无源WDM前传方案的技术原理和常用模型的波长分配

　　无源WDM技术是现阶段5G前传采用的主要技术，由于5G前传的速度高达25G，色散成为影响5G前传的主要因素。介绍了无源WDM前传方案的技术原理和常用模型的波长分配，通过对光模块的发送和色散代价（TDP）指标的研究，分析了TDP的各影响因素及其对5G前传的影响，最后结合光纤链路传输指标要求，提出了无源WDM技术在5G前传中的部署建议。
　　一、引言
　　5G前传是指5G无线接入网中DU（分布单元）和AAU（有源天线单元）之间的传输。当前，5G前传方案主要包括：光纤直驱、无源WDM、半有源WDM和有源WDM等。
　　在各种前传方案中，由于光纤直驱方案需要消耗大量的纤芯资源，而新建光缆需要一定的时间周期，还会受到管道和杆路资源的限制；半有源WDM方案当前尚不成熟；有源WDM方案成本太高；而无源WDM方案凭借占用光缆纤芯少、价格低廉、可快速部署等优点，已成为现阶段5G前传采用的主要方案。
　　二、无源WDM前传方案简介
　　2.1 无源WDM前传方案的技术原理
　　无源WDM采用波分复用技术，用无源的MUX/DEMUX（复用/解复用器）将多路光信号采用不同的波长合路到一根光纤中传输。例如，通常一个5G宏站共3个AAU，DU至AAU的收发端口数共6个，在DU侧和AAU侧各采用1个6路的MUX/DEMUX就可以将DU和AAU间的收发信号合路到一根光纤中传输，如图1所示。
　　
　　图1 无源WDM前传方案技术原理由于MUX/DEMUX是无源器件，故各业务端口需采用不同发送波长的光模块，即彩光模块。无源WDM系统包括MUX/DEMUX和彩光模块2部分。由于DU和AAU设备通常已配置特定波长（一般为1310nm）的光模块，使用时需将DU、AAU既有特定波长的光模块（又称灰光模块）替换成相同速率的彩光模块。
　　无源WDM前传方案常用的组网结构分为双星型（见图1）和总线型（见图2）两种。双星型组网结构主要应用于5G宏站的前传场景，总线型主要应用于高速公路、高铁、隧道等场景。
　　
　　图2 无源WDM的总线型组网结构2.2 无源WDM前传方案的系统模型
　　基于成本的考虑，无源WDM一般采用CWDM（粗波分）技术。CWDM共支持18个波长，5G前传常用的模型为6合1（即1根光纤传输6个波长）和12合1，各模型使用的波长如表1所示。
　　
　　表1 无源WDM常用模型的波长分配表5G前传虽然可使用18合1模型，但首先由于18合1模型使用的光模块型号较多，会增加维护难度；另外，在少数使用G.652B光纤的接入网中，还会受光纤E波段衰耗水峰的影响，故不建议使用。
　　为了避开G.652B光纤E波段衰耗水峰的影响，12合1模型的波长分为前6波（1271nm～1371nm）和后6波（1471nm～1571nm），6合1模型则使用前6波。
　　三、色散对5G前传的影响
　　3.1 光模块的发送和色散代价（TDP）
　　色散是指光信号（脉冲）的不同频率成份以不同的速度传播，到达一定距离后由于脉冲展宽而产生的信号失真现象。色散对传输的影响可通过光模块的TDP（Transmitter Dispersion Penalty，发送和色散代价）参数来体现。
　　TDP参数反应信号经光模块调制和光纤传输后因色散导致信号劣化的程度。实际测试中，通过标准接收模块灵敏度的劣化程度来衡量。TDP就是以下两种情况下的灵敏度的差值（TDP ＝ S2 － S1）：
　　（1）理想参考发射机的标准灵敏度S1；
　　（2）被测发射机+规定长度光链路情况下的灵敏度S2。
　　3.2 5G前传彩光模块的TDP指标
　　5G前传彩光模块的TDP指标和光模块采用的调制方式有关，光模块按调制方式主要分为DML（Directly Modulated Laser，直接调制激光器）和EML（Electlro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器）两种。
　　DML通过直接控制通过激光器的电流来发出不同强度的光。EML经过激光器的是恒定的电流，通过外调制器改变通光的比例来得到不同强度的光，包括光源（激光器）和调制器两部分。直接调制时，激光器始终工作在不稳定的状态，有很多非线性的效应会影响到输出的质量，所以，DML一般用于低速率和短距离的通信系统。长距离、高速度的通信系统一般使用EML。
　　此外，5G前传彩光模块（传输速率为25G）的TDP指标还与激光器的中心波长、标称传输长度有关，标称传输长度10km的彩光模块TDP参考值见表2。
　　
　　表2 25G彩光模块（10km）的TDP参考值受色散的限制，DML只能用于前6波。EML虽然TDP较小，但成本要比DML高得多，所以，5G前传主要采用DML。而4G前传（传输速率为10G）受色散的影响较小，对于12合1模型，可用前6波开通5G前传、后6波开通4G前传。
　　3.3 环境温度对TDP的影响
　　当5G前传的彩光模块工作在高温环境时，TDP会明显增大，波长越长的彩光模块，TDP受高温的影响越明显。当环境温度超过70℃时，波长为1351nm和1371nm的光模块，TDP相对于常温（15℃～35℃）的增加值甚至高达2～3dB。
　　为减少高温对TDP的影响，可将前6波中短波长的光模块用于AAU侧，长波长的光模块用于DU侧，如图3所示。
　　
　　图3 5G前传中无源WDM的波长分配光模块的工作温度分为商业级：0～+70（℃）和工业级：-40～+85（℃）。由于AAU通常安装在户外，对前传光模块的工作温度范围要求较为严格，所以，用于AAU侧光模块的温度特性应满足工业级要求。而DU通常安装在机房内，用于DU侧光模块的温度特性满足商业级要求即可。
　　四、光纤链路传输指标
　　4.1 光纤链路全程衰耗
　　从DU至AAU的光纤链路全程衰耗包括：光纤及熔接衰减、活动连接衰耗和MUX/DEMUX插损，光纤链路的全程衰耗可按表3计算。
　　
　　表3 5G前传光纤链路全程衰耗计算表5G前传光纤链路的传输参考模型如图4所示。以光纤链路长度10.0km、光纤链路中的活动连接数7个计算，系统的全程链路衰耗最大为10.5dB。
　　
　　图4 5G前传中光纤链路的传输参考模型4.2 系统光功率预算
　　系统光功率预算主要由光模块的光功率参数决定，为“最小OMA发送光功率”－“最大发送和色散的代价（TDP）”－“最大OMA接收灵敏度”。5G前传彩光模块（10km）的主要光功率指标和光功率预算可参考表4。
　　
　　表4 5G前传彩光模块（10km）的主要光功率指标和光功率预算（注）系统的光功率预算应大于光纤链路全程衰耗并预留2～3dB的维护余量。从表4的“光功率预算”值可以看出，标称传输长度10km的彩光模块并不能满足实际场景下10km光纤链路的衰耗指标要求。根据系统的光功率预算和表3可测算出，在预留2dB维护余量时，彩光光模块（10km）在图4的传输模型下理想传输距离不超过6.3km。
　　五、结论和建议
　　综上所述，由于5G前传的速率较高，采用无源WDM方案时系统会产生较大的TDP，因此，在工程实施中建议采取以下措施：
　　（1）系统模型应以6合1和12合1为主，不宜采用18合1。
　　（2）5G前传彩光模块应采用DML调制方式，并采用前6波。如果只解决5G基站的前传，宜采用6合1系统；由于5G站大多与4G站共址，可采用12合1系统，前6波传5G、后6波传4G；如果一个物理站需要同时解决5G和4G 3d-mimo（速率为24.33Gbps）的前传，建议使用2套6合1系统，距离较短时，也可使用1套12合1系统。
　　（3）AAU侧应采用工业级光模块，光模块波长宜采用1271nm、1291nm、1311nm波长，； DU侧应采用商业级光模块，光模块波长宜采用1331nm、1351nm、1371nm波长，。
　　（4）常用彩光光模块（10km）在典型场景下的理想传输距离为6.3km，超过这一距离时，建议采用光功率预算更大的彩光模块（15km）。