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2020/7/8 23:19

全無源有保護的O-Band CWDM型5G前傳創新方案

移動Labs  徐榮 鄧春勝

Labs 導讀

對低成本O-Band高速彩光光模塊、全無源/全彩光的WDM雙星形結構設計、遠端無源而僅在局端增加有源保護板來實現OLP保護的新機制進行了研究。提出的創新WDM前傳設備及產品方案具有可野外安裝、可靈活部署、低成本、高可靠性等技術優勢。

1 5G前傳面臨光纖資源快速耗盡的窘境

根據3GPP 5G RAN功能切分,5G重構為AAU、DU和CU多級架構,與此相對應的傳送網的網絡部署可分為前傳、中傳和回傳。圍繞5G新無線技術的普及使用,對前傳網最本質的需求已明確為大粒度25Gbit/s的高速高效直連透傳。

5G前傳網絡主要有分布式無線接入網(D-RAN)和集中式無線接入網(C-RAN)兩種部署模式,D-RAN模式就是傳統的一體化基站的部署模型,而其中新型的C-RAN又可細分為C-RAN小集中和C-RAN大集中兩種部署模式。

4G相比,5G所使用的頻率更高,單基站覆蓋范圍較4G小很多,這意味著5G網絡要達到與4G網絡相同的覆蓋能力就需要更多的基站以更密集的方式進行覆蓋。如果大量密集的基站直接使用光纖直連來解決覆蓋問題,那么就需要耗費大量的光纖纖芯資源和管孔/管道的敷設資源。

5G基站接入光纜的一個非常普通的綜合業務接入區的組網情況如圖1所示,一個綜合業務接入區常規情況下包含2個匯聚機房,4~6個一級分纖點,6個以上二級分纖點。當綜合業務接入區光纜充足、AAU和基站距離較近時,都可使用光纖直連的方式,這樣可以利舊綜合業務接入區光纜資源,接入方式可就近接入二級分纖點連接DU;或者就近接入二級分纖點,再經過聯絡光纜(配線/主干光纜)連接DU。而當已有光纜資源不能滿足需求時,就需要通過新建光纜方式來連接DU。

圖1 綜合1.業務接入區5G接入模型

可見,5G發展及C-RAN部署模式對于主配線光纜的最大沖擊是纖芯資源消耗巨大。一般情況下,對于4G/5G基站業務,每個BBU有3個扇區,每個扇區分D頻段和F頻段,其中D頻段設置3個載波,F頻段設置1個載波,采用單纖雙向光模塊和D頻IR壓縮技術后,每個基站點需占用1×3×3=9根纖芯。若一個機房內部署10個BBU,則需要預留90根纖芯。對于室內分布和集客專線、家庭寬帶業務,假設1個C-RAN區內有2個微網格,每個微網格內有3000戶,通過測算1個C-RAN區內需要120根纖芯。

若4G基站實行RRU-BBU雙路由保護機制,5G基站不實行雙路由保護機制,則配線光纜纖芯需求為8×9×1+2×9×2+120=228芯,若5G也采用雙路由保護,配線纖芯就需要348芯。這樣一來,配線光纜就需要布放288芯以上的光纜,主干光纜就需要采用432芯以上的光纜了。在考慮到并非所有路由都需要保護的情況下,主干光纜均采用288芯光纜,圍繞1~2個綜合業務機房進行建設,覆蓋2~3個C-RAN區。若主干光纜采用432芯光纜,可覆蓋3~4個C-RAN區。

從以上分析可以看出,5G前傳網絡建設對光纜資源的挑戰巨大。另外,針對C-RAN大集中的應用場景,如果仍采用光纖直連,傳輸距離也成為無法逃避的大問題,因此,為降低光纜建設成本,節省光纖消耗,就必須使用波分復用(WDM)設備來解決前傳長距離傳輸和光纖耗盡問題。

2 全無源O-Band CWDM的創新技術

2.1 低成本的O-Band CWDM彩光光模塊

前傳網除了光纖以外,還需要使用CPRI/eCPRI接口的光模塊或光設備。由于5G前傳是室外應用,因此需要可以野外安裝的工業級(-40°C~85°C)光模塊。目前為實現更寬溫度范圍的光模塊技術方案主要有:(1)商業級(0~70°C)25Gbit/s直調(DML)芯片+帶制冷封裝方式,優點是對激光器芯片要求低,缺點是增加了功耗與成本;(2)直接采用工業級的25Gbit/s DML芯片,優點是封裝簡單、功耗成本低,缺點是工業級激光器芯片工藝實現困難(如摻鋁量子阱材料生長)。

針對25Gbit/s的高速光模塊,各主流器件和光模塊廠家都在嘗試基于10G波特率的DML(直接調制激光器)工溫芯片,以超頻方式來低成本地實現25Gbit/s的高速收發光模塊。其基本思路都是利用更復雜的電調制解調技術來降低模塊對激光器物理帶寬的要求或減少激光器的使用數量來降低成本的。一種方法就是利用PAM-4(四電平脈沖幅度調制)技術實現1個周期傳輸2bit信息,相對于NRZ(非歸零碼)的1個周期傳輸1bit信息來說倍頻了一倍。另外就是使用更高階的調制技術或多種調制技術混合使用,例如華為采用離散調音技術(DMT)來實現單波100Gbit/s 的光模塊。

目前市場上可成熟規模使用的、符合O-band CWDM中心波長分配表(如表1)要求的前6個波的25Gbit/s光模塊最新的市場價格已降低到400元/個的水平,而同樣速率的工作于C-band的光模塊價格卻仍在3000元/個以上,由此可見使用O-band CWDM光模塊構建的波分系統的成本優勢是非常明顯的。

如表1所示,我們創新設計的全無源、有保護的O-band CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)型5G前傳產品,就采用CWDM在O-band的前6個工作波長的彩光光模塊,并以這6個波長為單位進行堆疊,通過模塊化設計,可以提供超低成本的6波、12波、18波、24波等5G前傳網光模塊解決方案。

表1  O-band CWDM的中心波長分配

采用標準化、模塊化架構,使得設備可實現低成本靈活配置,例如實現一個基站一根光纖的前傳多方向匯聚。這種配置模式完全匹配5G前傳需要(S111配置需要6個光方向收發),能夠以6波為單位將分散在多個基站位置點的高速光連接在綜合業務接入點進行多方向的大匯聚、大集中,是構造C-RAN大集中的最佳方案。

另一方面,可以共享在數據中心商用規模巨大的、成熟的光模塊產業鏈,可以通過PIN/APD(光電二極管/雪崩二極管)、DML/EML(直接調制激光器/電吸收調制激光器)、NRZ/PAM4(非歸零碼/脈沖幅度4電平調制)、CWDM/LWDM(粗波分復用/局域網波分復用)、波片/AWG(陣列波導光柵)、PIC/PLC(光子集成電路/平面波導電路)、BiDi/非BiDi(單纖雙向)、灰光/彩光、室內/室外等標準光模塊的靈活選擇配置,來滿足各種速率、各種傳輸距離和各種線路功率預算的指標要求。

2.2兩端全無源的低成本雙星形WDM架構

5G前傳的高速光纖連接需求讓運營商普遍面臨接入光纜匱乏的痛點,而已在干線和核心網絡廣泛使用的波分復用(WDM)系統能夠在單根光纖上就可非常簡單地提供40波,甚至多達96波的波長通道。因此我們完全可以順理成章地將WDM技術引入到前傳網中,讓WDM為前傳網,簡單、快速地提供大量波長通道(相當于提供了大量的虛擬光纖),這樣就可以大大節約前傳網的接入光纖使用量,解決運營商接入光纖匱乏的痛點問題。

針對光纖直驅需要消耗大量光纖資源的問題,我們提出了面向5G前傳的低成本的新型波分復用(WDM)設備的原理架構如圖2所示。為了降低成本,該創新方案首先采用無中繼放大、無DCM(色散補償模塊)、無中間OADM(光分插復用器)跳接的設計思路,核心架構采用兩端全無源的雙星型組網拓撲。

圖2 兩端全無源的雙星形純透傳直連的WDM直驅結構

在兩端全無源的雙星形波分復用(WDM)方案中,在AAU一側直接采用彩光模塊( 6/12/18波)和無源合分波器件,無源合分波器不需要帶電工作,完全可以部署在野外的分纖箱、接頭盒、光交箱等處。在基帶站點DU側,也全部采用彩光模塊,由無源合分波器進行波長復用/解復用,實現AAU到DU對應波長的連接。

該方案的突出特點就是在線路側只需一根工作纖芯,對主干光纖資源消耗極低;而且遠端系統無需供電,具備室外部署能力?梢詫崿F點到點、環網、星型和鏈型等多種組網場景需求。但該方案有一個麻煩點就是每個匯聚方向所使用的波長必須要按固定順序排列,兩端所使用的光模塊是一一對應的,因此需要全WDM系統統一規劃。

前傳WDM雙星形直驅設備是典型的點對點的拓撲結構,它去除掉了ONU(光網絡單元)設備和OLT(光線路終端)設備,也讓OTN(光傳送網)、PTN(分組傳送網)、SPN(切片分組網)等設備的電層處理成為多余。

WDM雙星形結構的上下行傳輸均使用獨立的、不同顏色的透明波長通道,不需要進行任何專門的MAC層協議處理,通道之間不需要帶寬的動態分配,故系統的復雜度大大降低,傳輸效率也得到了大幅提高。在提供更高帶寬的高速直連通道的同時,傳輸時延也是所有前傳方案中最低的。

兩端全無源的彩光前傳波分系統可以實現免連線、免規劃和免維護。使用簡單可靠的低成本無源系統來解決點對點傳輸,減少了大量的有源設備,避免了由于OTDR等有源設備的高插入損耗對光纖線路等的測量限制,因此可以免去復雜繁瑣的運維管理,真正實現免維護和免管理的省心服務。

2.3能保持遠端無源的OLP保護機制創新

在傳統的不使用OTN幀結構的有源WDM系統中,為了應對風險實現自愈能力,一般通過OLP(Optical Line Protection,光線路保護)功能,在工作線路失效時將工作線路自動切換到保護線路(光纜)上,以保證業務不發生中斷,如圖3所示。

OLP保護主要分為兩種類型:1+1保護方式和1:1保護方式。OLP 1+1保護主要是采用雙發選收的保護方式,因此倒換時間快、穩定性好;1:1的OLP保護方式主要是采用選發選收的保護方式,需要在兩端交互APS自動保護倒換協議信息來協調系統兩端的保護倒換動作,因此倒換時間稍慢。從上面的論述我們不難發現,這兩種OLP模式都必須要求兩端設備是有源的。那么,如果我們想要把這種OLP保護手段用于前傳網絡就要面臨必須在室外的天線一側給WDM設備提供電源的巨大壓力,這也同時說明傳統的具有OLP功能的有源型WDM設備是無法在野外部署的。

圖3 有源WDM系統的OLP保護倒換方式

針對傳統的有源波分方案需要供電而無法野外安裝的問題,以及傳統的純無源波分方案不具有任何的保護措施這樣的不足,我們創新性地提出了面向5G前傳的可在保持遠端無源特性的情況下,僅僅通過局端增加有源保護板卡即可實現端到端全彩光OLP保護功能的新機制。如圖4所示,局端側采用有源保護板卡,遠端側仍保持為無源狀態,除了有源保護板外兩端是全無源全彩光的,這樣非常便于部署和維護,同時滿足高可靠性,大大降低5G建設的綜合成本。既能極大程度緩解光纖資源的壓力,又能兼顧成本、管理和保護優勢,助力運營商低成本、高帶寬和快部署5G前傳網。

圖4 全無源、全彩光、帶保護的O-band CWDM前傳設備工作原理

面向5G前傳全新設計的創新型O-band CWDM前傳傳輸系統的保護方案是一種全新的OLP保護機制。如圖4所示,在局端使用選發選收。在遠端使用并發并收的模式,發送光信號經過主、備用線路同時傳輸到對端,而并收是根據接收到的兩路信號的功率,選擇接收一路信號。一旦主用線路的光纖發生故障造成通信質量下降時,主用線路的接收端檢測到信號的功率下降或失效后,自動將傳輸信號從主用線路切換到備用線路。該方案最大的優勢就是保持了遠端波分復用設備的無源特征,在獲得無源系統的成本優勢的同時又解決了光層的線路保護問題。

該創新方案在保持系統端到端無源的基礎上,僅通過增加有源保護板就可支持OLP 保護功能;基于LOS告警觸發,無需信令交互,支持對各通道的收發光功率的監測功能,易于故障定位與維護;OLP保護功能支持熱插拔,可根據應用場景選配;保護板取電方式靈活多樣;支持SNMP、Web等多種圖形化界面管理,提供電信級網絡管理與保護功能;全無源保護方案可以實現低時延,純物理傳輸,符合5G前傳網對時延要求小的特性。全無源保護方案造價低,有利于運營商運維要求,對全網可以實現可視化管理。

3 O-band CWDM帶OLP保護的前傳設備應用方案

為了減少在CU/DU成規模大集中的C-RAN模型組網情況下,一旦發生光纜中斷的情況,將會很大范圍地影響到下連的AAU站點的正常工作,同時為了提升5G面向自動駕駛、企業應用等綜合業務網絡的高可靠性,采用本文提出的全無源、全彩光、帶保護的前傳WDM創新方案就可提供基于在物理上隔離的不同光纜路由的光層OLP保護功能,保護倒換時間小于20ms,大大地提升了前傳網絡的可靠性;遠端系統無需供電,具備室外部署能力;可以實現點到點、環網、星型、鏈型等多種組網需求,適用于以下業務場景:

(1)在綜合業務接入區光纜緊張、基站需通過多段主干配線光纜連接AAU、且AAU和基站距離較遠時。

(2)在光纖資源匱乏地區,無管道資源,無條件新敷設光纖。

(3)受工期限制較大時,可作為應急方案臨時解決光纖問題。

(4)要求提升5G前傳網絡的可靠性、可管理性和可運維性的環境。

圖5  全彩光帶保護的WDM前傳設備的雙路由保護典型應用該方案在實際組網中的保護應用場景如圖5所示,采用全無源、全彩光、帶保護的前傳WDM創新方案進行簡單雙星型組網;AAU側采用無源WDM設備和彩光模塊,AAU側無源合分波器復用多個波長進行WDM傳輸以節省光纖資源;局端BBU&DU側部署OLP有源保護板卡,提供保護和監控的高可靠性能力。

該系統的WDM設備采用模塊化架構,支持所有功能單元熱插拔,利于局端靈活部署及后期擴容需求;通過有源OLP保護板卡實現對各通道的收發光功率的監測功能和光層保護功能,實現前傳網絡的可管理性和可運維性。

4 小結

由于光纖直驅方案對光纜纖芯消耗巨大,面臨光纜資源緊張、纖芯資源不足、新建光纜施工困難(市政協調、施工周期)、單機房覆蓋區域增大,網絡風險性增加等問題。同時,傳統的無源WDM波分系統雖然無需供電,還省去了不必要的電層協議處理,可以低成本、迅速、大量虛擬出幾十個波長的光通道,但其被廣泛詬病的最大問題是不具有線路保護和監控能力。再者,傳統的有源WDM波分系統雖然可實現電信級保護倒換及維護管理,但端到端都需要供電,需要在機房內部署。有鑒于此,本文按照既保持無源波分的低成本特性又克服其不具有保護能力的研發思路,創新性地提出了低成本的全彩光全無源O-band CWDM系統及半無源OLP保護創新方案,無疑會為5G前傳網建設帶來更加優化的技術方案和設備產品選擇。

參考文獻:

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[4] 徐榮,沙慧軍,陸慶杭,龔倩. 100G超寬帶技術與測試[M],北京:人民郵電出版社,2013.

[5] 龔倩,張晟,孫學瑞,曹鵬. 軟件定義分組光傳送網[M],北京:人民郵電出版社,2015.

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寫得不太好

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