)用的還有5G+AGV無(wú)人駕駛。傳統(tǒng)的叉車存在著3個(gè)痛點(diǎn)問(wèn)題：一是WiFi信號(hào)不穩(wěn)定導(dǎo)致叉車的路徑規(guī)劃難度較大，定位也較為困難；二是企業(yè)非標(biāo)倉(cāng)庫(kù)的改造難度大、周期長(zhǎng)，難以快速部署；三是難以大批量調(diào)度。杭叉集團(tuán)借助5G切片進(jìn)行無(wú)人叉車和智能倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)務(wù)的創(chuàng)新，其運(yùn)作如圖1所示。在該方案下，5G+AI視覺(jué)替代了進(jìn)口激光雷達(dá)和安全激光來(lái)實(shí)現(xiàn)避障和精準(zhǔn)控制，在提高精度的同時(shí)可以有效降低成本。基于5G高速、低延時(shí)的特點(diǎn)，還可以將單AP部署叉車提升到數(shù)百臺(tái)，并可以實(shí)現(xiàn)異地智能倉(cāng)儲(chǔ)部署。通過(guò)重要控制室的鏈接，可以跨園區(qū)遠(yuǎn)程控制數(shù)萬(wàn)臺(tái)叉車，解決大批量AGV的群控調(diào)度難題。在5G環(huán)境下，結(jié)合MES、MEC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)AGV叉車的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著通信產(chǎn)品的進(jìn)一步普及，人們對(duì)寬帶的要求也越來(lái)越高。基于5G邊緣計(jì)算技術(shù)、切片技術(shù)以及光纖通信技術(shù)的無(wú)人叉車項(xiàng)目可以提高行業(yè)30%的運(yùn)營(yíng)效率、降低超千億元運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)大大降低安全事故發(fā)生率，該項(xiàng)目也因此獲得了全國(guó)5G大獎(jiǎng)。

圖1 5G在無(wú)人叉車中的應(yīng)用

3.2 DC云互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

隨著科技革命的不斷推進(jìn)，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)正朝著多元化的方向發(fā)展。通過(guò)開(kāi)展DC云業(yè)務(wù)，可以從根本上提高信息傳輸效率。充分發(fā)揮DC的中心結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，拓展DC業(yè)務(wù)及其相關(guān)業(yè)務(wù)，通過(guò)有效結(jié)合5G通信技術(shù)，簡(jiǎn)化互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成，建設(shè)一個(gè)大寬帶、高速率的信息管道工程。央視在直播70周年國(guó)慶活動(dòng)時(shí)，引入了4K直播技術(shù)，采用4K+5G背包進(jìn)行直播拍攝，提供移動(dòng)化直播拍攝工具，基于5G網(wǎng)絡(luò)專線作為網(wǎng)絡(luò)通道，提供了端到端的網(wǎng)絡(luò)切片保障。

3.3 視頻會(huì)議

新時(shí)代下，人們的生活節(jié)奏越來(lái)越快，會(huì)議的數(shù)量也越來(lái)越多。傳統(tǒng)會(huì)議具有極大的時(shí)間、地點(diǎn)局限性，而采用視頻會(huì)議則可以突破這一局限。基于光纖通信技術(shù)與5G技術(shù)的低延時(shí)、高效率以及高質(zhì)量信號(hào)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，可以保證會(huì)議過(guò)程的流暢度、會(huì)議畫(huà)面的清晰度以及會(huì)議討論的交互度。2020年2月2日晚，全球首例廣電5G應(yīng)用在湖北落地，并應(yīng)用在湖北省疫情防控新聞發(fā)布會(huì)上，這是第一次現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有記者的發(fā)布會(huì)，使用700 MHz+4.9 GHz廣電5G進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直播。

4 結(jié) 論

通信技術(shù)的快速發(fā)展為人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了巨大的便利，而隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)和組網(wǎng)的不斷完善，未來(lái)將有更多的通信技術(shù)被應(yīng)用在實(shí)際生活中。通過(guò)對(duì)光纖技術(shù)的研究，可以促進(jìn)5G技術(shù)的發(fā)展，為全電子信息化時(shí)代的到來(lái)奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)人類科技文明的發(fā)展。