可调谐激光器及单纤双向波分DWDM系统在C-RAN中的应用

舒华德，林右宇，曾姗姗，李 儆（菲尼萨光电通讯（上海）有限公司，上海201201）

0 前言

随着移动网络带宽需求的爆发式增长，为了提高无线网的覆盖能力，以及降低建设维护成本，C-RAN越来越多地得以在现网中部署。在C-RAN的部署中，为了提升CoMP 情况下的无线带宽利用率，对BBU 采取进一步的集中放置，导致与BBU相连的RRU数目进一步增加，这些都会对前传网的架构产生深远影响。白光直驱以及级联白光直驱等方案，通过增加光纤数目来实现前传网带宽的提升需求；彩光直驱以及OTN/WDM等方案则采用多波长技术，进一步提升前传网的带宽。基于大容量多波长的灵活可扩展的网络架构，可以更好地适应移动数据业务增长的长期需求，而单纤双向的DWDM系统，则可以进一步降低光纤资源的消耗，有望成为未来前传网络的架构选择。

应用于上述DWDM系统的多波长光源，可以基于固定波长激光器光模块，每个光源采用不同的固定波长。但是在C-RAN 的前传网应用中，由于RRU 分布地域广，固定波长激光器光模块的缺点将逐渐显露出来，运维难度大，构建的网络缺乏灵活性，难以扩展等等，而低成本的高速可调谐激光器光模块，通过波长管理控制方案降低成本，并可以很好地解决C-RAN前传网的运维和网络演进问题，必将成为上述前传网的关键性技术，有望得到规模应用。

1 移动前传网网络架构及可调谐激光器应用

1.1 移动前传网网络架构

C-RAN的前传网，是给集中放置的BBU与分布式RRU 提供业务传输的网络，此传输网络在BBU与RRU之间，以CRPI 为基础，实现用户、同步、控制盒管理等数据信息承载。从网络架构与演进看，基于C-RAN的前传网，可能存在下面几种网络架构。

a）白光直驱以及级联白光直驱方案：每对RRUBBU 站点采用2对光纤或者1对光纤。前者采用双纤双向光模块实现，后者则采用单纤双向光模块实现且上行与下行采用不同的波长传输。白光直驱方案占用光纤纤数较多，每个站点3个扇区占用3对光纤（双纤双向）或者3根光纤（单纤双向）。随着RRU 的密度不断加大，站点不断增加，光纤资源必将会成为部署的瓶颈。级联白光直驱方案可以减少光纤占用，但其级联能力以及业务量都会受限。

b）彩光直驱方案：采用波分复用技术，在BBU 与RRU 中使用彩光光模块，外接无源波分复用器，实现BBU与RRU之间的业务传输。此种方案，可以减少光纤资源占用，但是由于波分复用器是无源方式外接，无法进行监控，网络运维难度较大。目前现网部署多采用粗波分技术，受限于光功率预算，基于粗波分技术的彩光直驱组网距离以及网络站点数受限。

c）WDM/OTN 系统方案：在BBU以及RRU站点部署WDM/OTN 设备，如图1 所示。此方案利用OTN 设备实现业务的汇聚以及保护，基于WDM 技术增加业务带宽，实现业务承载。该方案组网灵活，保护能力强，但是由于OTN 映射会增加额外的延时，尤其是考虑到后续无线网网络演进到Pre-5G以及5G的超低延时要求，WDM/OTN 系统方案能否得到大规模应用还有待检验。

图1 WDM/OTN系统用于移动前传网

采用单纤双向波分复用技术，在实现BBU与RRU之间业务传输的同时，还可以减少光纤资源的占用，进一步降低网络运维成本。相对于彩光直驱方案以及WDM/OTN 系统方案，该方案在BBU 与RRU 之间引入单纤双向DWDM系统，并可进一步结合波长的集中管理与控制技术，在RRU站点引入低成本可调谐激光器模块。图2为此方案的框图。

1.2 D W D M 系统架构及可调谐激光器控制技术

图2 单纤双向DWDM系统用于移动前传网

单纤双向DWDM 系统的前传网，不同RRU 站点的业务，需要采用不同的波长来承载。采用不同固定波长的彩光模块可以实现上述业务承载。考虑到RRU 站点的维护成本，以及对安装人员的技术要求，采用可调谐激光器光模块将会是更加合理的方案。可调谐激光器光模块，可以结合目前正在进行标准化的单纤双向DWDM系统的集中波长管理技术，降低光模块的成本，并进一步达到降低RRU站点部署成本并简化运维的目的。

ITU-T 正在起草G.metro 标准（Multichannel bi-di⁃rectional DWDM applications with port agnostic singlechannel optical interfaces），此项标准将规范一种低成本单纤双向DWDM 系统应用。图3 为G.metro 系统的框图，其中Head-end为汇聚节点，TEE（Tail end Equip⁃ment）为末梢节点设备。

相对于传统的WDM 系统，G.metro 标准在以下几个方面有所突破，从而达到简化开通、运维以及降低网络部署与运营成本的目的。

a）支持单纤双向系统。

b）在TEE侧，采用可调光模块实现波长端口无关特性。

c）在TEE 到HE 方向，定义了调顶信号（pilot tone），用于集中的波长监测。

d）在HE 到TEE 方向，定义了信息通道（message channel）；在HE 侧，定义了集中的波长监测技术。两者结合可以实现对各个TEE 的波长以及光功率的集中监视。

图4为一种波长集中监测、控制与管理示意框图，TEE节点不同波长的可调谐激光器模块采用不同的调顶信号，由HE 节点的集中波长锁定器实现波长与光功率的监视，再由信息通道发送控制信息到各个TEE站点，实现TEE节点的波长以及光功率控制。

单纤双向DWDM系统，也可以与现有的PON技术共用ODN，减少接入光纤资源占用。图5 为TWDM PON与P2P WDM共存的系统框图。

图3 G.metro单纤双向DWDM系统框图

图4 G.metro波长控制示意图

图5 P2P WDM PON系统用于移动前传网

ITU-T 起草的G.698.2 修订版标准，定义了40G NG-PON2系统的PMD（Physical media dependent）层要求，在annex B中还定义了辅助管理与控制通道（Auxil⁃iary management and control channel），传输波长分配信息与OAM 数据，以实现P2P WDM 系统的波长控制。考虑到信号的透明性要求，该标准建议采用透明辅助管理与控制通道（transparent AMCC），并且定义了2种实现方式，Baseband overmodulation 与RF-pilot-tone。G.698.2中定义的透明辅助管理与控制通道功能，与G.metro定义的信息通道功能类似。

基于上述标准定义的单纤双向DWDM系统，应用在前传网中，可以实现集中放置BBU与分布式RRU之间的业务传送。单纤双向技术的采用，降低光缆数量要求，降低系统成本。与此同时，基于标准定义的波长管理控制功能，可调谐激光器光模块应用在上述WDM系统的RRU节点中，将会带来以下几方面的好处。

a）简化运维：由于实现了集中的波长管理技术，RRU节点的可调谐激光器光模块，在上电的时候根据系统要求，将其波长调节至系统分配的波长，从而达到简化开通、简化运维的目的。

b）降低成本：进一步地，通过集中的波长监测技术，并基于信息通道或者辅助管理与控制通道，反馈控制RRU侧的可调谐激光器光模块的波长，可以达到降低RRU侧的可调谐激光器光模块的波长稳定度要求，以及降低其成本的目的。

2 可调谐激光器技术以及成本浅析

可调谐激光器技术，其波长调节以及集成方式的不同，波长调节范围以及成本也各不相同。表1 列出了几种典型的可调谐激光器技术及成本对比。

由表1 可以看出：SG-DBR 技术，无论从集成度、成本，以及演进能力（25G支持能力）方面，相对于其他技术有无可比拟的优势，有望成为后续低成本单纤双向波分系统的主流方案。

可调谐激光器技术在移动前传网络的应用，光模块的成本是极其重要的因素。而降低可调谐激光器光模块的成本，要从材料成本以及制造成本2 个方面考虑，并采用低成本的技术与方案。

表1 可调谐激光器技术对比分析

前面提到，通过集中的波长监测技术，并利用信息通道或者辅助管理与控制通道控制，反馈控制RRU侧的可调谐激光器光模块的波长，从而达到降低RRU侧可调谐激光器光模块的波长稳定度要求，以及降低其成本的目的。具体而言，当前的可调谐激光器，在无波长锁定的情况下运行，可以达到100 GHz 间隔的DWDM 系统的波长稳定性要求，对于50 GHz 间隔的DWDM系统，则需要采用精确的波长锁定技术。在光器件中集成标准具（Etalon），可以实现50 GHz 波长稳定度要求。图6 为50 GHz 间隔可调谐激光器光模块的封装示意图，其中标准具以及相应的光功率监测探测器，用于实现波长监测，图7为与标准具相关的波长控制电路。采用G.metro 的集中波长监测与控制技术后，可以不再需要图6 中的标准具以及相应的光功率监测探测器。与此同时，对应的制造流程，也可以得到简化。类似地，图7中与标准具相关的控制电路、波长控制精度以及制造流程都可以简化。上述几项简化措施，都可以降低光模块的材料成本以及制造成本。

图6 带50 GHz波长锁定标准具的可调谐激光器封装示意图

当然，采用新的封装技术，以及采用低成本的可调谐激光器技术，还可进一步降低可调谐激光器光模块的成本。相信有了这些系统级以及器件级的低成本方案与措施，低成本可调谐激光器光模块以及单纤双向DWDM系统，将在未来的前传网中得到大规模应用。

3 结束语

本文对比移动前传网网络架构，分析单纤双向DWDM 系统采用的集中波长管理控制技术。通过分析认为集中的波长监测技术，并利用信息通道或者辅助管理与控制通道控制，反馈控制RRU侧的可调谐激光器光模块的波长，可以达到降低RRU侧的可调谐激光器光模块成本，并且进一步简化RRU站点部署以及降低运维成本的目的。可调谐激光器光模块与单纤双向DWDM系统的波长控制技术的结合，将有利于构建灵活与低成本的移动前传网络，有望在C-RAN前传网中得到大规模应用。

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图7 带50 GHz波长锁定标准具的可调谐激光器频率控制电路

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