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2020/7/8 23:19

全无源有保护的O-Band CWDM型5G前传创新方案

移动Labs  徐荣 邓春胜

Labs 导读

对低成本O-Band高速彩光光模块、全无源/全彩光的WDM双星形结构设计、远端无源而仅在局端增加有源保护板来实现OLP保护的新机制进行了研究。提出的创新WDM前传设备及产品方案具有可野外安装、可灵活部署、低成本、高可靠性等技术优势。

1 5G前传面临光纤资源快速耗尽的窘境

根据3GPP 5G RAN功能切分,5G重构为AAU、DU和CU多级架构,与此相对应的传送网的网络部署可分为前传、中传和回传。围绕5G新无线技术的普及使用,对前传网最本质的需求已明确为大粒度25Gbit/s的高速高效直连透传。

5G前传网络主要有分布式无线接入网(D-RAN)和集中式无线接入网(C-RAN)两种部署模式,D-RAN模式就是传统的一体化基站的部署模型,而其中新型的C-RAN又可细分为C-RAN小集中和C-RAN大集中两种部署模式。

4G相比,5G所使用的频率更高,单基站覆盖范围较4G小很多,这意味着5G网络要达到与4G网络相同的覆盖能力就需要更多的基站以更密集的方式进行覆盖。如果大量密集的基站直接使用光纤直连来解决覆盖问题,那么就需要耗费大量的光纤纤芯资源和管孔/管道的敷设资源。

5G基站接入光缆的一个非常普通的综合业务接入区的组网情况如图1所示,一个综合业务接入区常规情况下包含2个汇聚机房,4~6个一级分纤点,6个以上二级分纤点。当综合业务接入区光缆充足、AAU和基站距离较近时,都可使用光纤直连的方式,这样可以利旧综合业务接入区光缆资源,接入方式可就近接入二级分纤点连接DU;或者就近接入二级分纤点,再经过联络光缆(配线/主干光缆)连接DU。而当已有光缆资源不能满足需求时,就需要通过新建光缆方式来连接DU。

图1 综合1.业务接入区5G接入模型

可见,5G发展及C-RAN部署模式对于主配线光缆的最大冲击是纤芯资源消耗巨大。一般情况下,对于4G/5G基站业务,每个BBU有3个扇区,每个扇区分D频段和F频段,其中D频段设置3个载波,F频段设置1个载波,采用单纤双向光模块和D频IR压缩技术后,每个基站点需占用1×3×3=9根纤芯。若一个机房内部署10个BBU,则需要预留90根纤芯。对于室内分布和集客专线、家庭宽带业务,假设1个C-RAN区内有2个微网格,每个微网格内有3000户,通过测算1个C-RAN区内需要120根纤芯。

若4G基站实行RRU-BBU双路由保护机制,5G基站不实行双路由保护机制,则配线光缆纤芯需求为8×9×1+2×9×2+120=228芯,若5G也采用双路由保护,配线纤芯就需要348芯。这样一来,配线光缆就需要布放288芯以上的光缆,主干光缆就需要采用432芯以上的光缆了。在考虑到并非所有路由都需要保护的情况下,主干光缆均采用288芯光缆,围绕1~2个综合业务机房进行建设,覆盖2~3个C-RAN区。若主干光缆采用432芯光缆,可覆盖3~4个C-RAN区。

从以上分析可以看出,5G前传网络建设对光缆资源的挑战巨大。另外,针对C-RAN大集中的应用场景,如果仍采用光纤直连,传输距离也成为无法逃避的大问题,因此,为降低光缆建设成本,节省光纤消耗,就必须使用波分复用(WDM)设备来解决前传长距离传输和光纤耗尽问题。

2 全无源O-Band CWDM的创新技术

2.1 低成本的O-Band CWDM彩光光模块

前传网除了光纤以外,还需要使用CPRI/eCPRI接口的光模块或光设备。由于5G前传是室外应用,因此需要可以野外安装的工业级(-40°C~85°C)光模块。目前为实现更宽温度范围的光模块技术方案主要有:(1)商业级(0~70°C)25Gbit/s直调(DML)芯片+带制冷封装方式,优点是对激光器芯片要求低,缺点是增加了功耗与成本;(2)直接采用工业级的25Gbit/s DML芯片,优点是封装简单、功耗成本低,缺点是工业级激光器芯片工艺实现困难(如掺铝量子阱材料生长)。

针对25Gbit/s的高速光模块,各主流器件和光模块厂家都在尝试基于10G波特率的DML(直接调制激光器)工温芯片,以超频方式来低成本地实现25Gbit/s的高速收发光模块。其基本思路都是利用更复杂的电调制解调技术来降低模块对激光器物理带宽的要求或减少激光器的使用数量来降低成本的。一种方法就是利用PAM-4(四电平脉冲幅度调制)技术实现1个周期传输2bit信息,相对于NRZ(非归零码)的1个周期传输1bit信息来说倍频了一倍。另外就是使用更高阶的调制技术或多种调制技术混合使用,例如华为采用离散调音技术(DMT)来实现单波100Gbit/s 的光模块。

目前市场上可成熟规模使用的、符合O-band CWDM中心波长分配表(如表1)要求的前6个波的25Gbit/s光模块最新的市场价格已降低到400元/个的水平,而同样速率的工作于C-band的光模块价格却仍在3000元/个以上,由此可见使用O-band CWDM光模块构建的波分系统的成本优势是非常明显的。

如表1所示,我们创新设计的全无源、有保护的O-band CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)型5G前传产品,就采用CWDM在O-band的前6个工作波长的彩光光模块,并以这6个波长为单位进行堆叠,通过模块化设计,可以提供超低成本的6波、12波、18波、24波等5G前传网光模块解决方案。

表1  O-band CWDM的中心波长分配

采用标准化、模块化架构,使得设备可实现低成本灵活配置,例如实现一个基站一根光纤的前传多方向汇聚。这种配置模式完全匹配5G前传需要(S111配置需要6个光方向收发),能够以6波为单位将分散在多个基站位置点的高速光连接在综合业务接入点进行多方向的大汇聚、大集中,是构造C-RAN大集中的最佳方案。

另一方面,可以共享在数据中心商用规模巨大的、成熟的光模块产业链,可以通过PIN/APD(光电二极管/雪崩二极管)、DML/EML(直接调制激光器/电吸收调制激光器)、NRZ/PAM4(非归零码/脉冲幅度4电平调制)、CWDM/LWDM(粗波分复用/局域网波分复用)、波片/AWG(阵列波导光栅)、PIC/PLC(光子集成电路/平面波导电路)、BiDi/非BiDi(单纤双向)、灰光/彩光、室内/室外等标准光模块的灵活选择配置,来满足各种速率、各种传输距离和各种线路功率预算的指标要求。

2.2两端全无源的低成本双星形WDM架构

5G前传的高速光纤连接需求让运营商普遍面临接入光缆匮乏的痛点,而已在干线和核心网络广泛使用的波分复用(WDM)系统能够在单根光纤上就可非常简单地提供40波,甚至多达96波的波长通道。因此我们完全可以顺理成章地将WDM技术引入到前传网中,让WDM为前传网,简单、快速地提供大量波长通道(相当于提供了大量的虚拟光纤),这样就可以大大节约前传网的接入光纤使用量,解决运营商接入光纤匮乏的痛点问题。

针对光纤直驱需要消耗大量光纤资源的问题,我们提出了面向5G前传的低成本的新型波分复用(WDM)设备的原理架构如图2所示。为了降低成本,该创新方案首先采用无中继放大、无DCM(色散补偿模块)、无中间OADM(光分插复用器)跳接的设计思路,核心架构采用两端全无源的双星型组网拓扑。

图2 两端全无源的双星形纯透传直连的WDM直驱结构

在两端全无源的双星形波分复用(WDM)方案中,在AAU一侧直接采用彩光模块( 6/12/18波)和无源合分波器件,无源合分波器不需要带电工作,完全可以部署在野外的分纤箱、接头盒、光交箱等处。在基带站点DU侧,也全部采用彩光模块,由无源合分波器进行波长复用/解复用,实现AAU到DU对应波长的连接。

该方案的突出特点就是在线路侧只需一根工作纤芯,对主干光纤资源消耗极低;而且远端系统无需供电,具备室外部署能力。可以实现点到点、环网、星型和链型等多种组网场景需求。但该方案有一个麻烦点就是每个汇聚方向所使用的波长必须要按固定顺序排列,两端所使用的光模块是一一对应的,因此需要全WDM系统统一规划。

前传WDM双星形直驱设备是典型的点对点的拓扑结构,它去除掉了ONU(光网络单元)设备和OLT(光线路终端)设备,也让OTN(光传送网)、PTN(分组传送网)、SPN(切片分组网)等设备的电层处理成为多余。

WDM双星形结构的上下行传输均使用独立的、不同颜色的透明波长通道,不需要进行任何专门的MAC层协议处理,通道之间不需要带宽的动态分配,故系统的复杂度大大降低,传输效率也得到了大幅提高。在提供更高带宽的高速直连通道的同时,传输时延也是所有前传方案中最低的。

两端全无源的彩光前传波分系统可以实现免连线、免规划和免维护。使用简单可靠的低成本无源系统来解决点对点传输,减少了大量的有源设备,避免了由于OTDR等有源设备的高插入损耗对光纤线路等的测量限制,因此可以免去复杂繁琐的运维管理,真正实现免维护和免管理的省心服务。

2.3能保持远端无源的OLP保护机制创新

在传统的不使用OTN帧结构的有源WDM系统中,为了应对风险实现自愈能力,一般通过OLP(Optical Line Protection,光线路保护)功能,在工作线路失效时将工作线路自动切换到保护线路(光缆)上,以保证业务不发生中断,如图3所示。

OLP保护主要分为两种类型:1+1保护方式和1:1保护方式。OLP 1+1保护主要是采用双发选收的保护方式,因此倒换时间快、稳定性好;1:1的OLP保护方式主要是采用选发选收的保护方式,需要在两端交互APS自动保护倒换协议信息来协调系统两端的保护倒换动作,因此倒换时间稍慢。从上面的论述我们不难发现,这两种OLP模式都必须要求两端设备是有源的。那么,如果我们想要把这种OLP保护手段用于前传网络就要面临必须在室外的天线一侧给WDM设备提供电源的巨大压力,这也同时说明传统的具有OLP功能的有源型WDM设备是无法在野外部署的。

图3 有源WDM系统的OLP保护倒换方式

针对传统的有源波分方案需要供电而无法野外安装的问题,以及传统的纯无源波分方案不具有任何的保护措施这样的不足,我们创新性地提出了面向5G前传的可在保持远端无源特性的情况下,仅仅通过局端增加有源保护板卡即可实现端到端全彩光OLP保护功能的新机制。如图4所示,局端侧采用有源保护板卡,远端侧仍保持为无源状态,除了有源保护板外两端是全无源全彩光的,这样非常便于部署和维护,同时满足高可靠性,大大降低5G建设的综合成本。既能极大程度缓解光纤资源的压力,又能兼顾成本、管理和保护优势,助力运营商低成本、高带宽和快部署5G前传网。

图4 全无源、全彩光、带保护的O-band CWDM前传设备工作原理

面向5G前传全新设计的创新型O-band CWDM前传传输系统的保护方案是一种全新的OLP保护机制。如图4所示,在局端使用选发选收。在远端使用并发并收的模式,发送光信号经过主、备用线路同时传输到对端,而并收是根据接收到的两路信号的功率,选择接收一路信号。一旦主用线路的光纤发生故障造成通信质量下降时,主用线路的接收端检测到信号的功率下降或失效后,自动将传输信号从主用线路切换到备用线路。该方案最大的优势就是保持了远端波分复用设备的无源特征,在获得无源系统的成本优势的同时又解决了光层的线路保护问题。

该创新方案在保持系统端到端无源的基础上,仅通过增加有源保护板就可支持OLP 保护功能;基于LOS告警触发,无需信令交互,支持对各通道的收发光功率的监测功能,易于故障定位与维护;OLP保护功能支持热插拔,可根据应用场景选配;保护板取电方式灵活多样;支持SNMP、Web等多种图形化界面管理,提供电信级网络管理与保护功能;全无源保护方案可以实现低时延,纯物理传输,符合5G前传网对时延要求小的特性。全无源保护方案造价低,有利于运营商运维要求,对全网可以实现可视化管理。

3 O-band CWDM带OLP保护的前传设备应用方案

为了减少在CU/DU成规模大集中的C-RAN模型组网情况下,一旦发生光缆中断的情况,将会很大范围地影响到下连的AAU站点的正常工作,同时为了提升5G面向自动驾驶、企业应用等综合业务网络的高可靠性,采用本文提出的全无源、全彩光、带保护的前传WDM创新方案就可提供基于在物理上隔离的不同光缆路由的光层OLP保护功能,保护倒换时间小于20ms,大大地提升了前传网络的可靠性;远端系统无需供电,具备室外部署能力;可以实现点到点、环网、星型、链型等多种组网需求,适用于以下业务场景:

(1)在综合业务接入区光缆紧张、基站需通过多段主干配线光缆连接AAU、且AAU和基站距离较远时。

(2)在光纤资源匮乏地区,无管道资源,无条件新敷设光纤。

(3)受工期限制较大时,可作为应急方案临时解决光纤问题。

(4)要求提升5G前传网络的可靠性、可管理性和可运维性的环境。

图5  全彩光带保护的WDM前传设备的双路由保护典型应用该方案在实际组网中的保护应用场景如图5所示,采用全无源、全彩光、带保护的前传WDM创新方案进行简单双星型组网;AAU侧采用无源WDM设备和彩光模块,AAU侧无源合分波器复用多个波长进行WDM传输以节省光纤资源;局端BBU&DU侧部署OLP有源保护板卡,提供保护和监控的高可靠性能力。

该系统的WDM设备采用模块化架构,支持所有功能单元热插拔,利于局端灵活部署及后期扩容需求;通过有源OLP保护板卡实现对各通道的收发光功率的监测功能和光层保护功能,实现前传网络的可管理性和可运维性。

4 小结

由于光纤直驱方案对光缆纤芯消耗巨大,面临光缆资源紧张、纤芯资源不足、新建光缆施工困难(市政协调、施工周期)、单机房覆盖区域增大,网络风险性增加等问题。同时,传统的无源WDM波分系统虽然无需供电,还省去了不必要的电层协议处理,可以低成本、迅速、大量虚拟出几十个波长的光通道,但其被广泛诟病的最大问题是不具有线路保护和监控能力。再者,传统的有源WDM波分系统虽然可实现电信级保护倒换及维护管理,但端到端都需要供电,需要在机房内部署。有鉴于此,本文按照既保持无源波分的低成本特性又克服其不具有保护能力的研发思路,创新性地提出了低成本的全彩光全无源O-band CWDM系统及半无源OLP保护创新方案,无疑会为5G前传网建设带来更加优化的技术方案和设备产品选择。

参考文献:

[1] 徐荣,龚倩. 多波长光网络[M]. 北京:人民邮电出版社,2001.

[2] 徐荣,龚倩. 高速宽带光互联网技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2002.

[3] 徐荣,龚倩. 城域光网络[M]. 北京:人民邮电出版社,2003.

[4] 徐荣,沙慧军,陆庆杭,龚倩. 100G超宽带技术与测试[M],北京:人民邮电出版社,2013.

[5] 龚倩,张晟,孙学瑞,曹鹏. 软件定义分组光传送网[M],北京:人民邮电出版社,2015.

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