（2020年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集三等奖）5G前传xWDM技术方案及其应用建议

周 楠 吴昌冬 张友全 周 亮

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，并确定中国电信和中国联通通过共建共享的方式建设5G网络。当前，“新基建”已成为推动我国经济社会发展的重要动能之一，而5G建设不仅位列“新基建”之首，而且还是人工智能、工业互联网等“新基建”项目的关键基础设施。受限于频谱特性，相较于4G基站，5G基站覆盖密度有一定增加，基站选址困难、机房成本高、建设周期长、配套资源利用率低等问题随之进一步放大，因此，5G必然将C-RAN作为一种主流的组网架构。C-RAN部署模式需要占用接入光缆网大量光纤资源，同时电信联通共建共享的需求将导致共享站的前传光纤需求翻倍，这无疑对接入光缆网，特别是主干光缆和管道产生巨大的建维压力。传统的光纤直驱的方式已经难以满足5G建设需求，前传使用设备势在必行。本研究对5G前传承载需求进行分析，并结合前传xWDM新技术特点，提出具备可行性的5G前传技术方案和应用建议。

1 前传承载需求分析

1.1 接口速率及数量

4G网络基于CPRI（通用公共无线电接口）接口实现了BBU（基带处理单元）和RRU（射频拉远单元）的分离，LTE带宽为20 MHz时，采用15 bit的I/Q采样位宽，每个天线上所传送的单载波I/Q数据流为921.6 Mbps，添加控制字和编码后速率为1.2288 Gbps。若采用2天线端口或8天线端口，则分别需要2.4576 Gbps或9.8304 Gbps的CPRI带宽，故4G的CPRI光模块接口速率为10G。5G频谱带宽从原来的20 MHz增大到100 MHz，射频通道TR数量增加到64T64R，所以相当于CPRI带宽在单载波921.6 Mbps的基础上增加到5×64=320倍，现有的光模块技术远远无法满足。为此，出现了采用基于分组技术、支持统计复用的eCPRI接口，并对RAN架构进行重新分割，有效地降低了前传带宽。表1描述了不同带宽、流数、天线数下eCPRI接口速率需求。

表1 不同带宽、流数、天线数下eCPRI接口速率需求

在光模块速率选择上，用于4G/5G前传承载的光模块分为10 Gbps光模块与25Gbps光模块。10 Gbps光模块主要用于4G前传与5G中4TR、2TR前传；25 Gbps光模块用于5G中64TR、32TR、16TR、8TR前传。

在纤芯需求方面，对于5G单宏站，100 MHz频宽需要3个25Gbps eCPRI接口（6根纤芯）；对于中国电信和中国联通的共建共享站，200 MHz频谱需6个25Gbps eCPRI接口（12根纤芯）。如果5G共建共享站又与4G共站，则需要6个25Gbps eCPRI接口和3个9.8Gbps CPRI接口（18根纤芯）。如果4G站同时有载波聚合，会进一步增加前传纤芯需求数量。

1.2 时延和同步需求

时延与距离以及无线和承载设备的处理能力相关。根据eCPRI接口时延分配，前传时延约100 µs。在不考虑节点处理时延的情况下，对于超低时延业务，前传距离不应超过20 km，因此在前传网络中引入承载设备组网时，要尽可能降低节点时延。在实际C-RAN场景下，AAU至BBU的距离通常不超过10 km，在地铁等多站级联的链型或环形场景中距离会大于10 km，但一般不会超过20 km。

5G基本同步需求与4G相同，基站间时间偏差要求应小于3 µs；5G协同增强提出100 ns量级高精度需求；部分新业务，包括高精度定位业务、高速移动业务覆盖（如车联网、远程医疗、智能制造）等，需要更高精度同步。当前同步以太网（SyncE）、IEEE1588v2等同步传输技术可满足5G基本业务同步精度需求（1.5 µs）；通过5G高精度同步组网技术，可满足5G系统多种业务的更高同步需求。为保证业务的同步精度要求，前传网络链路应消除不对称因素，包括线路、光模块等带来的非对称性。

1.3 工作环境

前传设备工作环境复杂多样，特别在室外工作时，应能在-35℃～+55℃温度环境和5%～98%的相对湿度下长期稳定可靠工作。室外前传设备还应满足IP65防护等级和防雷要求。在前传光模块的选择上，室外要求为工业级温度要求（I-Temp，-40℃～+85℃）。

2 前传xWDM技术方案

前传采用光纤直驱方案，既可以满足前传接口性能要求，施工和维护管理又都比较简单，是光纤需求不大且资源丰富场景下较为经济可行的方案。NGOF早在2018年初就提出了25Gbps BiDi技术方案，现已实现规模商用。单纤双向传输技术一方面可以节约50%左右的光纤资源，另一方面也保证了上下行信号时延一致性，有利于满足5G业务高精度同步需求。但是随着5G的深入发展，特别是电信联通共建共享场景下，即使采用BiDi方案，单个共享站仍然需要6根光纤，仍会对接入光缆网产生巨大的压力。为此，波分复用（WDM）技术成为5G前传的重要手段，它可使多个CPRI或eCPRI接口通过不同波长共享光纤资源，从而实现一根（或一对）光纤解决一个站或多个站的5G前传需求，大大提高光纤利用率。根据波道间隔的不同，xWDM技术方案又可以分为CWDM技术方案、LWDM技术方案、MWDM技术方案和DWDM技术方案。

2.1 CWDM技术方案

粗波分（以下简称CWDM）方案采用粗波分复用技术，波长参考ITU-T G.694.2标准，波道间隔20 nm，将CWDM彩光模块安装在AAU/RRU和BBU/DU上，通过CWDM合分波器完成WDM功能，利用一对或者一根光纤提供多个AAU/RRU到BBU/DU的连接。

目前前传CWDM系统主要有6波系统和12波系统。6波系统可用于100MHz频谱宽带的3通道S111站，优选1271/1291/1311/1331/1351/1371 nm，前4波目前有DML（直接调制激光器）+PIN（光电二极管）低成本方案，但1351/1371 nm采用DML时色散代价较大（比前4波高2～2.5 dB），需采用APD（雪崩二极管）进行色散补偿来保证相同的链路功率预算。当需要6通道（12个波长）时，由于DML色散代价大，必须采用EML（电吸收调制激光器），为避开G.652光纤“水峰”，波长优选1471/1491/1511/1531/1551/1571 nm。但由于技术限制，该6个波长仅能支持10 Gbps速率，且很难再进一步扩展至更多波长。故12波CWDM系统一般用于4G和5G共址站使用，其系统结构图如图1所示。

图1 波CWDM系统结构图

CWDM方案成本较低，但也存在一些问题：（1）由于采用固定波长，网络建维中存在波长识别困难、备品备件的型号数量较多、不便于管理的问题；（2）受限于长波长过大的色散代价和低成本DML+PIN方案性能，无源CWDM方案将维护余量降至2 dB，维护压力较大；（3）由于低成本无温控结构，5G前传场景面临低温区的性能压力和高温区的寿命压力，长期稳定性风险较高；（4）无源CWDM的光模块暂无OAM能力，网络管控能力受限。

对于电信联通共建共享模式下采用200 MHz频谱的5G基站，前传承载需采用两套6波CWDM系统并行使用，为此业界也开始研究支持单纤12波25 Gbps的WDM前传方案，包括中国电信和信通院牵头的LWDM方案、中国移动独创的MWDM方案和中国联通主推的DWDM方案。

2.2 LWDM技术方案

LAN-WDM技术（简称LWDM，或细波分复用），符合IEEE 802.3BA标准，将O波段频谱按照800 GHz（约4.4 nm）波道间隔进行划分，共有8个标准波长，分别为1273.54 nm～1309.14 nm。对于12波系统需求，再进行4个波长的扩展，初定的波长范围为1269.3 nm～1318.35 nm。具体如图2所示。

图2 LWDM方案波长分配图

LWDM的技术优势在于产业链共用，可以共用400G LR8产业链（1273.54 nm～1286.66 nm）和100G LR4产业链（1295.56～1309.14 nm），并重用了CWDM产业链。25 Gbps通道工作波长位于零色散点附近，色散代价较小（＜1dB），可扩展性好。各通道的器件成本也较低，所有12个25 Gbps通道和12个扩展10 Gbps通道均可通过DML+PIN+TEC温控的低成本方式满足10 km传输需求，并保证不少于3 dB的维护冗余；若10G扩展波道采用DML+APD组合，可以满足15 km甚至20 km的传输距离要求。LWDM方案由于25 Gbps通道的波长间隔较小，需要相对严格的波长控制，因此普遍采用温控模块（TEC）。LWDM可采用调顶方式实现简单OAM管理，但由于采用固定波长方式，因此光模块备件种类过多。

随着中国联通和中国电信5G共建共享的深入推进，6×25 Gbps的前传需求非常明确和迫切。中国电信和中国信通院已分别牵头完成了LWDM的系统标准和光模块标准制定工作，产业链也就方案与指标达成一致。中国电信已于2022年初启动了LWDM设备的首次集采。

2.3 MWDM技术方案

在CWDM的6波系统方案基础上，中国移动提出了将波长左右各拉偏3.5 nm的中等波分复用方案，即MWDM方案。其波长分配图如图3所示，相邻波长间隔不再一致，分别为7 nm和13 nm。该方案的前8波共用了100G CWDM4的产业链，可以使用与LWDM相同的DML+PIN+TEC温控方案，成本较低；而后4波25G的性能由于其色散代价较大，需要使用APD补偿，导致总体成本增加。

图3 MWDM方案波长分配图

在标准化方面，中国移动制定了6通道25G企标和相关行业标准。但由于该方案是中国移动独创方案，要求每家企业签署保密协议，导致产业封闭。中国移动已于2022年Q1开启了MWDM的首次集采。

2.4 DWDM技术方案（G.metro）

2020年7月3日，中国联通发布《前传波分设备测试公告》，包括两类设备：无源CWDM和波长自适应城域接入型波分复用，后者即为联通一直在努力推动的5G前传“可调谐DWDM方案”，G.metro方案。该方案的波长分配图如图4所示。现阶段行业标准只定义了10G速率的G.metro方案（YD/T 3551-2019），20通道25G DWDM行标已经立项，由中国联通主导推动中。

图4 G.metro方案波长分配图

G.metro采用100GHz波道间隔的DWDM技术和单纤双向结构，波长可调范围包括6波、12波、20波和40波等，10G和25G共用波长池，所有波长性能相当，配置灵活，系统容量大，并可以充分利用现有的DWDM成熟产业链。G.metro方案的光模块使用了EML+PIN+TEC方案，支持波长可调谐，虽然EML增加了成本，但可调光模块大大减少备品的种类和数量，维护简便。同时由于G.metro方案使用了衰耗较低的1550 nm波长，维护余量较高，可达3 dB。

为了解决成本问题，业内还提出了固定波长DWDM方案。但是该方案光模块型号多，其网络建设和运行维护复杂度相对高，由于系统容量大，光纤利用率高，目前在欧美等海外运营商有实际部署。

3 方案比较及应用建议

在5G C-RAN场景下，前传距离较长，需要占用较多主干光缆和管道资源，新建主干光缆和管道成本高、周期长，建议采用前传xWDM技术方案降低纤芯使用数量。表2对各类前传xWDM技术方案进行了综合比较。在选择方案时，还应考虑以下几个方面的因素：（1）在光纤的消耗方面：若采用xWDM技术则无需再规模建设前传光缆，对于6通道25G站，CWDM方案需要采用2根纤芯，而其他xWDM只需1根纤芯，具有一定优势。（2）在光链路预算方面：由于接入层光缆的接头较多，光缆损耗参差不齐，需要充足的光链路预算和充足的维护冗余（3 dB），鉴于此，LWDM和G.metro方案相对更优。（3）在前传性能方面：5G基站部署于室外，需要经得住高低温的考验，TEC温控可以有效提升高低温性能和寿命，降低前传系统故障率。（4）在成本造价方面：5G规模建设，对成本非常敏感，成本较高的APD和可调EML可能会成为MWDM和G.metro方案大规模应用的障碍。

表2 通道25G前传方案综合比较

综合上述考虑因素，对于100MHz的5G单宏站（3通道25G），使用无源CWDM方案性价比更高；对于电信联通共建共享站和未来有载波扩容需求的5G站点（6通道25G+N通道10G），LWDM技术方案更具有性能优势。

4 结束语

随着5G网络的深入部署和接入层光缆建维成本的进一步提升，xWDM技术方案成为更受运营商青睐的5G前传承载方案。各家运营商均根据自身需求和产业链情况布局了不同类型的xWDM技术方案，并逐步在现网应用，取得了预期的成效。