光纖通信技術(shù)在5G移動通信中的運用

陸昊 杭州電子科技大學(xué)

1 5G通信含義與其理念

5G即 為"the fifth generation of cellular mobile communication "的縮寫，中文全稱為第五代移動蜂窩通信。他成功實現(xiàn)了4G（LTE / WiMax），3G（UMTS）和2G（GSM）系統(tǒng)。5G的目標是高數(shù)據(jù)速率，減少延遲，節(jié)省能源，降低成本，提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。低通信延遲是5G的一個改進。較低的延遲可以幫助5G移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)諸如多人移動游戲，遠程手術(shù)，自動駕駛汽車和其他需要快速響應(yīng)的任務(wù)。近兩年為了使通信系統(tǒng)能更好的順應(yīng)科技發(fā)展和滿足人們生活需求，全球科技公司和政府都在大力推進5G技術(shù)研發(fā)和標準制定。貝爾實驗室無線研究部副總裁西奧多 賽澤表示，5G并不會完全替代4G、Wi-Fi，而是將4G、Wi-Fi等網(wǎng)絡(luò)融入其中，為用戶帶來更為豐富的體驗。通過將4G、Wi-Fi等整合進5G里面，用戶不用關(guān)心自己所處的網(wǎng)絡(luò)，不用再通過手動連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等，系統(tǒng)會自動根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量情況連接到體驗最佳的網(wǎng)絡(luò)之中，真正實現(xiàn)無縫切換。

2 5G通信對光纖通信技術(shù)的要求

5G基站的密集組網(wǎng)需要大量光纖，5G的無線接入網(wǎng)的前傳和中傳及回傳對光纖傳輸系統(tǒng)提出高帶寬低時延的要求?，F(xiàn)代的光纖通訊系統(tǒng)多半包括一個發(fā)射器，將電訊號轉(zhuǎn)換成光訊號，再透過光纖將光訊號傳遞。光纖多半埋在地下，連接不同的建筑物。系統(tǒng)中還包括數(shù)種光放大器，以及一個光接收器將光訊號轉(zhuǎn)換回電訊號。在光纖通訊系統(tǒng)中傳遞的多半是數(shù)位訊號，來源包括電腦、電話系統(tǒng)，或是有線電視系統(tǒng)。

光纖通信主要有以下三個發(fā)展目標：

2.1 擴展WDM系統(tǒng)可以運行的波長范圍

WDM 就是Wavelength Division Multiplexing的縮寫， WDM技術(shù)即在光纖上進行信道復(fù)用的技術(shù)，是利用多個激光器在單條光纖上同時發(fā)送多束不同波長激光的技術(shù)。在光纖通信中，WDM可以利用不同波長的激光將多個光載波信號復(fù)用到單個光纖上。這種技術(shù)可以在一根光纖上實現(xiàn)雙向通信，并實現(xiàn)容量的倍增。傳統(tǒng)的波長窗口，稱為C波段，波長范圍為1.53-1.57μm，而目前正在研究的新材料干光纖具有低損耗窗口的特性，有望將該范圍擴展到1.30-1.65μm，即這一改進可以使網(wǎng)絡(luò)帶寬擴大七倍。[4] 密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)可以承載8～160個波長，而且隨著DWDM技術(shù)的不斷發(fā)展，其分波波數(shù)的上限值仍在不斷地增長，間隔一般 ≤1.6 nm，主要應(yīng)用于長距離傳輸系統(tǒng)。在所有的DWDM系統(tǒng)中都需要色散補償技術(shù)(克服多波長系統(tǒng)中的非線性失真——四波混頻現(xiàn)象)。在16波DWDM系統(tǒng)中，一般采用常規(guī)色散補償光纖來進行補償，而在40波DWDM系統(tǒng)中，必須采用色散斜率補償光纖補償。DWDM能夠在同一根光纖中把不同的波長同時進行組合和傳輸，為了保證有效傳輸，一根光纖轉(zhuǎn)換為多根虛擬光纖。采用DWDM技術(shù)，單根光纖可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量高達400 Gbit/s，隨著廠商在每根光纖中加入更多信道，每秒太位的傳輸速度指日可待。

2.2 光弧子通信

光纖中的光孤子是利用光纖中的色散和非線性效應(yīng)的相互補償作用實現(xiàn)光脈沖無畸變的傳輸。無論在光纖的正?；蚍闯Ｉ^(qū)，光脈沖在傳輸過程中都有脈沖展寬現(xiàn)象。光纖的自相位調(diào)制(非線性)效應(yīng)的單獨作用也會使脈沖展寬。但是，在反常色散區(qū)，色散和自相位調(diào)制的作用可以相互抵消，使光脈沖在傳輸過程中脈沖寬度保持不變。如果光纖傳輸過程中有能量補償光纖的損耗，則脈沖的幅度和寬度都可能不變化，從而形成光孤子傳輸。在理想情況下，光脈沖可以在光纖中無限制地?zé)o畸變傳輸。光孤子通信和線性光纖通信比較有一系列顯著的優(yōu)點：一、傳輸容量比最好的線性通信系統(tǒng)大1個～2個數(shù)量級；二、可以進行全光中繼。由于孤子脈沖的特殊性質(zhì)使中繼過程簡化為一個絕熱放大過程，大大簡化了中繼設(shè)備，高效、簡便、經(jīng)濟。光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟都具有明顯的優(yōu)勢，光孤子通信在高保真度、長距離傳輸方面，優(yōu)于光強度調(diào)制/直接檢測方式和相干光通信。理論分析表明，采用光弧子通信技術(shù)可以使傳輸速率達到1Tbit/s。

2.3 全光網(wǎng)絡(luò)

全光網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸、交換、放大等無需經(jīng)過光電、電光轉(zhuǎn)換，因此不受原有網(wǎng)絡(luò)中電子設(shè)備響應(yīng)慢的影響。由于任何一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都不處理信息，全光網(wǎng)對光信號來說是完全透明的，因此可以充分利用光纖的潛力。全光通信網(wǎng)由全光內(nèi)部部分和通用網(wǎng)絡(luò)控制部分組成，內(nèi)部全光網(wǎng)是透明的，能容納多種業(yè)務(wù)格式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以通過選擇合適的波長進行透明的發(fā)送或從別的節(jié)點處接收。通過對波長路由的光交叉設(shè)備進行適當(dāng)配置，透明光傳輸可以擴展到更大的距離。外部控制部分可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，使得波長和容量在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)動態(tài)分配以滿足通信量、業(yè)務(wù)和性能需求的變化，并提供一個生存性好、容錯能力強的網(wǎng)絡(luò)。

3 光纖通信在5G移動通信中的應(yīng)用分析

5G相對于4G最直觀的區(qū)別就在速度上的巨大提升，而5G帶來不僅僅是傳輸速度上的提升，更是為了實現(xiàn)信息時代的從人與人之間的通信到到萬物互聯(lián)的跨越，推動信息時代的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。移動超高速下載，AR/VR等大流量應(yīng)用的出現(xiàn)對移動網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了升級的需求。而目前工業(yè)自動化，無人駕駛，網(wǎng)聯(lián)無人機，遠程醫(yī)療，智能電網(wǎng)，智能交通等萬物互聯(lián)技術(shù)的興起則進一步推動了無線網(wǎng)絡(luò)向5G時代發(fā)展。同時，5G移動通信的商用化及大范圍的普及反過來促進新興物聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的革新，最終會使得社會高度信息化，人們生活進一步便利。由于信息量在爆炸式增長，人們生活節(jié)奏日益加快，這就要求基礎(chǔ)光纖通信要不斷發(fā)展大容量和建立超高速系統(tǒng)。同時，對于各種不同的產(chǎn)業(yè)，也提供了非常多不一樣的業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的處理機制與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不可能全部一樣，所以，必須對其做出不一樣的處理。通過光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，可以相信5G在不久的將來能廣泛應(yīng)用于社會的各個方面。

4 結(jié)語

縱觀光纖通信技術(shù)在近代社會的發(fā)展，尤其為互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展奠定了基石。世界經(jīng)濟論壇把5G稱作第四次工業(yè)革命。相信通過對光纖通信技術(shù)的研究和突破，人們將會充分享受5G時代帶來的便利，甚至為全電子信息化時代開辟途徑，實現(xiàn)科技帶動人類文明的發(fā)展。