张辉1 1李2李欣2徐荣3
摘要:5G对前向传输网络提出了更高的要求，如现场部署，高速透明传输，密集直连，成本敏感，高可靠性等面向5G前传的低成本WDM核心技术从五个方面进行创新设计:可现场安装的点对点透明WDM直驱结构，通过直接检测实现低成本的中短距离光模块，在O波段扩展更多CWDM/LWDM波长的方法，利用成熟的CWDM/LWDM光模块堆实现多方向汇聚和多级级联，针对半被动WDM的新OLP保护机制基于这些创新技术，提出了一种新的现场安装，模块化堆叠和保护的半主动WDM前传创新方案，降低了5G前传网络的建设成本，满足了高可靠性的运营要求
关键词:半有源波分复用，预传输网络，o波分复用，光拾取模块，半无源光线路保护
中国图分类号TP393/TN913文件识别代码A
面向5G前沿运输的创新半主动WDM技术
张辉1，李明一，李月臣2，李新二，徐荣3
1.中国移动通信集团吉林有限公司延边133000
2.中国成都丁基信息技术有限公司
3.中国移动研究院，北京100053
摘要现场安装，高速透明，密集连接，低成本和高可靠性是5G前沿网络新的更高的要求该创新解决方案基于五项关键技术:低成本的本地无源点对点WDM基于短程传输直接检测的低成本收发器设备为CWDM/LWDM在O波段扩展更多波长，用于WDM级联系统的O波段CWDM/LWDM光学模块新的半被动WDM和OLP保护方案该解决方案在前端网络可靠性和低资本支出方面非常有效
半有源LWDM前端牵引，O波段CWDM/LWDM，直接探测收发器，半无源光线路保护
1 WDM是5G前传的必备技术。
对于5G新无线采用的大规模MIMO天线技术，部分物理层功能也可以下移到AAU，从而产生了全新的网络连接需求mdashmdash预传输网络，是AAU和DU之间的传输通道，接口是ECPRI，需要满足gt，大带宽，低延迟的2Gbit/s传输要求此外，与4G相比，5G使用的频率更高，单个基站的覆盖范围小于4G，这意味着5G前向网络需要更密集的组网才能实现更多的基站覆盖
5G前传网络最本质的连接需求是gt，2Gbit/s速度快，粒度大，传输直接高效因此，如果有足够的光纤可用，那么光纤直驱是最简单的解决方案光纤直驱方案是通过前向光模块和光纤直接连接AAU和DU的点对点直连方案按照一般需求计算，一个普通接入点需要36~48根光纤，一个C—RAN区域需要120多根光纤芯，骨干光缆需要300多根芯
为了降低光缆建设成本，节省光纤消耗，利用WDM技术，单根光纤可以简单地提供18波，32波，40波，甚至80波/96波，大大节省了接入光纤的用量，解决了接入光纤匮乏的痛点。
WDM是典型的点对点拓扑上行链路和下行链路传输使用具有不同颜色的独立透明波长信道，无需任何特殊的电层协议处理，也无需信道之间的动态带宽分配因此，系统的复杂度大大降低，透明传输的传输效率大大提高在提供具有更高带宽的高速直接信道的同时，传输延迟是所有前向传输方案中最低的
因此，WDM技术将是5G预传输网络技术的最佳选择。
2低成本，高可靠性的前传WDM创新技术
2.1 WDM直接驱动技术，可在无电源的情况下现场安装
在过去的20年里，WDM技术因为可以进行密集波分复用的DWDM和配置中继放大，成为节省光纤和解决骨干传输网长距离传输的唯一途径如今由于5G前传和客运专线的巨大需求，推动DWDM技术下沉到网络末端
在网络接入端应用WDM技术时，长距离传输不是第一考虑因素，低成本是第一考虑因素此时，无中继放大，无DCM，无中间光通道跳变，纯传输复用的最简单点对点直连结构成为低成本WDM的必然选择如图1所示，这种结构是端到端无源的，工作原理类似于光纤直驱，但它最大的优点是可以在一根光纤上提供大量的虚拟光纤进行直连，所以我们称之为波分直驱或点对点WDM直驱
在无源波分复用方案中，如图1所示，远端AAU直接采用色光模块，远端采用的无源波分复用器不需要供电，因此可以根据线路的功率预算分配和汇聚方向的数量灵活选择部署位置在基带站点侧，无源波长复用/解复用器进行波长复用/解复用，实现AAU与基带对应波长的连接基带侧也采用所有色光模块，与AAU侧的工作波长一一对应可以实现点对点，环网，星型，链式的短传输距离联网场景需求
由于5G前传的远端需要部署在室外，所以需要使用可以安装在室外的工业光模块目前实现工作温度的技术方案主要有:商用25Gbit/s DML芯片+制冷封装，优点是对激光器芯片要求低，缺点是功耗和成本增加直接采用工业级25Gbit/s DML芯片，优点是封装简单，功耗成本低，缺点是工业级激光芯片技术难以实现
无源彩色光前向波分系统可以实现无连接，无规划，无维护使用简单可靠的低成本无源系统解决点对点传输，减少了大量有源器件，避免了远程服务安装的电源限制从而可以省去繁杂的运维管理，真正实现维护管理的无忧服务但这也导致了传统无源波分最大的问题，就是没有线路保护和管理能力
低成本点对点WDM直驱结构，纯透明传输，直接连接，无电层汇聚和复用
无电源现场部署模式
图1无需电源和现场安装的低成本无源WDM技术
2.2短距离高速光模块回归低成本直接检测。
除了复用器/解复用器，最简单的点对点WDM直接驱动系统是代表收发器的光模块技术最近几年来，由于数据中心和移动通信升级的需求，用于5G预传输的25Gbit/s光模块的研究重点逐渐转向基于直接检测而非相干的40km以下中短距离传输场景
强度调制mdash影响光纤直传系统性能的物理损伤通常来自发射机和光纤传播过程主要损伤是色散，激光相位噪声，激光相对强度噪声和四波混频
在IM—DD系统中，当色散存在时，会导致功率衰落当色散不存在时，会再次发生四波混频，当信号的符号速率增加时，还存在信道非线性响应的问题因此，针对低成本IM—DD系统提出的新的调制格式，收发器结构和DSP方案被设计成抵抗直接检测系统中的色散和非线性效应
由色散引起的脉冲展宽效应与调制光的光谱宽度的平方成正比为了减少色散的影响，直接滤除光模块中不必要的光谱部分是非常有效的过去使用Fabry—mdash，珀罗激光器多纵模振荡，整个光谱被强度调制，产生非常宽的多频谱将激光光谱限制在单纵模，或者用DFB单纵模激光器代替F—P多纵模激光器，可以消除由激光的多频成分引起的脉冲展宽
更复杂，更高阶调制的使用无疑增加了DSP的处理复杂度，进而需要双倍带宽甚至更高采样率的PD，TIA和ADC。
目前主流器件和光模块厂商都在尝试基于10G带宽的DML热芯片通过超频实现低成本的25Gbit/s高速光模块一种是利用10G芯片带宽的器件通过倍频实现25Gbit/s的高速光信号收发，另一种思路是采用PAM—4技术，一个周期传输2比特信息，如图2所示，比NRZ一个周期传输1比特信息高一倍，他们的基本想法是通过使用更复杂的电调制和解调技术来降低成本，以减少收发器模块的物理带宽要求或使用的激光器数量例如，在相同的速率下，PAM—4技术可以节省50%的光器件
PAM直接检测与相干处理的比较
图2 PAM—4的技术原理和直接检测与相干检测的比较
直接检测通常被视为实现低成本要求的解决方案PAM4技术的基本原理是用更密集的层次传递更多的信息PAM4的信号处理可以分为两种方式，一种是使用CDR的模拟方式，另一种是使用DSP的数字方式如图2所示，考虑到一些提出的直接检测方案的复杂性，带宽要求和数字处理能力，不确定直接检测是实现低成本，低功耗和占用空间小的收发器的正确方法，无论它是使用单个PD还是多个PD的接收器但如果我们降低传输距离的期望值，比如限制在20km，不采用太复杂的调制编码技术，速率限制在25Gbit/s，那么答案就会很肯定
使用双倍信号带宽器件还是双倍信号带宽器件，需要综合考虑成本，功耗，占用空间目前，在20公里以下，强度直接调制直接探测方案仍然具有明显的成本和性能优势，而在100公里以上，相干探测占据主导地位
2.3在o波段扩展更多CWDM/LWDM波长的技术创新
目前数字通信领域比较成熟的LWDM 8光模块使用的波长，使用EML为1274，1278，1282，1286nm，使用1295，1300，1305，1310nm使用DML同时，目前成熟且非常便宜的CWDM工作在O波段的6个DML激光器中的1271，1291，1311，1331，1351，1371nm
根据半导体器件的工作机理，激光器的工作波长通常随温度而变化如图3所示，DFB激光器的温度漂移系数约为0.08nm/deg，丙.在粗波分复用CWDM系统中，由于波长区间较宽，不需要考虑温度引起的中心波长漂移问题，所以其激光器往往采用非制冷激光器，而LWDM/DWDM由于波长区间较窄，往往采用制冷激光器，即采用半导体热电制冷器TEC，可以控制plusmn中激光器的结温变化，0.1度，c范围有鉴于此，我们可以基于TEC工作机制稳定激光器的中心波长，或者人为有意偏置激光器的中心波长，使同一激光芯片在不增加新型激光芯片的情况下输出更多的WDM工作波长
图3标称值为1310nm的DFB激光在不同温度下的中心波长值
我们根据精确控制不同温度来稳定光模块不同输出波长的思想，在现有成熟的O波段间隔为20nm的CWDM方案的1271nm，1291nm，1311nm，1331nm，1351nm，1371nm的基础上，通过TEC来控制每个波长。12波长O波段WDM方案:1267.5，1274.5，1287.5，1294.5，1307.5，1314.5，1327.5，1334.5，1347.5，1354.5，1367.5和1377可以通过将波长向左和向右移动3.5nm来形成
可以看出，基于TEC扩展CWDM6的波长方案是7nm和13nm，间隔不同前八个波长匹配DML+ PIN+ TEC，后四个波长因为色散大，需要匹配DML+ APD+TEC，才能满足10km链路的预算要求
图4基于TEC在+/—3.5纳米处扩展CWDM6的非等间距12波方案
TEC的作用是稳定波长如果用TEC的温度来调节波长，TEC会工作在大电流的状态，所以光模块的功耗会高很多
为了在O波段获得更多波长的WDM应用系统，我们还可以想到直接在成熟的LWDM基础上扩展12波方案，即分别采用8个LWDM波长加4个CWDM波长的波长分配方案，间隔均为4.5nm，即1269，1273，1277，1282，1286，1291，1295和1300这样，激光芯片部分继承了LWDM8中使用的EML激光器，部分继承了CWDM/LWDM中使用的DML激光器，如图5所示因为这种方案的波长间隔很窄，所以每个光模块必须使用TEC来稳定中心波长
基于目前LWDM扩展的25Gbit/s色光模块产品，支持SFP28封装，工作温度—40℃至85℃，传输距离10/20km其12种波长方案分别为8个DML和4个EML，通过低成本的DML/EML实现气密封装，内置TEC控制波长漂移
图5以4.5海里的相等间隔共享现有CWDM的DML和LWDM的EML的12波方案
基于TEC扩展CWDM的12波WDM工作波段为1266～1377nm，，而基于LWDM扩展的12波工作波段在1269~1332nm范围内两者的主要区别集中在133x~137x的几十纳米，因为这一段光纤的色散比较大为了克服色散的影响，CWDM12给出的解决方案是用PIN接收前8个波，用APD提高后4个波的灵敏度，补偿133x~137x因色散产生的功耗O波段的LWDM12可以节省波长间隔较窄的APD，但需要TEC制冷机和EML激光器
一般使用EML相对于DML意味着成本高，使用TEC和APD也会增加成本在5G预传输光电子器件的设计中，尽管面临巨大的成本挑战，但无论提出何种波长安排方案，都必须建立在保证光芯片和光模块性能指标的基础上，要考虑功耗，寿命和长期可靠性等因素
2.4低成本，模块化CWDM/LWDM O波段波分技术
为了减少色散对WDM系统的影响，简单的解决方案是工作在接近零色散的O波段区域，理论上可以增加传输距离。可是，当WDM工作点接近零色散时，有两个缺点:
第一个缺点是在这个区域中存在高的光纤损耗，从接收器灵敏度的角度来看，这将导致更小的传输距离目前较新的光纤在1550nm的衰减系数不高于0.18dB/km，在1310 nm的衰减系数不高于0.32dB/km假设两个波长的传输功率相同，衰减系数的增加将导致传输距离减少42.9%
第二个缺点是在零色散波长附近的光谱区，WDM复用多载波的能力会受到克尔效应引起的非线性的限制，它们会伴随着信号功率的增加而增加其中一种是四波混频，是指在满足相位匹配条件的情况下，多个不同波长的光波相互作用，产生其他波长的混频分量
目前市场上的CWDM和LWDM光模块如表1所示，已经成熟并大规模使用。
表1商用O波段CWDM/LWDM光模块的性能指标
基于成熟的商用更多波长的CWDM和LWDM光模块，以及前述创新的O波段光模块，结合前述无源WDM直驱技术，我们创新设计了25Gbit/s WDM系统方案和产品，均为无源，全彩色光，模块化CWDM/LWDM，灵活堆叠，多向级联汇聚，面向5G前向传输其工作原理如图6所示
该创新方案采用两端彩光模块，通过波分复用器复用多个波长传输，节省光纤资源，采用防水防潮设计，适应室外多场景安装，提供室外挂墙，室外抱杆，室内机架等多种设备形式此外，基于工作在O波段的CWDM光模块或工作在O波段的LWDM光模块，多模块堆叠可以通过模块化设计提供6波，12波，18波，24波等5G前向网络的超低成本无源WDM解决方案
图6基于CWDM/LWDM成熟模块的堆叠无源WDM创新方案
这种创新的系统设计思路，一方面采用标准化，模块化架构，设备可以低成本灵活配置，另一方面，共享数据中心商用的庞大而成熟的光模块产业链，可以通过PIN/APD，DML/EML，NRZ/PAM4，CWDM/LWDM，波片/AWG，PIC/PLC等实现。
2.5电信级高可靠半无源WDM OLP保护技术
在传统的有源WDM系统中，通常使用两条光缆，一条用于工作线路，另一条用于保护线路正常情况下，设备在工作线上工作一旦发生线路事故，如工作线路光纤断裂或性能下降，设备将通过OLP板自动切换到保护线路，保证业务部门的中断此外，该设备还具有对保护线路的实时监控功能当保护线断裂或性能下降时，设备也会及时监测，使其及时恢复原状因此，WDM设备的保护对象是光层上的传输线路，光线路保护由OLP板实现，提高了网络的生存性这是OLP保护与OCP和OMSP保护的本质区别
1+1 OLP
1:1 OLP
图7主动WDM系统的两种OLP保护切换模式
OLP保护主要分为两种:1+1保护模式和1:1保护模式它们的工作原理如图7所示
1+1 OLP保护主要采用双重传输和选择性接收的保护方式Tx端口的传输光功率按一定的分光比分配到T1和T2端口，然后沿主备光纤传输到对端接收端检测R1和R2的光功率，根据功率状态和设定的切换条件选择连接到Rx的工作信道切换不需要发送方和接收方相互传递APS自动保护切换协议的信息，所以切换时间快，稳定性好
1:1 OLP保护模式主要采用选择性传输和选择性接收保护模式在这种保护模式下，工作业务信号沿工作光纤传输，非工作光纤可以传输其他次要业务信号根据主用光纤和备用光纤的状态，两端的OLP设备同步选择工作在主用光纤或切换到备用光纤为了保证两端切换的有效性和可靠性，两端设备需要通过APS自动保护倒换协议信息协调保护倒换，所以倒换时间略慢
从上面的描述可以看出，无论是1+1 OLP还是1:1 OLP保护，两端的设备都必须处于主动工作状态可是，当这种设备要用于C—RAN的前传场景时，它们不得不面临在室外为天线侧的WDM设备供电的巨大压力，并且它们不能部署在野外
图8新WDM OLP保护机制处于半被动/半主动工作模式
为了提高可现场安装，低成本，模块化的无源WDM预传输系统的电信级高可靠性，创新性地设计了一种仅通过近端有源保护板即可实现的1+1 OLP半无源保护方案如图8所示，近端的本地侧采用主动保护板，而远端侧保持被动在本地办公室中，选择一条线路作为主线路，另一条线路作为备用线路远端采用并发接收的模式，光信号同时通过主备线路传输到对端，并发接收是根据接收到的两路信号的功率选择一路信号一旦主线光纤发生故障，导致通信质量下降，主线接收端检测到信号功率下降，自动将传输信号从主线切换到备用线
在保持远端被动的基础上，仅通过添加主动保护板来支持OLP 1+1保护基于LOS告警触发，无需信令交互，支持各通道收发功率监控功能，故障定位维护简单可根据应用场景选择OLP保护功能，支持热插拔，保护板取电方式灵活多样，支持SNMP，Web等图形界面管理，提供运营商级网络管理和保护功能，半被动保护方案可以实现低时延，纯物理传输，符合5G前向传输网络小时延要求的特点半被动保护方案成本低，有利于运营商的运维需求，可以实现全网可视化管理
3具有现场安装，模块化扩展和保护的半主动WDM的创新方案
针对传统有源波分方案无法现场安装，需要供电，传统无源波分方案没有任何保护措施等问题，我们提出了一种具有现场无源安装，CWDM/LWDM模块化扩展，5G前向传输WDM OLP保护等创新技术能力的半有源WDM方案这种创新的前向传输波分复用系统的工作原理如图9所示
图9半主动WDM创新方案的工作原理
为了降低成本，创新方案首次采用无中继放大，无DCM，无中间OADM跳线的设计思路，核心架构采用无源双星纯透明WDM直驱组网拓扑AAU侧采用无源设备和CWDM/LWDM色光模块，AAU侧无源复用器复用多个波长进行传输，节省光纤资源在DU侧，采用半主动全彩色光WDM装置，仅增加一块主动保护板，实现2.5节所述的半被动WDM OLP保护功能由于远端是纯无源器件，所以考虑到无源器件无电源，室外部署等低成本特点本地有源WDM设备有多种形式根据网络中的具体应用需求，单张主动WDM名片可以选择是否集成光保护功能局端主动保护板能够提供保护和自动切换机制，具有实时功率监控，主备路由自动切换，工作参数设置，远程网管控制等基本OAM管理功能它可以监控每个通道的接收和发射功率，并执行光层保护功能，支持前向传输网络的可管理性和运维
在保持端到端无源性和低成本的基础上，增加了主动网管和保护等辅助功能，可以保护重要基站，避免因光缆线路故障导致的基站离线，保证本地设备在断电情况下仍不影响业务运行。
远程无源WDM设备的部署不需要电源和房间空间，部署位置可以灵活选择支持机架式，杆式，壁挂式安装，可以安装在AAU附近解决单站业务，也可以安装在二级光纤分支点汇聚多站汇聚业务该应用模式是运营商前向传输网络建设面临的典型应用场景，可以有效解决光缆资源紧张问题，快速部署5G基站，快速部署汇聚机房周边站点，使现有4G站点与新增5G站点共享一芯光缆资源
无源色光双星结构，受限于色光模块的接收灵敏度，适用于10km内光纤到基站双路由的应用场景远端无源，本端有源的半有源WDM方案最大的优点是保持了远端WDM设备的无源特性，可以获得无源系统的成本优势，同时解决线路保护问题
除了有源保护板，两端都是无源全彩光，非常方便部署和维护，同时满足高可靠性，大大降低5G建设的综合成本既能极大缓解光纤资源压力，又能兼顾成本，管理和保护优势，帮助运营商部署低成本，高带宽，快速部署的5G前向网络
o波段半主动WDM方案可以提供对前向网络设备的统一控制，有利于无线和传输对维护接口管理域的划分，以及无线设备和光模块的解耦。
4结束语
日前，中国移动发布《中国移动2022—2023年基站预发射设备集中采购_中标候选人公告》这应该是5G前传迄今为止最大的一次投标，18万套CWDM设备的高需求结果10家设备商中标作为CWDM迄今为止最大的一次招标，这一价格再创新低，10家厂商均价仅为2.1亿元，单台设备单价约为1220元创下新的低价中国电信集团2020年4月采购时，单台设备单价约为2350元两年时间，价格下降了一半虽然价格激烈，但从中标结果来看，业内几家5G前传厂商基本都入围了
从近几年各大运营商的实际前传采购项目可以看出，低价的O波段波分产品占据了绝大多数的市场份额首先，基于这种主流的前向WDM方案，在保持两端无源的前提下，针对特殊场景下线路保护功能的需求，提出了一种低成本的O波段半无源/半有源前向WDM创新方案，具有新的OLP保护在多次应用试验中，使用了一对12波长CWDM无源器件，使用了全彩色光25Gbit/s高速模块，配置了创新的半无源1+1 OLP保护板，典型插入损耗为2.0dB，模拟了光纤断裂，信号丢失，断电等各种故障下的保护倒换操作从应用结果来看，网络出现故障时，完全不会影响5G业务性能，测试性能指标符合实际要求，系统性能稳定可靠由于该设备方案除保护板外，其他设备均采用全彩无源光，在现场停电的极端情况下，业务不受影响，受到客户好评实际应用表明，这一创新方案不仅充分利用了现有光纤资源，而且大大降低了网络部署成本和运维难度，加快了5G网络部署的建设速度
远端半被动，近端半主动，可现场安装，受保护，模块化，全彩WDM前传应用方案，业内创新！它使远端变被动，只有局端的保护板是主动的具有OLP保护能力，实现了网络管理，节省了远端电费，解决了远端供电难的问题因此，它是5G预传输网络建设的一种创新和低成本的解决方案
参考资料:
徐荣，邓春生全无源和受保护O波段CWDM 5G前传创新方案电信工程技术与标准化，2019
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