無源波分在5G建設(shè)中的應(yīng)用

戚清嶺 陳帥

【摘要】5G前傳無源波分系統(tǒng)主要用于解決C-RAN架構(gòu)中DU-AAU間光纖拉遠(yuǎn)，傳輸光纖資源缺乏的問題，通過無源波分復(fù)用器將不同波長的業(yè)務(wù)光信號復(fù)用在一根光纖上進(jìn)行雙向傳輸，取代光纜敷設(shè)，為運營商提供一種低成本、高性能的光纖擴(kuò)容解決方案。本文從無源波分復(fù)用的原理開始分析，建立了無源波分傳輸模型，并對常見無源波分應(yīng)用場景模型進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的應(yīng)用建議。

【關(guān)鍵詞】5G前傳；無源波分復(fù)用設(shè)備；應(yīng)用場景

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.15.006

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署及普及，各大運營商正在積極推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)在全國的建設(shè)步伐。目前5G基站建設(shè)正在由城區(qū)向縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村推進(jìn)。原有的宏站建設(shè)模式也從過去的D-RAN模式向C-RAN模式演進(jìn)。隨著BBU的集中放置，大量的主干光纜資源會被占用，目前城市的管道線路資源已日趨緊張，新建光纜的難度大、投資高、時效慢，不利于5G基站的快速推廣。無源波分設(shè)備就是利用不同波長的業(yè)務(wù)在一條光纖中傳輸，從而減少光纜纖芯的需求，能達(dá)到更快的建設(shè)效果。在實際工程應(yīng)用中，無源波分設(shè)備傳輸距離會受跳接及本身插入損耗的限制，因此需要根據(jù)不同的建設(shè)場景提供不同的無源波分部署建議。

1. 無源波分的技術(shù)基礎(chǔ)

無源波分技術(shù)的核心就是將不同波長的光信號耦合在同一條光纖中傳輸，在接收端再將這些不同波長的光信號分離出來，達(dá)到節(jié)約光纜資源的目的。

光纖類型不同，波長有不同的衰減，目前國內(nèi)大量使用的是G.652D光纖，此光纖相比其他類型的光纖在1383+/-3nm水峰處的衰減系數(shù)最低，同時PMD（色散）也更小。G.652D光纖正常的衰減系數(shù)：0.35dB/km（1310nm），0.25dB/km（1550nm）。

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）：信道間隔20nm，工作波長范圍為1271～1611nm。因此CWDM對激光器、復(fù)用/解復(fù)用器的要求不高，擴(kuò)容成本較低。因此多在中、短距離的城域網(wǎng)中應(yīng)用，并且無法通過光纖再次放大增加傳輸距離，因為CWDM整個光譜寬340nm，光放增益無法達(dá)到。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）：最小信道間隔0.2nm，可以傳輸最多192個波道。適合大容量、傳輸距離比較遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)，同時可以實現(xiàn)EDFA光纖光放器對信號放大，實現(xiàn)超長跨距傳輸。

2. 無源波分的組成

（1）波分復(fù)用器

通過耦合將多個波長的信號復(fù)用到一根光纖中傳輸；復(fù)用器是無源設(shè)備，無須插電就可以傳輸光信號。

（2）彩光模塊

彩光模塊都對應(yīng)特定的波長，該波長和波分復(fù)用器的波長相匹配；模塊的傳輸距離有10km、40km、80km等規(guī)格。

當(dāng)前，無源波分在5G前傳方案中廣泛應(yīng)用。波分系統(tǒng)由光纖、彩光模塊和復(fù)用器組成，其中復(fù)用器是關(guān)鍵器件。

常見的波分復(fù)用器有以下幾種：介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器、熔錐光纖型波分復(fù)用器、棱鏡色散型波分復(fù)用器、衍射光柵型波分復(fù)用器。

復(fù)用器是無源器件，主要完成多個光波長的復(fù)用和解復(fù)用，其外形和封裝方式和PON系統(tǒng)中的分路器幾乎一樣。復(fù)用器的每個端口都對應(yīng)一個特定的波長，并用不同的顏色進(jìn)行了標(biāo)識。

（3）復(fù)用器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

無源波分除了耦合器和連接光纖外，核心器件是幾個偏黃色的約2cm長的玻璃棒：即多層介質(zhì)膜濾波器（以下簡稱“濾波器”），放大來看如圖1所示。圖1中濾波器下方幾根綁在一起的幾根透明的小玻璃棒是光纖接頭保護(hù)點。

每個濾波器有3根連接尾纖。其中一端連接有2根尾纖，分別是輸入端和反射端，另一端連接的尾纖為輸出端。每個濾波器可以從輸入的多路光信號中過濾出特定的波長，而將其他波長從反射端反射出去；合波則是相反的過程。

3. 無源波分的性能指標(biāo)

（1）無源波分系統(tǒng)模型及波長分配

無源波分用于承載基站傳輸業(yè)務(wù)時，主要采用1∶6（即1根光纖傳輸6個波長）、1∶12和1∶18等。

粗波分最大支持18個波長，因此最大支持1∶18的模型，超過1∶18的模型則需使用密波（非G.652D光纖應(yīng)避開1371、1391nm和1411nm波長），波長的選擇應(yīng)統(tǒng)一，這樣方便管理。

（2）系統(tǒng)的光功率指標(biāo)

由于BBU/DU與RRU/AAU間的網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖分配網(wǎng)，故BBU/DU和RRU/AAU的光功率預(yù)算除考慮光纜線路的長度因素外，還要考慮光鏈路中無源波分的插損和活接頭的數(shù)量。常規(guī)1∶6無源波分插損參考值2.6dB，典型值1.1dB；1∶8無源波分插損參考值2.8dB，典型值1.2dB；1∶12無源波分插損參考值3.2dB，典型值1.5dB；1∶18無源波分插損參考值3.5dB，典型值1.7dB。（參考值是當(dāng)前主流廠商執(zhí)行的最差標(biāo)準(zhǔn)，典型值是多數(shù)主流廠商可達(dá)到的水平）

（3）系統(tǒng)的光功率預(yù)算指標(biāo)測算

通常，城區(qū)BBU/DU與RRU/AAU間的光纖鏈路長度一般不超過8km，鏈路中的活接頭數(shù)量約6個，則系統(tǒng)的光功率預(yù)算需滿足：

0.45dB*8km（光纖及熔接衰減）+0.5dB*6個（活動接頭衰減）+1.1dB*2個（1∶6無源波分插損）+2dB（冗余）=10.8dB

若光鏈路長度、活動接頭數(shù)量或無源波分插損與上式偏差較大，應(yīng)重新計算。

（4）無源波分設(shè)備的其他特性

由于RRU/AAU是室外工作設(shè)備，與其對接的波分復(fù)用器需要具備以下幾個特性：

·工作溫度：-40度～85度

·防水防塵：IP67

·安裝方式：19英寸、抱桿或者掛壁

·集成度：支持3個插片（1U）、支持16個槽位（3U）

·支持混傳：支持多種速率業(yè)務(wù)的混傳

·業(yè)務(wù)能力：支持CPRI等業(yè)務(wù)的透明傳輸

4. 無源波分在5G建設(shè)中的應(yīng)用

4.1 前傳纖芯需求分析

D-RAN部署場景下的CU/DU與AAU同址，前傳采用光纖直驅(qū)方式。C-RAN部署場景，前傳可采用光纖直驅(qū)、彩光+無源波分和有源系統(tǒng)等方式。2G/4G/5G全集中場景下，每個宏站天面需部署5套RRU/AAU。一個滿配的宏基站，各廠家BBU和AAU的前傳光纖需求數(shù)量分別為36芯、36/48芯和42/54芯。目前基站接入光纜多為24、48芯光纜，無法滿足2G/4G/5G全集中的前傳纖芯需求，需要采用波分復(fù)用手段才能滿足集中部署情況下的前傳纖芯需求。目前可采用的解決方案包括有源波分、單纖雙向光模塊、無源波分等。從纖芯使用效率方面考慮，有源波分方案最優(yōu)，無源波分其次。從單站造價方面考慮，無源波分方案最優(yōu)。

4.2 無源波分鏈路功率預(yù)算

以開通1個S111的5G站為例，需要6個25Gbit/s彩光模塊，典型情況下可用1套1∶6無源波分設(shè)備開通，使用纖芯數(shù)由6芯降為1芯。傳輸線路的最大損耗為9.3dB，5個跳接點以下最大可以傳輸12.3km。

注：傳輸鏈路功率預(yù)算=端到端衰耗預(yù)算-無源波分器件損耗=（發(fā)光功率－接靈敏度－維護(hù)余量）-無源波分器件損耗。

其中發(fā)光功率：激光器的發(fā)射光功率，10Gbit/s光模塊為-3.8～+3.2dBm，25Gbit/s光模塊為0～+6dBm；測算時取最小發(fā)光功率。

接收靈敏度：指的是PIN管的最低接收光功率，10Gbit/s光模塊為-14dBm，25Gbit/s光模塊為-13.8dBm。

維護(hù)余量：指的是全程端到端的衰耗，包括無源波分、激光器、光纖和光纖連接器等。無源波分損耗指合波器和分波器的插入損耗之和，1∶6的無源波分要求小于3dB、1∶12無源波分要求小于4dB、1∶18無源波分要求小于4.4dB。

為了方便計算出光纜網(wǎng)的配置模型，將功率預(yù)算折算為跳纖點數(shù)量和光纖距離的公式如下。

傳輸鏈路的功率預(yù)算=靈活接頭損耗+光纖損耗=跳纖點數(shù)量×單跳纖點的接頭數(shù)×單個靈活接頭損耗+光纖距離×單位光纖損耗=跳纖點數(shù)量×2×0.5dB/個+光纖距離×0.35dB/km。

以S111無線基站為例進(jìn)行測算，1個基站需要6個波道，在現(xiàn)有的傳輸光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，以常規(guī)的5個跳纖點為例計算。在只考慮端到端傳輸鏈路上各種損耗，而不考慮色散的條件下。

①如果采用1∶6無源波分，全25Gbit/s光模塊，傳輸鏈路的余量為9.3dB，根據(jù)覆蓋模型，現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，在5個跳纖點情景下可滿足最大傳輸距離為12.3km。

②10Gbit/s速率下，由于發(fā)光功率較低，無法滿足5個跳纖點，改為4個跳纖點場景下，最大傳輸距離只能達(dá)到2km。

③1∶18無源波分器的插入損耗較大，10Gbit/s速率下，基本很難滿足5個或者4個跳纖點，不建議使用。

4.3 幾種常見的無源波分在5G基站回傳中的應(yīng)用

（1）新建5G基站與4G不共站，如圖2。光交到5G基站之間新布放配線光纜，匯聚機房到光交主干光纜利舊且資源緊張。現(xiàn)網(wǎng)4G基站前傳為光纖直驅(qū)，消耗光纜資源較多，在此場景應(yīng)用無源波分時，對4G前傳不做改造，5G前傳采用無源波分+彩光方式。以1∶6無源波分（2臺）+25G彩光模塊（6塊）進(jìn)行系統(tǒng)配置，遠(yuǎn)端光模塊波長配置為：1271nm、1311nm、1351nm；局端光模塊波長配置為：1291nm、1331nm、1371nm。

（2）新建5G基站與4G基站共址、無纖芯，如圖3。需騰退4G基站纖芯，采用4G、5G分別用無源波分或4G、5G采用無源波分混傳兩種方案進(jìn)行。

（3）新建5G基站與4G基站共址，主干光交纖芯不足，配線光纜有纖芯，如圖4?？梢园褵o源分光器布放在主干光交，節(jié)省主干纖芯，配線光纜正常使用。

5. 結(jié)束語

5G前傳無源波分系統(tǒng)主要用于解決C-RAN架構(gòu)中DU-AAU間光纖拉遠(yuǎn)，傳輸光纖資源缺乏的問題，通過在DU和AAU側(cè)部署無源波分復(fù)用器，再使用配套的彩光模塊替換無線設(shè)備上原有的灰光模塊，從而提供不同波長的業(yè)務(wù)光信號，兩側(cè)的無源波分復(fù)用器再將不同波長的業(yè)務(wù)光信號復(fù)用在一根光纖上進(jìn)行雙向傳輸，取代光纜敷設(shè)，為運營商提供一種低成本、高性能的光纖擴(kuò)容解決方案。但由于無源波分器自身引入的插入損耗，相比裸纖方案將會減少傳輸距離。

應(yīng)用無源波分開通5G基站，建議優(yōu)先使用1∶6或1∶12無源波分設(shè)備。對于同一物理站址多系統(tǒng)的集中需求，建議使用多套1∶6或1∶12無源波分設(shè)備進(jìn)行疊加使用。

如果DU至AAU間距離小于10公里，需要考慮光功率過載對通信質(zhì)量造成的影響。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳健輝，陳鑾雄.無源波分復(fù)用設(shè)備在5G前傳中的應(yīng)用場景研究[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2020，33（01）：55-60.