无源波分在5G建设中的应用

戚清岭 陈帅

【摘要】5G前传无源波分系统主要用于解决C-RAN架构中DU-AAU间光纤拉远，传输光纤资源缺乏的问题，通过无源波分复用器将不同波长的业务光信号复用在一根光纤上进行双向传输，取代光缆敷设，为运营商提供一种低成本、高性能的光纤扩容解决方案。本文从无源波分复用的原理开始分析，建立了无源波分传输模型，并对常见无源波分应用场景模型进行分析，并给出了相应的应用建议。

【关键词】5G前传；无源波分复用设备；应用场景

中图分类号：TN929                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.15.006

随着5G网络的部署及普及，各大运营商正在积极推进5G网络在全国的建设步伐。目前5G基站建设正在由城区向县城、乡镇及农村推进。原有的宏站建设模式也从过去的D-RAN模式向C-RAN模式演进。随着BBU的集中放置，大量的主干光缆资源会被占用，目前城市的管道线路资源已日趋紧张，新建光缆的难度大、投资高、时效慢，不利于5G基站的快速推广。无源波分设备就是利用不同波长的业务在一条光纤中传输，从而减少光缆纤芯的需求，能达到更快的建设效果。在实际工程应用中，无源波分设备传输距离会受跳接及本身插入损耗的限制，因此需要根据不同的建设场景提供不同的无源波分部署建议。

1. 无源波分的技术基础

无源波分技术的核心就是将不同波长的光信号耦合在同一条光纤中传输，在接收端再将这些不同波长的光信号分离出来，达到节约光缆资源的目的。

光纤类型不同，波长有不同的衰减，目前国内大量使用的是G.652D光纤，此光纤相比其他类型的光纤在1383+/-3nm水峰处的衰减系数最低，同时PMD（色散）也更小。G.652D光纤正常的衰减系数：0.35dB/km（1310nm），0.25dB/km（1550nm）。

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）：信道间隔20nm，工作波长范围为1271～1611nm。因此CWDM对激光器、复用/解复用器的要求不高，扩容成本较低。因此多在中、短距离的城域网中应用，并且无法通过光纤再次放大增加传输距离，因为CWDM整个光谱宽340nm，光放增益无法达到。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）：最小信道间隔0.2nm，可以传输最多192个波道。适合大容量、传输距离比较远的网络，同时可以实现EDFA光纤光放器对信号放大，实现超长跨距传输。

2. 无源波分的组成

（1）波分复用器

通过耦合将多个波长的信号复用到一根光纤中传输；复用器是无源设备，无须插电就可以传输光信号。

（2）彩光模块

彩光模块都对应特定的波长，该波长和波分复用器的波长相匹配；模块的传输距离有10km、40km、80km等规格。

当前，无源波分在5G前传方案中广泛应用。波分系统由光纤、彩光模块和复用器组成，其中复用器是关键器件。

常见的波分复用器有以下几种：介质薄膜型波分复用器、熔锥光纤型波分复用器、棱镜色散型波分复用器、衍射光栅型波分复用器。

复用器是无源器件，主要完成多个光波长的复用和解复用，其外形和封装方式和PON系统中的分路器几乎一样。复用器的每个端口都对应一个特定的波长，并用不同的颜色进行了标识。

（3）复用器的内部结构

无源波分除了耦合器和连接光纤外，核心器件是几个偏黄色的约2cm长的玻璃棒：即多层介质膜滤波器（以下简称“滤波器”），放大来看如图1所示。图1中滤波器下方几根绑在一起的几根透明的小玻璃棒是光纤接头保护点。

每个滤波器有3根连接尾纤。其中一端连接有2根尾纤，分别是输入端和反射端，另一端连接的尾纤为输出端。每个滤波器可以从输入的多路光信号中过滤出特定的波长，而将其他波长从反射端反射出去；合波则是相反的过程。

3. 无源波分的性能指标

（1）无源波分系统模型及波长分配

無源波分用于承载基站传输业务时，主要采用1∶6（即1根光纤传输6个波长）、1∶12和1∶18等。

粗波分最大支持18个波长，因此最大支持1∶18的模型，超过1∶18的模型则需使用密波（非G.652D光纤应避开1371、1391nm和1411nm波长），波长的选择应统一，这样方便管理。

（2）系统的光功率指标

由于BBU/DU与RRU/AAU间的网络是结构复杂的光纤分配网，故BBU/DU和RRU/AAU的光功率预算除考虑光缆线路的长度因素外，还要考虑光链路中无源波分的插损和活接头的数量。常规1∶6无源波分插损参考值2.6dB，典型值1.1dB；1∶8无源波分插损参考值2.8dB，典型值1.2dB；1∶12无源波分插损参考值3.2dB，典型值1.5dB；1∶18无源波分插损参考值3.5dB，典型值1.7dB。（参考值是当前主流厂商执行的最差标准，典型值是多数主流厂商可达到的水平）

（3）系统的光功率预算指标测算

通常，城区BBU/DU与RRU/AAU间的光纤链路长度一般不超过8km，链路中的活接头数量约6个，则系统的光功率预算需满足：

0.45dB*8km（光纤及熔接衰减）+0.5dB*6个（活动接头衰减）+1.1dB*2个（1∶6无源波分插损）+2dB（冗余）=10.8dB

若光链路长度、活动接头数量或无源波分插损与上式偏差较大，应重新计算。

（4）无源波分设备的其他特性

由于RRU/AAU是室外工作设备，与其对接的波分复用器需要具备以下几个特性：

·工作温度：-40度～85度

·防水防尘：IP67

·安装方式：19英寸、抱杆或者挂壁

·集成度：支持3个插片（1U）、支持16个槽位（3U）

·支持混传：支持多种速率业务的混传

·业务能力：支持CPRI等业务的透明传输

4. 无源波分在5G建设中的应用

4.1 前傳纤芯需求分析

D-RAN部署场景下的CU/DU与AAU同址，前传采用光纤直驱方式。C-RAN部署场景，前传可采用光纤直驱、彩光+无源波分和有源系统等方式。2G/4G/5G全集中场景下，每个宏站天面需部署5套RRU/AAU。一个满配的宏基站，各厂家BBU和AAU的前传光纤需求数量分别为36芯、36/48芯和42/54芯。目前基站接入光缆多为24、48芯光缆，无法满足2G/4G/5G全集中的前传纤芯需求，需要采用波分复用手段才能满足集中部署情况下的前传纤芯需求。目前可采用的解决方案包括有源波分、单纤双向光模块、无源波分等。从纤芯使用效率方面考虑，有源波分方案最优，无源波分其次。从单站造价方面考虑，无源波分方案最优。

4.2 无源波分链路功率预算

以开通1个S111的5G站为例，需要6个25Gbit/s彩光模块，典型情况下可用1套1∶6无源波分设备开通，使用纤芯数由6芯降为1芯。传输线路的最大损耗为9.3dB，5个跳接点以下最大可以传输12.3km。

注：传输链路功率预算=端到端衰耗预算-无源波分器件损耗=（发光功率－接灵敏度－维护余量）-无源波分器件损耗。

其中发光功率：激光器的发射光功率，10Gbit/s光模块为-3.8～+3.2dBm，25Gbit/s光模块为0～+6dBm；测算时取最小发光功率。

接收灵敏度：指的是PIN管的最低接收光功率，10Gbit/s光模块为-14dBm，25Gbit/s光模块为-13.8dBm。

维护余量：指的是全程端到端的衰耗，包括无源波分、激光器、光纤和光纤连接器等。无源波分损耗指合波器和分波器的插入损耗之和，1∶6的无源波分要求小于3dB、1∶12无源波分要求小于4dB、1∶18无源波分要求小于4.4dB。

为了方便计算出光缆网的配置模型，将功率预算折算为跳纤点数量和光纤距离的公式如下。

传输链路的功率预算=灵活接头损耗+光纤损耗=跳纤点数量×单跳纤点的接头数×单个灵活接头损耗+光纤距离×单位光纤损耗=跳纤点数量×2×0.5dB/个+光纤距离×0.35dB/km。

以S111无线基站为例进行测算，1个基站需要6个波道，在现有的传输光缆网结构下，以常规的5个跳纤点为例计算。在只考虑端到端传输链路上各种损耗，而不考虑色散的条件下。

①如果采用1∶6无源波分，全25Gbit/s光模块，传输链路的余量为9.3dB，根据覆盖模型，现有的传输网结构下，在5个跳纤点情景下可满足最大传输距离为12.3km。

②10Gbit/s速率下，由于发光功率较低，无法满足5个跳纤点，改为4个跳纤点场景下，最大传输距离只能达到2km。

③1∶18无源波分器的插入损耗较大，10Gbit/s速率下，基本很难满足5个或者4个跳纤点，不建议使用。

4.3 几种常见的无源波分在5G基站回传中的应用

（1）新建5G基站与4G不共站，如图2。光交到5G基站之间新布放配线光缆，汇聚机房到光交主干光缆利旧且资源紧张。现网4G基站前传为光纤直驱，消耗光缆资源较多，在此场景应用无源波分时，对4G前传不做改造，5G前传采用无源波分+彩光方式。以1∶6无源波分（2台）+25G彩光模块（6块）进行系统配置，远端光模块波长配置为：1271nm、1311nm、1351nm；局端光模块波长配置为：1291nm、1331nm、1371nm。

（2）新建5G基站与4G基站共址、无纤芯，如图3。需腾退4G基站纤芯，采用4G、5G分别用无源波分或4G、5G采用无源波分混传两种方案进行。

（3）新建5G基站与4G基站共址，主干光交纤芯不足，配线光缆有纤芯，如图4。可以把无源分光器布放在主干光交，节省主干纤芯，配线光缆正常使用。

5. 结束语

5G前传无源波分系统主要用于解决C-RAN架构中DU-AAU间光纤拉远，传输光纤资源缺乏的问题，通过在DU和AAU侧部署无源波分复用器，再使用配套的彩光模块替换无线设备上原有的灰光模块，从而提供不同波长的业务光信号，两侧的无源波分复用器再将不同波长的业务光信号复用在一根光纤上进行双向传输，取代光缆敷设，为运营商提供一种低成本、高性能的光纤扩容解决方案。但由于无源波分器自身引入的插入损耗，相比裸纤方案将会减少传输距离。

应用无源波分开通5G基站，建议优先使用1∶6或1∶12无源波分设备。对于同一物理站址多系统的集中需求，建议使用多套1∶6或1∶12无源波分设备进行叠加使用。

如果DU至AAU间距离小于10公里，需要考虑光功率过载对通信质量造成的影响。

参考文献：

[1]梁大明.无源波分与5G传输[J].科技风，2020（14）：128.

[2]吴健辉，陈銮雄.无源波分复用设备在5G前传中的应用场景研究[J].电信工程技术与标准化，2020，33（01）：55-60.