5G前传那些事

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5G时代的前传承载鸭梨山大。一方面，5G NR大带宽和Massive MIMO技术引入令5G前传容量成倍增长；另一方面，5G采用CU/DU集中式部署的C-RAN架构，需通过前传网络连接多个AAU。

这意味着，如果采用传统的光纤直连方案，5G前传网络将需要大量的光纤，不但部署成本高，且后期运维复杂。因此，5G时代需探索创新前传承载方案。

5G时代的前传方案

5G时代的前传方案主要有：光纤直连、无源WDM、半有源WDM和有源WDM。

  光纤直连  

即DU池与每个AAU之间直接采用光纤点到点组网，AAU和DU分别采用25Gbps灰光模块。光纤直连方案实现简单，但最大的问题是光纤资源占用很多。

对于传统带三个扇区的单个宏站，在100MHz频谱带宽+64T64R配置下需要三个25Gbit/s eCPRI接口，6对25G光模块，6根光纤（上下行各三根）；对于中国移动160MHz的5G频谱和电信联通的200MHz共享5G频谱，25G前传接口数量需再翻倍。而在C-RAN组网架构下，一个DU若带几十个AAU，那就需要几百根光纤了。即使采用BiDi单纤双向解决方案，可以节省一半的光纤资源，但在C-RAN架构下，尤其是DU大集中场景下，仍然需要消耗大量的光纤资源。这对网络部署效率、部署成本和后期网络维护工作提出了严峻的考验，因此光纤直连方案基本不适合5G时代。

  无源WDM  

为了节省光纤资源，业界提出了WDM（波分复用）方案，即将不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送，发送端通过合波器将不同波长的光信号复用到一根光纤中传送，接收端的分波器反之。WDM又主要分为无源WDM和有源WDM。

无源WDM主要由无源合分波器和彩光模块组成，DU和AAU设备采用固定波长的彩光模块，DU前段和AAU站点上分别配置无源合分波器来完成WDM功能，从而利用一根或一对光纤实现多个AAU和DU之间的连接。

无源WDM的优点：1）由于没有负责波长转换的有源设备，设备成本较低，且无需电源供电；2）无源WDM对前传业务进行透传处理，几乎没有处理时延（不包括传输时延），可最大限度的支持DU和AAU之间的传输距离，无需与基站设备进行互操作测试。

无源WDM的缺点：1）由于采用固定波长的彩光模块，每个AAU使用不同的波长，会增加前期波长规划与管理的工作量，为此，业界提出了支持多个波长自动配置的可调谐彩光模块技术，但目前存在成本较高的问题；2）缺少OAM机制和保护机制，运维管理较困难。

  有源WDM  

有源WDM也采用无源WDM中使用的无源组件，但与无源WDM不同的是，它增加了光波长转换单元等有源组件，在AAU站点和DU机房配置了有源WDM/OTN设备，来完成非特定波长与特定波长之间的光波长转换，再通过彩光接口和无源合分波器在多个AAU和DU之间实现单根光纤复用不同波长的光信号。

有源WDM的优点：1）拥有完善的OAM管理、性能监控、故障诊断等功能，提供保护和链路自动倒换机制；2）由于AAU侧采用灰光模块，无需复杂的波长规划和管理；3）相比无源WDM，组网方式更自由，支持点对点和环状组网。

有源WDM的缺点：1）有源WDM/OTN设备成本相对较高；2）有源WDM需电源供电才能运行，在AAU侧部署时可能会受限于站址空间、远端供电等问题；3）有源组件可能会带来处理时延和抖动。

  半有源WDM  

顾名思义，半有源WDM综合了上面两种方案的特点，旨在兼顾两者的优点，在DU侧采用有源WDM设备，在AAU侧采用彩光模块和无源WDM设备。

5G前传WDM技术

我们先来聊聊光通信的工作波段，如下图所示，其位于近红外区域，波长范围为1000-1675nm，主要分为T波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段。

其中，由于不同波段传输损耗和色散代价不同，T波段、E波段和U波段传输损耗大，难以实现远距离传输，尚未投入实际使用，当前光通信系统研究和产品主要集中在O波段、S波段、C波段和L波段。

对于5G前传，考虑到其色散问题和成本等因素，有CWDM、LWDM、MWDM、DWDM等几种技术方案，主要占用C波段和O波段。

  CWDM  

ITU-T G.694.2标准为CWDM在1271-1611nm波长范围内定义了18个可用波长，包括O波段、E波段、S波段、C波段和L波段，间隔为20nm。但综合考虑色散、产业成熟度、成本等因素，目前比较成熟的5G前传方案主要采用1271、1291、1311、1331、1351、1371这6个波长，前5波属于O波段，第6波属于E波段。业界通常称为前6波。

如果采用6个波长，意味着5G NR 200MHz带宽下，一个带三扇区的5G站点需两根光纤连接DU与AAU，因此需扩展到12个波长，即增加1471、1491、1511、1531、1551、1571这6个波长，业界通常称为后6波。

不过，由于前6波的色散代价较低，只需低成本的DML激光器和PIN接收器，就可满足链路功率预算需求；而后6波由于色散代价较高，需在发端采用成本较高的EML激光器，在收端采用性能更好、接收灵敏度更高的APD管，来补偿色散代价，成本更高，也需要成熟的产业链支持。

DML（Directly Modulated Laser，直接调制器激光器），EML（Electlro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器），是光模块的两种调制方式，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通过外调制器改变通光的比例来得到不同强度的光，经过激光器的是恒定的电流。PIN及APD管指的光模块ROSA接收端的二极管。

  DWDM  

如上所述，WDM将不同波长的光信号复用到一根光纤中传输，可使用的波长越多，一根光纤上可承载的信号也就越多。为了使用更多的波长，需要将某个波段划分为更窄的波长间隔。波长间隔越窄，一根光纤上可承载的信号越多，但对滤光、复用/解复用等光器件要求越精密，成本更高；反之亦然。

DWDM的波长间隔远小于CWDM，减小到0.8nm或更小，波长范围为1525-1565nm（C波段）和1570-1610nm （L波段），波长数量达40、80或更多，不仅具备波长资源丰富、带宽和容量大的优势，还可通过放大器进行长距离传输，通常应用于长途大容量通信、核心网、骨干网、城域网等场景。

5G前传场景中，DWDM可采用具备端口波长无关、波长自适配能力的波长可调谐光模块方案，可降低波长规划和管理复杂度，提高业务开通效率。但由于DWDM波长处于色散代价较高的区域，激光器仅能使用EML激光器方案，成本较高。同时，需要低成本的可调谐光模块。

  LWDM  

LWDM的全称是LAN-WDM，波长间隔约4.4nm（800GHz），划分了8个标准波长，包括前4波：1295.56nm、1300.05nm,、1304.58nm、1309.14nm，后4波：1273.54nm、1277.89nm、1282.26nm、1282.66nm。为了扩展到12波，在8个标准波长的基础上新增了4个波长：1269.23nm、1332.41.nm、1313.73nm、1291.10nm，一共形成12个波长。

LWDM用O波段，波长间隔更紧密，色散代价低，成本适中，8个标准波长产业链较为成熟，但要扩展到12波，仍然需要产业链上下游大力支持。

由于光模块激光器的波长会随着温度产业漂移，对于波长间隔为20nm的CWDM，有足够的隔离度，不需要专门的TEC温控，但不管是DWDM还是LWDM，由于波长间隔较小，都需要TEC温控，因此CWDM相比DWDM和LWDM在这方面更具成本优势。

  MWDM  

MWDM属于波长创新方案，其重用了CWDM的前6波，利用激光器波长随温度发生偏移的特性，采用温度调谐将前6波左右各偏移3.5nm扩展到12个波长，从而可实现在5G NR 160M/200M带宽下一站一芯就可满足5G前传需求。

MWDM可重用CWDM前6波产业链成熟的DML激光器设计，利于控制成本，但相比CWDM，MWDM需增加TEC温控来控制波长漂移。另外，MWDM的后4波因色散代价较高，需APD管来补偿色散代价，这意味着比前8波采用PIN接收器的成本更高。