【光电通信】5G前传的25G WDM技术方案探析

中国联通网络技术研究院 | 王光全、沈世奎

5G前传需求

5G前传网络中将主要采用eCPRI接口，在100MHz频谱、64T/64R天线和下行16流/上行8流的配置下，eCPRI接口需要25G速率。在更宽无线频谱资源下，5G前传需要多个25G接口。

在5G网络建设中，光纤直驱是前传主要的解决方案，但是在密集城区等5G优先覆盖的区域，存在光纤资源剩余但不足直驱的场景，需要采用其它技术方案来解决CRAN模式下的AAU拉远。波分复用（WDM）技术通过光波长复用，以波长来连接AAU，可以在单根光纤复用多个波长，大大降低前传对光纤资源的消耗。可用于5G前传的25G WDM技术存在多种方案，包括DWDM、CWDM和LANWDM等，如图1所示，本文将重点探析和比较这些WDM技术方案。

基于WDM技术的移动前传建网方式

基于WDM技术的移动前传方案，根据设备型态差异，主要分为有源型、半有源型和无源型3类组网方式，如图2所示。全有源型，局端和远端均为有源设备，专业界面清晰，便于多业务综合承载接入，但需考虑远端设备的安装和供电；半有源型，局端为有源设备，远端简化为WDM光模块和无源合分波器，需确认WDM光模块能安装在业务设备上；无源型，局端和远端均为无源，简化为WDM光模块和无源合分波器，需确认WDM光模块能安装在业务设备上，且专业界面不清晰。从网络建设和运维角度，更倾向于前面两种建网方式。

基于DWDM技术的5G前传方案

DWDM技术根据激光器工作波 长 分 成 固 定 波 长 和 波 长 可 调 谐，如图 3 所 示 。波 长 可 调 谐 技 术 目 前 已 在10G/40G/100G网络广泛应用，难点和挑战在于实现低成本，满足城域接入层海量且成本敏感的应用场景。实现可调激光器的技术方案众多，包括DFB阵列、DBR、DS DBR、MG-Y、SG DBR、VCSEL、ECL、硅光微环腔和V形耦合腔等，采用温度控制、电流控制和机械控制等方式。

当前已经实现的低成本可调光模块，包括宽带全C波段可调谐和部分C波段窄带可调谐，其中窄带可调方案成本优势明显，已有多家光模块和光器件公司发布了相关产品。

基于可调谐DWDM光模块的G.698.4（前G.metro）方 案 ，又 称 为 波 长 自适应接入型波分复用（PAB-WDM，port-agnostic bidirectional WDM）技术，其最大优势在于端口无关特性、尾端模块波长自适应（免配置）、速率自适应，且可管可控。基于光层调顶技术，实现了头端设备（HEE）与尾端设备（TEE）间的管控和消息通道（HTMC/THMC），用于对远端可调光模块的波长速率自适应和管控，实现系统级简洁有效的OAM机制，如图4所示。

在2019年7月ITU-T SG15日内瓦全会上，基于中国联通、中国电信、德国电信、意大利电信及KDDI等运营商提出的25G DWDM前传应用需求，以及中国联通和爱立信等单位提交的25G DWDM详细测试结果，ITU-T SG15启动了G.698.4标准v2.0版本（25G速率）制定工作。

25G CWDM技术方案

ITU-T G.694.2标准规范了CWDM波长，从1271nm到1611nm，波长间隔20nm，共有18个波长。但ITU-T G.695标准规范的25G CWDM应用代码，最大通道数量为4，使用1271nm、1291nm、1311nm和1331nm共4个波长，中心波长偏差范围±6.5nm，工作距离为2km。

随着数据中心100G CWDM4光模块大量部署，符合数据中心环境使用和商业级CWDM4的激光器有较多应用，主要是1271nm、1291nm、1311nm和1331nm，这4个波长产业链比较成熟。CWDM激光器在不加TEC温控下，温度漂移较大（典型值0.1nm/°C），难以满足标准中13nm（±6.5nm）波长精度要求。业内也在考虑基于DML辅助加热器（heater）或用TEC温控，来保证中心波长稳定性。但用heater或TEC会增加CWDM方案成本。

对于更长波长（1351nm、1371nm等），DML激光器存在色散受限问题，色散代价较大，导致10km光纤传输功率预算不足的问题，业内考虑用EML或APD来解决。同样由于色散限制，1371nm后的CWDM波长只能采用EML。采用EML/APD方案并增加TEC辅助控制波长稳定性的CWDM方案，并没有明显成本优势。在网络维护上，采用CWDM光模块用于5G前传，无法实现对于远端光模块的有效管理。且存在波长识别困难、管理繁杂，不便于维护管理等难题。

当前基于CWDM的前传方案如图5所示，室外应用工业级工作温度及色散代价引起的功率预算不足等问题均未解决，大量应用部署将会导致较大风险。

25G LAN-WDM技术方案和标准化

ITU-T G.959.1标准规范了4通道的25G LAN-WDM技术，使用波长分别为1295nm、1300nm、1304nm和1309nm，通道间隔为800GHz；同时也规范了8通道的50G LAN-WDM技术，前4波中心波长与25G LAN-WDM相同。IEEE 802.3规范了LAN-WDM接口，包括100G LR4、200G LR4和400GLR8。当前已标准化LAN-WDM波长汇总见表1。LAN-WDM波长激光器工作在O波段，色散代价小；采用TEC温控，可满足工业级应用要求。随着数据中心和运营商网络100G LR4光模块大量部署，商业级LAN-WDM4激光器有较多应用，主要是1295nm、1300nm、1304nm和1309nm这4个波长，相应DML产业链比较成熟；其它波长DML产业链不成熟，主要是EML方案。目前LAN-WDM前传应用，波长方案较多，除了ITU和IEEE规范的4波和8波外，业内也存在不同的波长规划；常用的6波方案是LR4的4个波长，再加上1286nm和1291nm两个波长。也有建议将波道间隔从800GHz缩小为400GHz，以获得更多可用波长，但均无标准化。采用LAN-WDM光模块用于5G前传时，可通过G.698.4标准规范的光层调顶方式形成管理消息通道，实现对远端光模块的管理，否则将无法实现对于远端光模块的有效管理。但LAN-WDM方案采用固定波长激光器，即使采用了调顶方式的远程管理，仍然会存在波长识别困难、管理繁杂、维护管理不便等难题。

总结

在5G网络建设中，在光纤资源充裕场景，优先选择单纤双向的光纤直驱；在剩余纤芯不足，尤其是密集城区较大规模BBU集中的场景下，WDM技术将是纾解城域接入层光缆纤芯紧缺、降低建网成本的首选手段，如图6所示。同时5G前传网络规模大，建设成本敏感，海量接入层设备/光模块的维护成本也将至关重要，如图7所示，低成本、高效接入和可管可控的WDM技术将是优选。

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