（2020年江蘇省通信學會“華蘇杯”論文征集三等獎）5G前傳xWDM技術方案及其應用建議

周 楠 吳昌冬 張友全 周 亮

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

2019年6月6日，工信部向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，并確定中國電信和中國聯通通過共建共享的方式建設5G網絡。當前，“新基建”已成為推動我國經濟社會發展的重要動能之一，而5G建設不僅位列“新基建”之首，而且還是人工智能、工業互聯網等“新基建”項目的關鍵基礎設施。受限于頻譜特性，相較于4G基站，5G基站覆蓋密度有一定增加，基站選址困難、機房成本高、建設周期長、配套資源利用率低等問題隨之進一步放大，因此，5G必然將C-RAN作為一種主流的組網架構。C-RAN部署模式需要占用接入光纜網大量光纖資源，同時電信聯通共建共享的需求將導致共享站的前傳光纖需求翻倍，這無疑對接入光纜網，特別是主干光纜和管道產生巨大的建維壓力。傳統的光纖直驅的方式已經難以滿足5G建設需求，前傳使用設備勢在必行。本研究對5G前傳承載需求進行分析，并結合前傳xWDM新技術特點，提出具備可行性的5G前傳技術方案和應用建議。

1 前傳承載需求分析

1.1 接口速率及數量

4G網絡基于CPRI（通用公共無線電接口）接口實現了BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠單元）的分離，LTE帶寬為20 MHz時，采用15 bit的I/Q采樣位寬，每個天線上所傳送的單載波I/Q數據流為921.6 Mbps，添加控制字和編碼后速率為1.2288 Gbps。若采用2天線端口或8天線端口，則分別需要2.4576 Gbps或9.8304 Gbps的CPRI帶寬，故4G的CPRI光模塊接口速率為10G。5G頻譜帶寬從原來的20 MHz增大到100 MHz，射頻通道TR數量增加到64T64R，所以相當于CPRI帶寬在單載波921.6 Mbps的基礎上增加到5×64=320倍，現有的光模塊技術遠遠無法滿足。為此，出現了采用基于分組技術、支持統計復用的eCPRI接口，并對RAN架構進行重新分割，有效地降低了前傳帶寬。表1描述了不同帶寬、流數、天線數下eCPRI接口速率需求。

表1 不同帶寬、流數、天線數下eCPRI接口速率需求

在光模塊速率選擇上，用于4G/5G前傳承載的光模塊分為10 Gbps光模塊與25Gbps光模塊。10 Gbps光模塊主要用于4G前傳與5G中4TR、2TR前傳；25 Gbps光模塊用于5G中64TR、32TR、16TR、8TR前傳。

在纖芯需求方面，對于5G單宏站，100 MHz頻寬需要3個25Gbps eCPRI接口（6根纖芯）；對于中國電信和中國聯通的共建共享站，200 MHz頻譜需6個25Gbps eCPRI接口（12根纖芯）。如果5G共建共享站又與4G共站，則需要6個25Gbps eCPRI接口和3個9.8Gbps CPRI接口（18根纖芯）。如果4G站同時有載波聚合，會進一步增加前傳纖芯需求數量。

1.2 時延和同步需求

時延與距離以及無線和承載設備的處理能力相關。根據eCPRI接口時延分配，前傳時延約100 μs。在不考慮節點處理時延的情況下，對于超低時延業務，前傳距離不應超過20 km，因此在前傳網絡中引入承載設備組網時，要盡可能降低節點時延。在實際C-RAN場景下，AAU至BBU的距離通常不超過10 km，在地鐵等多站級聯的鏈型或環形場景中距離會大于10 km，但一般不會超過20 km。

5G基本同步需求與4G相同，基站間時間偏差要求應小于3 μs；5G協同增強提出100 ns量級高精度需求；部分新業務，包括高精度定位業務、高速移動業務覆蓋（如車聯網、遠程醫療、智能制造）等，需要更高精度同步。當前同步以太網（SyncE）、IEEE1588v2等同步傳輸技術可滿足5G基本業務同步精度需求（1.5 μs）；通過5G高精度同步組網技術，可滿足5G系統多種業務的更高同步需求。為保證業務的同步精度要求，前傳網絡鏈路應消除不對稱因素，包括線路、光模塊等帶來的非對稱性。

1.3 工作環境

前傳設備工作環境復雜多樣，特別在室外工作時，應能在-35℃～+55℃溫度環境和5%～98%的相對濕度下長期穩定可靠工作。室外前傳設備還應滿足IP65防護等級和防雷要求。在前傳光模塊的選擇上，室外要求為工業級溫度要求（I-Temp，-40℃～+85℃）。

2 前傳xWDM技術方案

前傳采用光纖直驅方案，既可以滿足前傳接口性能要求，施工和維護管理又都比較簡單，是光纖需求不大且資源豐富場景下較為經濟可行的方案。NGOF早在2018年初就提出了25Gbps BiDi技術方案，現已實現規模商用。單纖雙向傳輸技術一方面可以節約50%左右的光纖資源，另一方面也保證了上下行信號時延一致性，有利于滿足5G業務高精度同步需求。但是隨著5G的深入發展，特別是電信聯通共建共享場景下，即使采用BiDi方案，單個共享站仍然需要6根光纖，仍會對接入光纜網產生巨大的壓力。為此，波分復用（WDM）技術成為5G前傳的重要手段，它可使多個CPRI或eCPRI接口通過不同波長共享光纖資源，從而實現一根（或一對）光纖解決一個站或多個站的5G前傳需求，大大提高光纖利用率。根據波道間隔的不同，xWDM技術方案又可以分為CWDM技術方案、LWDM技術方案、MWDM技術方案和DWDM技術方案。

2.1 CWDM技術方案

粗波分（以下簡稱CWDM）方案采用粗波分復用技術，波長參考ITU-T G.694.2標準，波道間隔20 nm，將CWDM彩光模塊安裝在AAU/RRU和BBU/DU上，通過CWDM合分波器完成WDM功能，利用一對或者一根光纖提供多個AAU/RRU到BBU/DU的連接。

目前前傳CWDM系統主要有6波系統和12波系統。6波系統可用于100MHz頻譜寬帶的3通道S111站，優選1271/1291/1311/1331/1351/1371 nm，前4波目前有DML（直接調制激光器）+PIN（光電二極管）低成本方案，但1351/1371 nm采用DML時色散代價較大（比前4波高2～2.5 dB），需采用APD（雪崩二極管）進行色散補償來保證相同的鏈路功率預算。當需要6通道（12個波長）時，由于DML色散代價大，必須采用EML（電吸收調制激光器），為避開G.652光纖“水峰”，波長優選1471/1491/1511/1531/1551/1571 nm。但由于技術限制，該6個波長僅能支持10 Gbps速率，且很難再進一步擴展至更多波長。故12波CWDM系統一般用于4G和5G共址站使用，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 波CWDM系統結構圖

CWDM方案成本較低，但也存在一些問題：（1）由于采用固定波長，網絡建維中存在波長識別困難、備品備件的型號數量較多、不便于管理的問題；（2）受限于長波長過大的色散代價和低成本DML+PIN方案性能，無源CWDM方案將維護余量降至2 dB，維護壓力較大；（3）由于低成本無溫控結構，5G前傳場景面臨低溫區的性能壓力和高溫區的壽命壓力，長期穩定性風險較高；（4）無源CWDM的光模塊暫無OAM能力，網絡管控能力受限。

對于電信聯通共建共享模式下采用200 MHz頻譜的5G基站，前傳承載需采用兩套6波CWDM系統并行使用，為此業界也開始研究支持單纖12波25 Gbps的WDM前傳方案，包括中國電信和信通院牽頭的LWDM方案、中國移動獨創的MWDM方案和中國聯通主推的DWDM方案。

2.2 LWDM技術方案

LAN-WDM技術（簡稱LWDM，或細波分復用），符合IEEE 802.3BA標準，將O波段頻譜按照800 GHz（約4.4 nm）波道間隔進行劃分，共有8個標準波長，分別為1273.54 nm～1309.14 nm。對于12波系統需求，再進行4個波長的擴展，初定的波長范圍為1269.3 nm～1318.35 nm。具體如圖2所示。

圖2 LWDM方案波長分配圖

LWDM的技術優勢在于產業鏈共用，可以共用400G LR8產業鏈（1273.54 nm～1286.66 nm）和100G LR4產業鏈（1295.56～1309.14 nm），并重用了CWDM產業鏈。25 Gbps通道工作波長位于零色散點附近，色散代價較小（＜1dB），可擴展性好。各通道的器件成本也較低，所有12個25 Gbps通道和12個擴展10 Gbps通道均可通過DML+PIN+TEC溫控的低成本方式滿足10 km傳輸需求，并保證不少于3 dB的維護冗余；若10G擴展波道采用DML+APD組合，可以滿足15 km甚至20 km的傳輸距離要求。LWDM方案由于25 Gbps通道的波長間隔較小，需要相對嚴格的波長控制，因此普遍采用溫控模塊（TEC）。LWDM可采用調頂方式實現簡單OAM管理，但由于采用固定波長方式，因此光模塊備件種類過多。

隨著中國聯通和中國電信5G共建共享的深入推進，6×25 Gbps的前傳需求非常明確和迫切。中國電信和中國信通院已分別牽頭完成了LWDM的系統標準和光模塊標準制定工作，產業鏈也就方案與指標達成一致。中國電信已于2022年初啟動了LWDM設備的首次集采。

2.3 MWDM技術方案

在CWDM的6波系統方案基礎上，中國移動提出了將波長左右各拉偏3.5 nm的中等波分復用方案，即MWDM方案。其波長分配圖如圖3所示，相鄰波長間隔不再一致，分別為7 nm和13 nm。該方案的前8波共用了100G CWDM4的產業鏈，可以使用與LWDM相同的DML+PIN+TEC溫控方案，成本較低；而后4波25G的性能由于其色散代價較大，需要使用APD補償，導致總體成本增加。

圖3 MWDM方案波長分配圖

在標準化方面，中國移動制定了6通道25G企標和相關行業標準。但由于該方案是中國移動獨創方案，要求每家企業簽署保密協議，導致產業封閉。中國移動已于2022年Q1開啟了MWDM的首次集采。

2.4 DWDM技術方案（G.metro）

2020年7月3日，中國聯通發布《前傳波分設備測試公告》，包括兩類設備：無源CWDM和波長自適應城域接入型波分復用，后者即為聯通一直在努力推動的5G前傳“可調諧DWDM方案”，G.metro方案。該方案的波長分配圖如圖4所示。現階段行業標準只定義了10G速率的G.metro方案（YD/T 3551-2019），20通道25G DWDM行標已經立項，由中國聯通主導推動中。

圖4 G.metro方案波長分配圖

G.metro采用100GHz波道間隔的DWDM技術和單纖雙向結構，波長可調范圍包括6波、12波、20波和40波等，10G和25G共用波長池，所有波長性能相當，配置靈活，系統容量大，并可以充分利用現有的DWDM成熟產業鏈。G.metro方案的光模塊使用了EML+PIN+TEC方案，支持波長可調諧，雖然EML增加了成本，但可調光模塊大大減少備品的種類和數量，維護簡便。同時由于G.metro方案使用了衰耗較低的1550 nm波長，維護余量較高，可達3 dB。

為了解決成本問題，業內還提出了固定波長DWDM方案。但是該方案光模塊型號多，其網絡建設和運行維護復雜度相對高，由于系統容量大，光纖利用率高，目前在歐美等海外運營商有實際部署。

3 方案比較及應用建議

在5G C-RAN場景下，前傳距離較長，需要占用較多主干光纜和管道資源，新建主干光纜和管道成本高、周期長，建議采用前傳xWDM技術方案降低纖芯使用數量。表2對各類前傳xWDM技術方案進行了綜合比較。在選擇方案時，還應考慮以下幾個方面的因素：（1）在光纖的消耗方面：若采用xWDM技術則無需再規模建設前傳光纜，對于6通道25G站，CWDM方案需要采用2根纖芯，而其他xWDM只需1根纖芯，具有一定優勢。（2）在光鏈路預算方面：由于接入層光纜的接頭較多，光纜損耗參差不齊，需要充足的光鏈路預算和充足的維護冗余（3 dB），鑒于此，LWDM和G.metro方案相對更優。（3）在前傳性能方面：5G基站部署于室外，需要經得住高低溫的考驗，TEC溫控可以有效提升高低溫性能和壽命，降低前傳系統故障率。（4）在成本造價方面：5G規模建設，對成本非常敏感，成本較高的APD和可調EML可能會成為MWDM和G.metro方案大規模應用的障礙。

表2 通道25G前傳方案綜合比較

綜合上述考慮因素，對于100MHz的5G單宏站（3通道25G），使用無源CWDM方案性價比更高；對于電信聯通共建共享站和未來有載波擴容需求的5G站點（6通道25G+N通道10G），LWDM技術方案更具有性能優勢。

4 結束語

隨著5G網絡的深入部署和接入層光纜建維成本的進一步提升，xWDM技術方案成為更受運營商青睞的5G前傳承載方案。各家運營商均根據自身需求和產業鏈情況布局了不同類型的xWDM技術方案，并逐步在現網應用，取得了預期的成效。