可調(diào)諧激光器及單纖雙向波分DWDM系統(tǒng)在C-RAN中的應用

舒華德，林右宇，曾姍姍，李 儆（菲尼薩光電通訊（上海）有限公司，上海201201）

0 前言

隨著移動網(wǎng)絡帶寬需求的爆發(fā)式增長，為了提高無線網(wǎng)的覆蓋能力，以及降低建設維護成本，C-RAN越來越多地得以在現(xiàn)網(wǎng)中部署。在C-RAN的部署中，為了提升CoMP 情況下的無線帶寬利用率，對BBU 采取進一步的集中放置，導致與BBU相連的RRU數(shù)目進一步增加，這些都會對前傳網(wǎng)的架構(gòu)產(chǎn)生深遠影響。白光直驅(qū)以及級聯(lián)白光直驅(qū)等方案，通過增加光纖數(shù)目來實現(xiàn)前傳網(wǎng)帶寬的提升需求；彩光直驅(qū)以及OTN/WDM等方案則采用多波長技術(shù)，進一步提升前傳網(wǎng)的帶寬?；诖笕萘慷嗖ㄩL的靈活可擴展的網(wǎng)絡架構(gòu)，可以更好地適應移動數(shù)據(jù)業(yè)務增長的長期需求，而單纖雙向的DWDM系統(tǒng)，則可以進一步降低光纖資源的消耗，有望成為未來前傳網(wǎng)絡的架構(gòu)選擇。

應用于上述DWDM系統(tǒng)的多波長光源，可以基于固定波長激光器光模塊，每個光源采用不同的固定波長。但是在C-RAN 的前傳網(wǎng)應用中，由于RRU 分布地域廣，固定波長激光器光模塊的缺點將逐漸顯露出來，運維難度大，構(gòu)建的網(wǎng)絡缺乏靈活性，難以擴展等等，而低成本的高速可調(diào)諧激光器光模塊，通過波長管理控制方案降低成本，并可以很好地解決C-RAN前傳網(wǎng)的運維和網(wǎng)絡演進問題，必將成為上述前傳網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)，有望得到規(guī)模應用。

1 移動前傳網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)及可調(diào)諧激光器應用

1.1 移動前傳網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)

C-RAN的前傳網(wǎng)，是給集中放置的BBU與分布式RRU 提供業(yè)務傳輸?shù)木W(wǎng)絡，此傳輸網(wǎng)絡在BBU與RRU之間，以CRPI 為基礎，實現(xiàn)用戶、同步、控制盒管理等數(shù)據(jù)信息承載。從網(wǎng)絡架構(gòu)與演進看，基于C-RAN的前傳網(wǎng)，可能存在下面幾種網(wǎng)絡架構(gòu)。

a）白光直驅(qū)以及級聯(lián)白光直驅(qū)方案：每對RRUBBU 站點采用2對光纖或者1對光纖。前者采用雙纖雙向光模塊實現(xiàn)，后者則采用單纖雙向光模塊實現(xiàn)且上行與下行采用不同的波長傳輸。白光直驅(qū)方案占用光纖纖數(shù)較多，每個站點3個扇區(qū)占用3對光纖（雙纖雙向）或者3根光纖（單纖雙向）。隨著RRU 的密度不斷加大，站點不斷增加，光纖資源必將會成為部署的瓶頸。級聯(lián)白光直驅(qū)方案可以減少光纖占用，但其級聯(lián)能力以及業(yè)務量都會受限。

b）彩光直驅(qū)方案：采用波分復用技術(shù)，在BBU 與RRU 中使用彩光光模塊，外接無源波分復用器，實現(xiàn)BBU與RRU之間的業(yè)務傳輸。此種方案，可以減少光纖資源占用，但是由于波分復用器是無源方式外接，無法進行監(jiān)控，網(wǎng)絡運維難度較大。目前現(xiàn)網(wǎng)部署多采用粗波分技術(shù)，受限于光功率預算，基于粗波分技術(shù)的彩光直驅(qū)組網(wǎng)距離以及網(wǎng)絡站點數(shù)受限。

c）WDM/OTN 系統(tǒng)方案：在BBU以及RRU站點部署WDM/OTN 設備，如圖1 所示。此方案利用OTN 設備實現(xiàn)業(yè)務的匯聚以及保護，基于WDM 技術(shù)增加業(yè)務帶寬，實現(xiàn)業(yè)務承載。該方案組網(wǎng)靈活，保護能力強，但是由于OTN 映射會增加額外的延時，尤其是考慮到后續(xù)無線網(wǎng)網(wǎng)絡演進到Pre-5G以及5G的超低延時要求，WDM/OTN 系統(tǒng)方案能否得到大規(guī)模應用還有待檢驗。

圖1 WDM/OTN系統(tǒng)用于移動前傳網(wǎng)

采用單纖雙向波分復用技術(shù)，在實現(xiàn)BBU與RRU之間業(yè)務傳輸?shù)耐瑫r，還可以減少光纖資源的占用，進一步降低網(wǎng)絡運維成本。相對于彩光直驅(qū)方案以及WDM/OTN 系統(tǒng)方案，該方案在BBU 與RRU 之間引入單纖雙向DWDM系統(tǒng)，并可進一步結(jié)合波長的集中管理與控制技術(shù)，在RRU站點引入低成本可調(diào)諧激光器模塊。圖2為此方案的框圖。

1.2 D W D M 系統(tǒng)架構(gòu)及可調(diào)諧激光器控制技術(shù)

圖2 單纖雙向DWDM系統(tǒng)用于移動前傳網(wǎng)

單纖雙向DWDM 系統(tǒng)的前傳網(wǎng)，不同RRU 站點的業(yè)務，需要采用不同的波長來承載。采用不同固定波長的彩光模塊可以實現(xiàn)上述業(yè)務承載?？紤]到RRU 站點的維護成本，以及對安裝人員的技術(shù)要求，采用可調(diào)諧激光器光模塊將會是更加合理的方案。可調(diào)諧激光器光模塊，可以結(jié)合目前正在進行標準化的單纖雙向DWDM系統(tǒng)的集中波長管理技術(shù)，降低光模塊的成本，并進一步達到降低RRU站點部署成本并簡化運維的目的。

ITU-T 正在起草G.metro 標準（Multichannel bi-di?rectional DWDM applications with port agnostic singlechannel optical interfaces），此項標準將規(guī)范一種低成本單纖雙向DWDM 系統(tǒng)應用。圖3 為G.metro 系統(tǒng)的框圖，其中Head-end為匯聚節(jié)點，TEE（Tail end Equip?ment）為末梢節(jié)點設備。

相對于傳統(tǒng)的WDM 系統(tǒng)，G.metro 標準在以下幾個方面有所突破，從而達到簡化開通、運維以及降低網(wǎng)絡部署與運營成本的目的。

a）支持單纖雙向系統(tǒng)。

b）在TEE側(cè)，采用可調(diào)光模塊實現(xiàn)波長端口無關(guān)特性。

c）在TEE 到HE 方向，定義了調(diào)頂信號（pilot tone），用于集中的波長監(jiān)測。

d）在HE 到TEE 方向，定義了信息通道（message channel）；在HE 側(cè)，定義了集中的波長監(jiān)測技術(shù)。兩者結(jié)合可以實現(xiàn)對各個TEE 的波長以及光功率的集中監(jiān)視。

圖4為一種波長集中監(jiān)測、控制與管理示意框圖，TEE節(jié)點不同波長的可調(diào)諧激光器模塊采用不同的調(diào)頂信號，由HE 節(jié)點的集中波長鎖定器實現(xiàn)波長與光功率的監(jiān)視，再由信息通道發(fā)送控制信息到各個TEE站點，實現(xiàn)TEE節(jié)點的波長以及光功率控制。

單纖雙向DWDM系統(tǒng)，也可以與現(xiàn)有的PON技術(shù)共用ODN，減少接入光纖資源占用。圖5 為TWDM PON與P2P WDM共存的系統(tǒng)框圖。

圖3 G.metro單纖雙向DWDM系統(tǒng)框圖

圖4 G.metro波長控制示意圖

圖5 P2P WDM PON系統(tǒng)用于移動前傳網(wǎng)

ITU-T 起草的G.698.2 修訂版標準，定義了40G NG-PON2系統(tǒng)的PMD（Physical media dependent）層要求，在annex B中還定義了輔助管理與控制通道（Auxil?iary management and control channel），傳輸波長分配信息與OAM 數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)P2P WDM 系統(tǒng)的波長控制?？紤]到信號的透明性要求，該標準建議采用透明輔助管理與控制通道（transparent AMCC），并且定義了2種實現(xiàn)方式，Baseband overmodulation 與RF-pilot-tone。G.698.2中定義的透明輔助管理與控制通道功能，與G.metro定義的信息通道功能類似。

基于上述標準定義的單纖雙向DWDM系統(tǒng)，應用在前傳網(wǎng)中，可以實現(xiàn)集中放置BBU與分布式RRU之間的業(yè)務傳送。單纖雙向技術(shù)的采用，降低光纜數(shù)量要求，降低系統(tǒng)成本。與此同時，基于標準定義的波長管理控制功能，可調(diào)諧激光器光模塊應用在上述WDM系統(tǒng)的RRU節(jié)點中，將會帶來以下幾方面的好處。

a）簡化運維：由于實現(xiàn)了集中的波長管理技術(shù)，RRU節(jié)點的可調(diào)諧激光器光模塊，在上電的時候根據(jù)系統(tǒng)要求，將其波長調(diào)節(jié)至系統(tǒng)分配的波長，從而達到簡化開通、簡化運維的目的。

b）降低成本：進一步地，通過集中的波長監(jiān)測技術(shù)，并基于信息通道或者輔助管理與控制通道，反饋控制RRU側(cè)的可調(diào)諧激光器光模塊的波長，可以達到降低RRU側(cè)的可調(diào)諧激光器光模塊的波長穩(wěn)定度要求，以及降低其成本的目的。

2 可調(diào)諧激光器技術(shù)以及成本淺析

可調(diào)諧激光器技術(shù)，其波長調(diào)節(jié)以及集成方式的不同，波長調(diào)節(jié)范圍以及成本也各不相同。表1 列出了幾種典型的可調(diào)諧激光器技術(shù)及成本對比。

由表1 可以看出：SG-DBR 技術(shù)，無論從集成度、成本，以及演進能力（25G支持能力）方面，相對于其他技術(shù)有無可比擬的優(yōu)勢，有望成為后續(xù)低成本單纖雙向波分系統(tǒng)的主流方案。

可調(diào)諧激光器技術(shù)在移動前傳網(wǎng)絡的應用，光模塊的成本是極其重要的因素。而降低可調(diào)諧激光器光模塊的成本，要從材料成本以及制造成本2 個方面考慮，并采用低成本的技術(shù)與方案。

表1 可調(diào)諧激光器技術(shù)對比分析

前面提到，通過集中的波長監(jiān)測技術(shù)，并利用信息通道或者輔助管理與控制通道控制，反饋控制RRU側(cè)的可調(diào)諧激光器光模塊的波長，從而達到降低RRU側(cè)可調(diào)諧激光器光模塊的波長穩(wěn)定度要求，以及降低其成本的目的。具體而言，當前的可調(diào)諧激光器，在無波長鎖定的情況下運行，可以達到100 GHz 間隔的DWDM 系統(tǒng)的波長穩(wěn)定性要求，對于50 GHz 間隔的DWDM系統(tǒng)，則需要采用精確的波長鎖定技術(shù)。在光器件中集成標準具（Etalon），可以實現(xiàn)50 GHz 波長穩(wěn)定度要求。圖6 為50 GHz 間隔可調(diào)諧激光器光模塊的封裝示意圖，其中標準具以及相應的光功率監(jiān)測探測器，用于實現(xiàn)波長監(jiān)測，圖7為與標準具相關(guān)的波長控制電路。采用G.metro 的集中波長監(jiān)測與控制技術(shù)后，可以不再需要圖6 中的標準具以及相應的光功率監(jiān)測探測器。與此同時，對應的制造流程，也可以得到簡化。類似地，圖7中與標準具相關(guān)的控制電路、波長控制精度以及制造流程都可以簡化。上述幾項簡化措施，都可以降低光模塊的材料成本以及制造成本。

圖6 帶50 GHz波長鎖定標準具的可調(diào)諧激光器封裝示意圖

當然，采用新的封裝技術(shù)，以及采用低成本的可調(diào)諧激光器技術(shù)，還可進一步降低可調(diào)諧激光器光模塊的成本。相信有了這些系統(tǒng)級以及器件級的低成本方案與措施，低成本可調(diào)諧激光器光模塊以及單纖雙向DWDM系統(tǒng)，將在未來的前傳網(wǎng)中得到大規(guī)模應用。

3 結(jié)束語

本文對比移動前傳網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)，分析單纖雙向DWDM 系統(tǒng)采用的集中波長管理控制技術(shù)。通過分析認為集中的波長監(jiān)測技術(shù)，并利用信息通道或者輔助管理與控制通道控制，反饋控制RRU側(cè)的可調(diào)諧激光器光模塊的波長，可以達到降低RRU側(cè)的可調(diào)諧激光器光模塊成本，并且進一步簡化RRU站點部署以及降低運維成本的目的?？烧{(diào)諧激光器光模塊與單纖雙向DWDM系統(tǒng)的波長控制技術(shù)的結(jié)合，將有利于構(gòu)建靈活與低成本的移動前傳網(wǎng)絡，有望在C-RAN前傳網(wǎng)中得到大規(guī)模應用。

［1］ Keiji Tanaka，Akira Agat.Next generation optical access networks for C-RAN［C］.Proc.OFC 2015，2015.

［2］ 余征然.面向C-RAN的傳輸承載方式的探討［J］.郵電設計技術(shù)，2012（4）：5-8.

［3］ 陳禮波.原子波分在C-RAN 中的解決方案探討［J］.郵電設計技術(shù)，2015（4）：50-50.

［4］ 王蒙. C-RAN 架構(gòu)下傳輸技術(shù)的探討［J］. 科學技術(shù)應用，2012（33）：18-19.

［5］ Filippo Prozini，Luca Giorgi. Centralized Radio Access Network over Wavelength-Devision Multiplexing：A Plug-and-Play Implementa?tion［J］.IEEE Communications Magazine，2013，51（9）：94-99.

［6］ Federico Boccardi，Robert W.Heath. Five Disruptive Technology Di?rections for 5G［J］. IEEE Communications Magazine，2012，52（2）：74-80.

圖7 帶50 GHz波長鎖定標準具的可調(diào)諧激光器頻率控制電路

［7］ Boyd Bangerter，Shilpa Talwar. Networks and Devices for the 5G Era［J］.IEEE Communications Magazine，2012，52（2）：90-96.

［8］ Cheng-Xiang Wang，F(xiàn)ourat Haider. Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless Communication Networks［J］. IEEE Communications Magazine，2012，52（2）：122-130.

［9］ Lightreading. The Promise of Next Generation Metro WDM Access［EB/OL］.［2015-09-15］.http：//www.lightreading.com/optical/pack?et-optical/the-promise-of-next-generation-metro-wdm-access-/a/d-id/711368.

［10］TD 181（WP 2/15）ITU-T Draft new Recommendation G.metro（latest draft）［S］.日內(nèi)瓦：ITU-T，2015：5-8.

［11］Finisar Document AN-2095. Controlling the S7500 CW Tunable La?ser［EB/OL］.［2015-09-15］. https：//www.finisar.com/products/ap?plication-notes.