基于CWDM/环行器技术的5G 前传承载方案研究

杜 喆，程 明，张德智

(中国电信股份有限公司研究院，上海 200122)

0 引言

现有5G 前传采用传统CWDM 无源彩光技术[1]仅能规模部署O 波段前6 波(1 271 nm～1 371 nm)25G 光模块，满足3 通道前传承载的需求[2]。为满足5G 多频组网以及电信联通共建共享的需求，运营商也针对性地提出了MWDM、LWDM 和DWDM 等多通道解决方案[3-4]，但是上述方案均存在需新开发光芯片、产业链不成熟、国产化能力不足、价格高昂等不足。为此，项目组主导提出了CWDM/环行器方案，即基于CWDM 技术O 波段前6 波光模块，并在无源复用/解复用器中引入新型环行器，实现由1 根主干光纤完成同波长双向传输，完成6 通道前传承载[5-6]。

1 CWDM/环行器技术原理

CWDM/环行器技术主要利用现有CWDM 无源彩光系统的光模块，并在无源器件的复用器和解复用器中各增加了一个新型环行器，该环行器满足1 271 nm～1 371 nm波段的工作要求。借助新型全波段环行器可以实现5G前传系统上行和下行方向均采用相同的6 个工作波长(1 271～1 371 nm)光模块。CWDM/环行器方案的具体工作原理如图1 所示。

图1 CWDM/环行器方案工作原理示意图

以1 271 nm 和1 331 nm 成对使用的前传工作通道为例说明。工作通道的上行方向，AAU 设备上1 271 nm 波长光模块发送工作波长1 271 nm 的光信号通过复用器中的复用器和环行器组件，随后经过主干光纤到达CU/DU侧解复用器中的环行器和解复用器组件，被CU/DU 设备上1 331 nm 光模块接收。在通过复用器和解复用器时，利用其中的环行器具备方向隔离的特点[7]，避免与下行方向的工作波长1 271 nm 发生冲突干扰。但是，上行1 271 nm 波长光信号在主干光纤遇到光反射点后，会有部分反射光信号与下行1 271 nm 波长业务光信号同时被AAU 侧光模块接收，对前传系统造成影响[8]。工作通道的下行方向原理与上行方向相同。

2 基于CWDM/环行器技术的5G 前传设备工作波长配对方案

影响CWDM/环行器设备规模部署的关键的因素之一就是上行和下行工作波长如何配对部署使用的问题。目前，主要有两种工作波长配对方案，具体描述如下：

(1)同波长配对方案

CWDM/环行器前3 通道采用1 271 nm、1 291 nm 和1 311 nm 的3 个波长光模块，后3 通道采用1 331 nm、1 351 nm 和1 371 nm 的3 波长光模块，而且每个工作通道上下行方向采用相同的工作波长。同波长配对方案原理如图2 所示。

图2 同波长配对部署方案示意图

(2)异波长配对方案

CWDM/环行器前3 通道和后3 通道均采用6 波长光模块，其中前3 通道AAU 设备采用1 271 nm、1 291 nm和1 311 nm 的3 波长光模块，CU/DU 设备采用1 331 nm、1 351 nm 和1 371 nm 的3 波长光模块;后3通道AAU 设备和CU/DU 设备采用的光模块工作波长则正好相反。异波长配对方案原理如图3 所示。

图3 异波长配对部署方案示意图

以上两种工作波长配对方案各有优缺点，具体对比情况如表1 所示。

表1 两种CWDM/环行器波长配对方案优劣势对比表

综合比较上述两种方案，建议采用异波长配对方案，一方面沿用了传统CWDM 无源彩光的部署方式，不需要重新对CWDM 无源彩光设备的装维人员进行培训；另一方面也有利于今后的平滑升级不断业务。

3 规模部署中的关键问题分析

影响CWDM/环行器设备规模部署的另一个关键的因素就是如何有效降低前传光链路中的光反射问题。现以1 271 nm 和1 331 nm 配对(采用异波长配对方式)的工作通道为例描述光反射是如何形成的，如图4 所示。当CU/DU 设备上1 331 nm 光模块的下行发送光信号在主干光纤上经过一个活动连接器时，一旦活动连接器两端光纤存在未紧密连接等问题时，光信号除了大部分通过传输到远端AAU 侧外，基于菲涅尔反射原理[9]，还会有一小部分光信号产生反射回到本端CU/DU 侧1 271 nm光模块的接收器。与此同时，CU/DU 侧1 271 nm 光模块还会正常接收AAU 设备上1 331 nm 光模块发送过来的正常业务光信号。其他波长工作通道也存在同样原理光反射的干扰光信号。因为干扰光信号的存在，此时移动业务会产生一定误码。为保证移动业务正常运行，需要将光反射控制在一定范围内。

图4 CWDM/环行器前传系统光反射的原理示意图

为了有效控制前传系统中光反射，首选需要找到引入光反射的原因和具体故障点。通过大量现网光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)测试，并对测试结果分析表明光反射主要来源于前传光链路上的活动连接器，如图5 所示。

图5 为根据现网测试的OTDR 数据模拟绘制的典型5G 前传光链路OTDR 测试曲线。目前，密集城区内的5G 宏基站前传光链路全长在3～5 km 左右，在这短短的数公里光纤链路上存在着多个活动连接头。由于5G 前传和FTTx 光宽接入采用同一张光缆网，因此典型前传光链路上活动连接头主要分布在接入机房光配线架、基站侧二级配线光交、基站AAU 侧分纤箱以及在基站AAU 侧无源复用器处，以便于光纤之间的灵活连接[10]。其中，接入机房内光配线架架上的活动连接头数量最多，普遍在2～3 个，多则有4～5 个活动连接头，如图6所示。

图5 5G 前传光链路OTDR 测试曲线示意图

图6 5G 前传光链路接入机房光配线架OTDR 测试曲线示意图

针对光配线架活动连接头的调研及测试表明，目前普遍采用SC 型连接器，与以往采用的FC 型连接器(通过旋转实现紧固方式)相比较，虽然连接方便了[11]，但是引入光反射的隐患大大提高。这些隐患包括：

(1)人工操作不当，导致光纤端面未紧密连接，产生光反射；

(2)活动连接头两端光纤跳线接头内部弹簧的热胀冷缩松动等因素，导致跳接的两个光纤端面之间产生空气间隙，产生光反射。

由于在局端接入机房施工部署要求较为严格，这段光链路光反射质量相对较好。

其次，在基站侧分纤箱内也存在一定数量的活动连接头，如图7 所示。

图7 5G 前传光链路基站AAU 侧分纤箱OTDR 测试曲线示意图

针对AAU 侧分纤箱内活动连接头的调研和测试表明，同样普遍采用SC 型连接器，除了上述光配线架活动连接头固有的安全隐患外，还存在以下问题：

(1)装维人员不规范操作导致光纤跳线端面被划伤、污染产生光反射[12]；

(2)线路设计不合理，分纤箱内多次光纤跳接导致短距离内多个活动连接头端面产生的光反射相互叠加，进一步增强的光反射效果。尤其是光纤端面污染是一个普遍问题，针对被污染的光纤端面项目组开展了对比测试，被测光纤端面如图8 所示。

图8 基站AAU 侧分纤箱活动连接头光纤端面示意图

具体的对比测试结果如表2 所示。

表2 5G 前传链路反射光强度测试结果对比表(dBm)

表2 测试结果表明，当光纤端面受到污染后，会使得链路中的光反射明显增强，反射光强度值通常在-11 dBm左右；当对光纤端面进行清洁后，光反射有所改善，反射光强度在-16 dBm～-14 dBm 左右。由于光纤端面无法被彻底清洁干净，项目组更换分纤箱内其他光纤接头，再次测试光反射明显改善，反射光强度降低到-27 dBm～-25 dBm 的水平。而根据现网测试表明，部分质量好的前传链路反射光强度可以达到-30 dBm 左右。

针对上述现网测试，项目组提出了CWDM/环行器承载5G 前传时的前传链路施工验收改进方案，具体改进方案包括：

(1)在接入机房光配线架上，通过多次插拔配线盘外侧的光纤连接头，确保跳接两端的光纤端面紧密连接。如光反射未改善，还需要插拔配线盘内侧的光纤连接头。光配线架上空闲光纤端口需带上防尘帽，防止内部端面被灰尘等污染[13]。

(2)有条件的情况下，光配线架选用FC 型连接器，当使用SC 型连接器时，应当选择高质量光纤跳线完成局站内部的光纤跳接。

(3)在基站侧分纤箱内跳接时，应严格保证光纤端面清洁。通过专用光纤清洁棉纸，甚至含有酒精的清洁棉纸进行光纤端面的清洁[14]。有条件情况下，还可以借助专用显微镜验收光纤端面质量。一旦重新插拔连接和端面清洁均无法改善光反射时，则应更换光纤跳线。

(4)避免在基站侧分纤箱内多次跳接从而增加故障隐患点。建议通过单跳连接，并选用高质量光纤跳线连接无源复用器。

(5)鉴于前传链路验收CWDM 彩光设备接收光功率指标最差为-10 dBm(在灵敏度-14 dBm 基础上减去系统冗余2 dBm 和光纤色散引入的传输代价2 dBm[15])，结合前期实验室测试结果，为保证移动业务的正常运行，前传链路反射光强度指标应小于-25 dBm，建议小于-30 dBm。

在移动业务开通正常运行后，应实时监控移动业务运行状况。一旦出现业务误码率提高或业务中断，则需要排查前传链路反射光功率是否异常。

4 结论

面向5G 多频组网和电信联通共建共享的应用需求，现有5G 前传采用传统CWDM 无源彩光技术仅能实现单 纤3 通道承载。而MWDM、LWDM 和DWDM 等多 通道解决方案又存在缺乏光芯片、产业链不成熟、国产化能力不足、价格高昂等问题。为此，在光纤资源紧缺场景下，CWDM/环行器技术不失为一种更为有效且成本较低的多通道承载方案。该方案不仅能够最大程度降低前传网络的建设成本，充分保障前期移动前传网络的投资，而通过制定合理的波长配对方案以及有效控制前传链路的光反射，还可以兼容传统CWDM 无源彩光技术的前传网络的建设和运维流程，满足从3 通道到6 通道前传承载快速的平滑升级。