面向5G前传的新型CWDM承载方案

程明，杜喆，张德智

（中国电信股份有限公司研究院，上海 200122）

1 引言

近几年，5G网络实现了从小规模试点向大规模商用部署的快速转变，与此同时，5G前传的现网建设方案也随之发生了改变。目前，5G前传承载主流方案已基本完成从采用双纤双向灰光模块的光纤直连模式向采用6波3通道25 Gbit/s粗波分复用（coarse wavelength division multiplexing，CWDM）的无源波分模式转变。

随着中国电信与中国联通共建共享200 MHz频谱带宽，特别是5G网络流量快速增长，6通道25 Gbit/s前传承载需求日趋明显。现有25 Gbit/s CWDM方案中的前6波（1 271～1 371 nm）一般采用直接调制器激光器（directly modulated laser，DML），具有成熟的产业链支持和明显的价格优势。但是，在面临6通道12波25 Gbit/s承载需求时，CWDM方案的后6波（1 511～1 611 nm）面临色散代价大、需要采用电吸收调制激光器（electro-absorption modulated laser，EML）等问题，整体方案成本较高。业内为此提出多种解决方案并开展了相关的标准化工作，主要包括：细波分复用（LAN wavelength division multiplexing，LWDM）、中等波分复用（medium wavelength division multiplexing，MWDM）、密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）等。上述波分复用解决方案在高带宽、线路保护、管理维护等方面都有一定的提升和创新，但最受运营商关注的低成本部署需求尚未得到满足。

2 现网部署的移动前传方案及标准化

2.1 4G前传及标准化

4G时代，无线基站基带处理单元（base band unit，BBU）与射频拉远单元（radio remote unit，RRU）之间的前传互联主要采用通用公共无线接口（common public radio interface，CPRI），接口速率为10 Gbit/s及以下，BBU与RRU之间以光纤直连为主。4G部署初期，前传基本采用双纤双向灰光模块互连。随着BBU集中、RRU拉远的基站建设模式规模推广，光纤资源被大量消耗。因此，在4G部署中后期，采用能够节省一半光纤的单纤双向灰光模块成为主流。在一些光纤资源特别紧张的区域，有运营商少量部署了基于CWDM彩光模块的前传网络。初期采用CWDM彩光模块的前传方案价格非常昂贵，甚至达到灰光模块直连价格的5～10倍。后期随着应用规模的扩大，CWDM彩光模块价格有所下降，但仍是灰光模块的2～3倍。

为了规范4G前传光模块，中国电信集团公司牵头制定了行业标准YD/T 3131-2016《无线基站BBU与RRU互连用SFP/SFP+光收发合一模块》，首次提出将无线前传链路光功率预算模型作为前传光模块指标制定的依据。4G前传链路的光功率预算需要考虑传输（光纤含熔接）损耗、活动连接器损耗（多波系统增加5 dB的复用/解复用器插入损耗）和维护冗余等因素，该链路预算模型在5G前传光模块的指标制定中也被参考。该标准主要对10 Gbit/s及以下速率的双纤双向灰光模块、单纤双向灰光模块进行了指标规范，也涵盖了基于CWDM的彩光模块技术要求，包括ITU-T G.694.2标准规范的18个波长，从1 271 nm到1 611 nm，通道间隔20 nm，但并未对不同波长的彩光模块指标进行差异细化。

2.2 5G前传及标准化

5G时代，无线基站有源天线单元（active antenna unit，AAU）与分布单元（distributed unit，DU）之间的前传互联主要采用25 Gbit/s速率的增强型通用公共无线接口（enhanced CPRI，eCPRI）。对于低频段100 MHz频谱宽度、S111（单频三扇面站址）、64T64R站型，通常需要3通道25 Gbit/s的eCPRI链路。5G试商用及部署初期，主要由无线主设备厂商提供前传解决方案，以25 Gbit/s双纤双向灰光模块互连为主。2019年，运营商小规模集采和应用了25 Gbit/s单纤双向灰光模块，同年运营商省公司招标采购的25 Gbit/s CWDM彩光模块规模则超过百万量级。2020年，随着5G网络部署规模的扩大和建设进度的加快，特别是25 Gbit/s CWDM彩光模块价格快速下降，CWDM无源波分方案成为3通道25 Gbit/s前传承载的主流，国内运营商都开始大规模集采招标用于5G前传的25 Gbit/s CWDM彩光模块，部分无线设备的集采招标模型也明确要求采用CWDM无源波分方案。

现有用于5G前传的25 Gbit/s CWDM无源波分方案使用的波长是前6波（1 271～1 371 nm），主要原因是短波长的色散代价较小，且产业链更为成熟（前4波可共用100GE CWDM4产业链），具有明显的成本优势。对于3通道25 Gbit/s模型，DU侧彩光模块一般放置在局端，可以只用满足商业温度要求，而AAU侧彩光模块一般放置在室外，需要满足工业温度要求。在综合考虑产业链成熟度（1 351 nm和1 371 nm彩光模块产业链相对较弱）后，行业内基本形成共识：1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm CWDM彩光模块放置在AAU侧，1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm CWDM彩光模块放置在DU侧，且成对使用。与CWDM彩光模块配套应用的CWDM复用/解复用器，早期主要使用多个不同的介质薄膜滤波器（thin film filter，TFF）进行串联堆叠实现。每个TFF都能把特定的单一波长通过透射筛选出来，从而实现复用/解复用功能，因此，可以通过调整TFF的串联排列顺序来控制各波长的插入损耗。根据链路预算模型，由于长波长的发送和色散代价（transmitter and dispersion penalty，TDP）较大，所以对CWDM复用/解复用器的要求是长波长插入损耗更小，从而实现TDP与线路损耗的均衡。此外，为了满足4G与5G混传的场景，运营商提出了基于CWDM的12波方案，其中，1 271～1 371 nm波长为25 Gbit/s速率用于5G前传，1 471～1 571 nm波长为10 Gbit/s速率用于4G前传。12波CWDM方案在实际应用中相对较少，主要原因是现网对存量4G前传链路进行割接会影响正常业务，而考虑到新建的4G基站未来向5G基站平滑升级，会选择直接采用25 Gbit/s速率接口。

5G前传光模块行业标准的制定略慢于现网部署速度。2019年发布了25 Gbit/s双纤双向灰光模块行业标准YD/T 3125.2-2019《通信用增强型SFP光收发合一模块（SFP+） 第2部分：25 Gbit/s》，2020年发布了25 Gbit/s单纤双向灰光模块行业标准YD/T 2759.2-2020 《单纤双向光收发合一模块第2部分：25 Gbit/s》。目前，业内正在加紧制定针对5G前传场景的xWDM（CWDM、LWDM、MWDM、DWDM）相关行业标准。其中，涉及CWDM方案的行业标准有系统技术要求《城域N×25 Gbit/s波分复用（WDM）系统技术要求 第2部分：CWDM》和25 Gbit/s CWDM光模块技术要求《25 Gbit/s波分复用（WDM）光收发合一模块 第1部分：CWDM》。此外，与25 Gbit/s CWDM光模块配套使用的CWDM复用/解复用器技术要求《城域接入用单纤双向波分复用器 第2部分：CWDM》刚于2020年年底完成行业标准立项。

3 新型CWDM承载方案

3.1 新型CWDM承载方案架构

为了满足6通道25 Gbit/s前传低成本承载需求，中国电信股份有限公司研究院率先提出并验证了基于CWDM/光环行器的承载方案。该承载方案采用无源架构，主要包括DU侧光模块、DU侧复用/解复用器、AAU侧复用/解复用器和AAU侧光模块，总体架构示意图如图1所示。

图1 基于光环行器的CWDM承载方案架构示意图

其中，DU侧光模块采用CWDM前6波（工作波长1 271～1 371 nm），工作温度要求为商业温度或扩展温度。DU侧复用/解复用器集成了6波复用器、6波解复用器和光环行器，工作温度要求为商业温度或扩展温度，DU侧彩光模块发送的光信号经复用器合波后，通过光环行器到达线路侧，从AAU侧过来的合波信号则经过光环行器和解复用器到达DU侧彩光模块。AAU侧复用/解复用器集成了6波复用器、6波解复用器和光环行器，工作温度要求为工业温度或扩展温度，AAU侧彩光模块发送的光信号经复用器合波后，通过光环行器到达线路侧，从DU侧过来的合波信号则经过光环行器和解复用器到达AAU侧彩光模块。AAU侧光模块采用CWDM前6波，工作温度要求为工业温度或扩展温度。

该方案利用CWDM前6波，通过复用器和解复用器实现合分波，利用光环行器的方向性实现合波信号在主干光纤中的单纤双向传送，从而完成6通道25 Gbit/s的承载。其中，光模块接收机为宽谱接收，链路的波长配对由光模块接收机与复用/解复用器之间光纤连接进行选择。两端波长配对建议沿用原有CWDM前传波长配对方案，即1 271 nm与1 331 nm波长配对，1 291 nm与1 351 nm波长配对，1 311 nm与1 371 nm波长配对。

3.2 新型CWDM承载方案的优势与面临的挑战

该方案使用CWDM前6波彩光模块，产业链最为成熟，相比其他方案有明显的成本优势。与原有CWDM无源波分方案相比，新方案使用的彩光模块指标略有提升，这是因为该系统引入一对光环行器会带来1 dB左右的插入损耗。此外，前6波彩光模块都可能放置在AAU侧，因此1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm彩光模块也需要满足工业温度或扩展温度的要求，该需求可以通过在光模块中集成低成本的加热器来满足。对于复用/解复用器，其集成的6波复用器和6波解复用器非常成熟，支持CWDM前6波的光环行器技术上不复杂并已有成熟商用产品，完全能够满足规模部署的供货需求。

该方案面临的最大挑战是引入光环行器后前传链路上的反射光更容易对正常的业务信号光产生干扰。采用该方案的前传链路分为3段：DU到复用/解复用器（DU侧）之间的局内跳纤段；复用/解复用器（DU侧）到复用/解复用器（AAU侧）之间的主干光纤段；复用/解复用器（AAU侧）到AAU之间的配线光纤段。根据前传链路光反射点的位置不同，产生的反射光对正常业务光信号的影响也不一样。以DU侧发送的业务光信号为例，不同光反射点对其影响如图2所示。

图2 不同光反射点对CWDM/光环行器承载方案的影响

（1）当光反射点出现在DU到复用/解复用器（DU侧）之间时，产生的反射光将从光反射点折返回光模块的发送端。光模块发送机的光回波损耗容限指标能够确保光模块容忍一定的反射光信号，此外，25 Gbit/s光模块在发送端内置有隔离器来降低反射光对光模块发送机的影响。

（2）当光反射点出现在复用/解复用器（DU侧）到复用/解复用器（AAU侧）之间时，产生的反射光将从光反射点折返，与AAU侧发送的相同波长业务光信号一起，经过复用/解复用器（DU侧）中的光环行器和解复用器，到达DU侧光模块的接收端。此时，AAU侧发送的正常光信号将受到反射光的同频串扰，降低链路的光信噪比（optical signal noise ratio，OSNR），从而影响正常业务的承载。

（3）当光反射点出现在复用/解复用器（AAU侧）到AAU之间时，产生的反射光将从光反射点折返回复用/解复用器（AAU侧）中的光环行器，因为光环行器具有方向性、高隔离度和高回波损耗等特性，因此反射光将不会继续传播。

从上述分析可知，主干光纤的链路质量情况将是影响该方案在现网应用效果的主要因素。

对于正常连接的主干光纤，其链路光反射一般较小，因为光纤连接器和光环行器的回波损耗很大。可能出现较强反射光的情况主要有：光纤连接器或光纤断开、光纤连接器虚连接、光纤端面脏污等。

当光纤连接器或光纤断开时，正常业务光信号将中断，而断开的端面可能产生较强反射光并形成光路环回，从而可能会影响现场运维人员的故障判断。

当光纤连接器虚连接或光纤端面脏污时，会增加光纤线路损耗，并有一定概率产生相对较强的反射光，从而导致业务光信号OSNR下降。当业务光信号OSNR劣化到一定程度时，会影响光模块接收正常的业务光信号。

此外，当该方案承载3通道时，如果波长配对沿用了原有CWDM无源波分方案，即前6波波长两两配对，则业务光信号将不受反射光的影响，因为反射光与业务光不会出现同波长且同方向的情况。

3.3 线路光反射的影响分析

在传输系统中，OSNR一般由式（1）定义，单位为dB。

其中，Pi是第i个通路内的信号功率，单位为dBm，Ni是等效噪声带宽Bm范围内窜入的噪声功率，单位为dBm，Bm是噪声等效带宽，Br是参考光带宽。

对于CWDM/光环行器方案，前传链路距离一般较短，当OSNR劣化可能影响正常业务光信号接收时，反射光将明显强于后向瑞利散射噪声，等效噪声主要需要考虑反射光的因素。当接收到的业务光信号与反射光信号中心波长相同时，反射光对业务光的影响一般最大。此时，OSNR可以简化为第i个通路内信号功率（单位dBm）与反射光功率（单位dBm）的差值。

参考SDH通信系统和WDM光纤传输系统工程设计要求，10 Gbit/s传输系统接收机OSNR容限为20 dB，25 Gbit/s传输系统接收机OSNR容限约为24 dB（提高4 dB左右），即接收端比特误码率不低于10−12时，接收机可以容忍的最小OSNR值为24 dB。

4 新型CWDM承载方案的实验室评估与现网试点

4.1 实验室测试评估

新方案使用的CWDM彩光模块与原方案相比，只在发光功率或接收灵敏度指标上提高了1 dB，以及要求安装在AAU侧的CWDM 6波（工作波长1 271～1 371 nm）光模块工作温度均满足工业温度。25 Gbit/s CWDM彩光模块的可靠性和稳定性已经过行业内光模块厂商测试和现网规模部署的检验。对于内置光环行器的CWDM复用/解复用器，其工作温度要求满足扩展温度，插入损耗指标增加1 dB。光环行器、CWDM复用器和解复用器均为无源器件，作为成熟商用器件，其可靠性和稳定性也经过行业内光器件厂商的测试检验。

为了评估光反射可能造成的影响，中国电信股份有限公司研究院定制了集成6波复用器、6波解复用器、光环行器的CWDM复用/解复用器，通过了第三方检测机构的功能、性能和高低温在线可靠性测试，并在实验室开展了利用新型CWDM/光环行器方案模拟承载前传链路的测试工作，得到以下结果。

· 当光纤链路正常连接时，该系统在室温及高低温环境下均能够正常工作。

· 在CWDM彩光模块和复用/解复用器之间增加反射点或提高反射光光功率，正常业务不受影响。

· 当主干光纤段的光纤连接器或光纤断开时，可能产生较强的反射光信号。特别地，当复用/解复用器的线路端口断开时，支路侧同波长的出射光比入射光光功率小18～20 dB。该出射光不是因为光环行器串扰导致，而是因为线路侧端口出现大的光反射导致，如图3所示。此时，业务处于中断/环回状态，业务板卡告警指示灯变红，但是端口告警指示灯可能显示正常，需要网管或现场运维人员基于复用/解复用器不同端口的光功率数据做出综合故障判断。当线路端口连接恢复正常后，无线设备能够从环回状态中恢复正常。

图3 复用/解复用器线路端口断开后反射光的传播路径示意图

· 当人为造成光纤连接器虚连接或光纤连接器端面脏污时，有一定概率在产生较强反射光的同时业务光信号不中断。此时，需要根据光模块接收端的业务光信号光功率和反射光信号光功率来初步判断是否会对业务的正常接收产生影响。

为了评估反射光对业务的影响，中国电信股份有限公司研究院搭建了测试环境，如图4所示。光模块1模拟正常业务光信号的收发，光模块2模拟发送反射光，温度控制管理模块通过温度调节来控制光模块2发送光信号的中心波长，可调光衰减器用于控制业务光信号和反射光信号的光功率。

图4 反射光对业务影响实验室评估测试示意图

实验室测试发现，业务光信号能否正常传输与反射光的中心波长和光功率关联度很高。反射光与业务光的中心波长越接近，光模块对反射光的光功率容忍度越低，即要求业务光与反射光的光功率差值越高。图5为实验室测试环境下，误码率为10−12时，不同测试光模块接收端反射光信号与业务光信号的中心波长差值和光功率差值之间的关系。

图5 业务光信号与反射光信号的光功率差值和中心波长差值之间的关系

当反射光与业务光中心波长非常接近（≤±0.1 nm）时，为确保传输纠前误码率<10−12，业务光应比反射光的光功率高23.5 dB以上，测试结果与理论计算基本一致。随着反射光与业务光中心波长偏差越多，正常业务承载对业务光与反射光之间的光功率差值要求也越低。当反射光与业务光中心波长之间的差值超过0.4 nm后，业务光比反射光的光功率高8 dB以上，就能保证传输纠前误码率小于10−12。此外，5G前传25 Gbit/s eCPRI采用前向纠错（forward error correction，FEC）RS(528, 514)有约5 dB的编码增益，会降低对接收端OSNR的要求。实际应用中，相同规格光模块的发射中心波长会有差异，但为保证接收端的反射光不对正常接收的业务光产生影响，建议线路测试时确保业务光应比反射光的光功率高19 dB以上。

4.2 现网试点

为了验证新型CWDM承载方案的可行性，2020年，中国电信在多个地市公司开展了现网试点测试工作。试点场景包括：同波长配对部署3通道25 Gbit/s、波长两两配对部署3通道25 Gbit/s、部署6通道25 Gbit/s。目前，所有现网试点基站均运行良好。

现网测试中发现，城市范围内部署的5G基站普遍前传距离较短，接收端光功率也较大。同向同波长的业务光与反射光之间的差值正常情况下都超过20 dB（复用器/解复用器与主干光纤连接后在线测试），部分线路质量好的光纤中业务光与反射光之间的差值甚至超过30 dB。现网试点过程中也发现了个别主干光纤存在线路质量较差、反射光较强的情况，此时，光纤链路在线路损耗等指标上也不满足要求，需要进行施工整改。绝大多数光反射问题可以通过重新插拔光纤和清洁光纤端面来解决。

5 结束语

基于CWDM/光环行器的5G前传承载方案，利用CWDM前6波波长，通过光环行器的方向性实现单纤双向12波光信号的传送，能够满足6通道25 Gbit/s的低成本承载需求。通过实验室测试和现网试点，初步验证了该方案的可行性及稳定性。采用该方案的前传系统对反射光更加敏感，可能会对后续现网建设、施工、验收及维护带来一定挑战，但这些问题可以通过制定相关规范和进行流程管理予以解决。