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技術
2020/11/13 17:45

無源WDM技術在5G前傳中的應用

移動Labs  丁為民 黃梅蓀

Labs 導讀

無源WDM技術是現階段5G前傳采用的主要技術,由于5G前傳的速度高達25G,色散成為影響5G前傳的主要因素。介紹了無源WDM前傳方案的技術原理和常用模型的波長分配,通過對光模塊的發送和色散代價(TDP)指標的研究,分析了TDP的各影響因素及其對5G前傳的影響,最后結合光纖鏈路傳輸指標要求,提出了無源WDM技術在5G前傳中的部署建議。

一、引言

5G前傳是指5G無線接入網中DU(分布單元)和AAU(有源天線單元)之間的傳輸。當前,5G前傳方案主要包括:光纖直驅、無源WDM、半有源WDM和有源WDM等。

在各種前傳方案中,由于光纖直驅方案需要消耗大量的纖芯資源,而新建光纜需要一定的時間周期,還會受到管道和桿路資源的限制;半有源WDM方案當前尚不成熟;有源WDM方案成本太高;而無源WDM方案憑借占用光纜纖芯少、價格低廉、可快速部署等優點,已成為現階段5G前傳采用的主要方案。

二、無源WDM前傳方案簡介

2.1 無源WDM前傳方案的技術原理

無源WDM采用波分復用技術,用無源的MUX/DEMUX(復用/解復用器)將多路光信號采用不同的波長合路到一根光纖中傳輸。例如,通常一個5G宏站共3個AAU,DU至AAU的收發端口數共6個,在DU側和AAU側各采用1個6路的MUX/DEMUX就可以將DU和AAU間的收發信號合路到一根光纖中傳輸,如圖1所示。

圖1 無源WDM前傳方案技術原理

由于MUX/DEMUX是無源器件,故各業務端口需采用不同發送波長的光模塊,即彩光模塊。無源WDM系統包括MUX/DEMUX和彩光模塊2部分。由于DU和AAU設備通常已配置特定波長(一般為1310nm)的光模塊,使用時需將DU、AAU既有特定波長的光模塊(又稱灰光模塊)替換成相同速率的彩光模塊。

無源WDM前傳方案常用的組網結構分為雙星型(見圖1)和總線型(見圖2)兩種。雙星型組網結構主要應用于5G宏站的前傳場景,總線型主要應用于高速公路、高鐵、隧道等場景。

圖2 無源WDM的總線型組網結構

2.2 無源WDM前傳方案的系統模型

基于成本的考慮,無源WDM一般采用CWDM(粗波分)技術。CWDM共支持18個波長,5G前傳常用的模型為6合1(即1根光纖傳輸6個波長)和12合1,各模型使用的波長如表1所示。

表1 無源WDM常用模型的波長分配表

5G前傳雖然可使用18合1模型,但首先由于18合1模型使用的光模塊型號較多,會增加維護難度;另外,在少數使用G.652B光纖的接入網中,還會受光纖E波段衰耗水峰的影響,故不建議使用。

為了避開G.652B光纖E波段衰耗水峰的影響,12合1模型的波長分為前6波(1271nm~1371nm)和后6波(1471nm~1571nm),6合1模型則使用前6波。

三、色散對5G前傳的影響

3.1 光模塊的發送和色散代價(TDP)

色散是指光信號(脈沖)的不同頻率成份以不同的速度傳播,到達一定距離后由于脈沖展寬而產生的信號失真現象。色散對傳輸的影響可通過光模塊的TDP(Transmitter Dispersion Penalty,發送和色散代價)參數來體現。

TDP參數反應信號經光模塊調制和光纖傳輸后因色散導致信號劣化的程度。實際測試中,通過標準接收模塊靈敏度的劣化程度來衡量。TDP就是以下兩種情況下的靈敏度的差值(TDP = S2 - S1):

(1)理想參考發射機的標準靈敏度S1;

(2)被測發射機+規定長度光鏈路情況下的靈敏度S2。

3.2 5G前傳彩光模塊的TDP指標

5G前傳彩光模塊的TDP指標和光模塊采用的調制方式有關,光模塊按調制方式主要分為DML(Directly Modulated Laser,直接調制激光器)和EML(Electlro-absorption Modulated Laser,電吸收調制激光器)兩種。

DML通過直接控制通過激光器的電流來發出不同強度的光。EML經過激光器的是恒定的電流,通過外調制器改變通光的比例來得到不同強度的光,包括光源(激光器)和調制器兩部分。直接調制時,激光器始終工作在不穩定的狀態,有很多非線性的效應會影響到輸出的質量,所以,DML一般用于低速率和短距離的通信系統。長距離、高速度的通信系統一般使用EML。

此外,5G前傳彩光模塊(傳輸速率為25G)的TDP指標還與激光器的中心波長、標稱傳輸長度有關,標稱傳輸長度10km的彩光模塊TDP參考值見表2。

表2 25G彩光模塊(10km)的TDP參考值

受色散的限制,DML只能用于前6波。EML雖然TDP較小,但成本要比DML高得多,所以,5G前傳主要采用DML。而4G前傳(傳輸速率為10G)受色散的影響較小,對于12合1模型,可用前6波開通5G前傳、后6波開通4G前傳。

3.3 環境溫度對TDP的影響

當5G前傳的彩光模塊工作在高溫環境時,TDP會明顯增大,波長越長的彩光模塊,TDP受高溫的影響越明顯。當環境溫度超過70℃時,波長為1351nm和1371nm的光模塊,TDP相對于常溫(15℃~35℃)的增加值甚至高達2~3dB。

為減少高溫對TDP的影響,可將前6波中短波長的光模塊用于AAU側,長波長的光模塊用于DU側,如圖3所示。

圖3 5G前傳中無源WDM的波長分配

光模塊的工作溫度分為商業級:0~+70(℃)和工業級:-40~+85(℃)。由于AAU通常安裝在戶外,對前傳光模塊的工作溫度范圍要求較為嚴格,所以,用于AAU側光模塊的溫度特性應滿足工業級要求。而DU通常安裝在機房內,用于DU側光模塊的溫度特性滿足商業級要求即可。

四、光纖鏈路傳輸指標

4.1 光纖鏈路全程衰耗

從DU至AAU的光纖鏈路全程衰耗包括:光纖及熔接衰減、活動連接衰耗和MUX/DEMUX插損,光纖鏈路的全程衰耗可按表3計算。

表3 5G前傳光纖鏈路全程衰耗計算表

5G前傳光纖鏈路的傳輸參考模型如圖4所示。以光纖鏈路長度10.0km、光纖鏈路中的活動連接數7個計算,系統的全程鏈路衰耗最大為10.5dB。

圖4 5G前傳中光纖鏈路的傳輸參考模型

4.2 系統光功率預算

系統光功率預算主要由光模塊的光功率參數決定,為“最小OMA發送光功率”-“最大發送和色散的代價(TDP)”-“最大OMA接收靈敏度”。5G前傳彩光模塊(10km)的主要光功率指標和光功率預算可參考表4。

表4 5G前傳彩光模塊(10km)的主要光功率指標和光功率預算(注)

系統的光功率預算應大于光纖鏈路全程衰耗并預留2~3dB的維護余量。從表4的“光功率預算”值可以看出,標稱傳輸長度10km的彩光模塊并不能滿足實際場景下10km光纖鏈路的衰耗指標要求。根據系統的光功率預算和表3可測算出,在預留2dB維護余量時,彩光光模塊(10km)在圖4的傳輸模型下理想傳輸距離不超過6.3km。

五、結論和建議

綜上所述,由于5G前傳的速率較高,采用無源WDM方案時系統會產生較大的TDP,因此,在工程實施中建議采取以下措施:

(1)系統模型應以6合1和12合1為主,不宜采用18合1。

(2)5G前傳彩光模塊應采用DML調制方式,并采用前6波。如果只解決5G基站的前傳,宜采用6合1系統;由于5G站大多與4G站共址,可采用12合1系統,前6波傳5G、后6波傳4G;如果一個物理站需要同時解決5G和4G 3d-mimo(速率為24.33Gbps)的前傳,建議使用2套6合1系統,距離較短時,也可使用1套12合1系統。

(3)AAU側應采用工業級光模塊,光模塊波長宜采用1271nm、1291nm、1311nm波長,; DU側應采用商業級光模塊,光模塊波長宜采用1331nm、1351nm、1371nm波長,。

(4)常用彩光光模塊(10km)在典型場景下的理想傳輸距離為6.3km,超過這一距離時,建議采用光功率預算更大的彩光模塊(15km)。

參考文獻

[1] 丁為民,陳一偉,等.面向C-RAN的5G前傳方案研究 [J].電信工程技術與標準化,2019(07).

[2] YD/T 1351-2018 粗波分復用光收發合一模塊[S].北京:中華人民共和國工業和信息化部,2018.

[3] 黃樂天,鄧春勝.一種用于5G前傳的半有源波分復用方案[J].電信工程技術與標準化,2020(01).

[4] 吳健雄, 陳鑾雄.無源波分復用設備在5G前傳中的應用場景研究[J].電信工程技術與標準化, 2020(01).

Application of passive WDM technology in 5G forward transmission

[Abstract]: Passive WDM technology is the main technology used in 5G forward transmission at this stage. As the speed of 5G forward transmission is as high as 25G, dispersion becomes the main factor affecting. This paper introduces the technical principle of passive WDM in forward transmission and its wavelength assignment in common models. It studies the Transmitter Dispersion Penalty (TDP) index of optical module and analyzes its influence in 5G forward transmission. Finally, it analyses the transmission index of optical fiber link and proposes the suggestions of passive WDM technology in 5G forward transmission.

[Keywords]: Passive WDM , 5G, Forward transmission, TDP(Transmitter Dispersion Penalty)

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