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5G應用場景 2019年啟動建設的5G通信技術，一般認為，對人類社會的改變將不限于日常生活，它將支撐互聯網從移動互聯網向智能互聯網演進，并對產業生態產生深遠的影響。 國際標準化組織3GPP定義了5G的三大應用場景：eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強移動寬帶）、uRLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications，高可靠性低時延連接）、mMTC（Massive Machine Type Communication，大規模機器類通信）。其中，eMBB要求用戶的體驗速率達到1Gbps，可以支撐3D及超高清視頻等大流量移動寬帶業務；uRLLC要求傳輸時延低于1ms，以支撐無人駕駛、工業自動化、遠程手術等實時應用場景；mMTC指的是大規模物聯網應用，要求終端連接密度達到每平方公里百萬級。 5G承載網的架構 5G商用，承載先行。為支撐上述三大應用場景，要求對基于光纖的承載網進行重新規劃。圖1為典型的5G承載網架構，它通常由城域接入網、城域匯聚網、城域核心網和省際骨干網四級構成。考慮投資和運維成本，在無線接入RAN段，4G通信系統通常采用的是基于RRU+BBU功能劃分的D-RAN（分布式無線接入）架構，5G則演進為基于AAU+DU+CU功能劃分的C-RAN（集中式或者云化的無線接入）架構。 
圖1. 5G承載網架構 5G承載網的各級網絡節點之間通過光模塊和光纖連接，其中基站與DU之間的連接被定義為前傳、DU與CU之間的連接被定義為中傳、CU與城域核心網之間的連接被定義為回傳。前傳距離通常<10/20公里，接口速率為10/25/100Gbps；中傳距離通常<40公里，接口速率為25/50/100Gbps；回傳距離通常為40-80公里，接口速率為100/N×100Gbps；而省際骨干網的傳輸距離在數百公里，接口速率為N×100/200/400Gbps。
圖2. 5G承載網中的前傳、中傳和回傳鏈路 與4G網絡不同的是，5G信號因頻率更高，單個基站的覆蓋面積減少，5G組網需要布設的基站數量將是4G網絡的2-3倍。為控制成本，5G前傳和中傳網絡更多的采用C-RAN架構，替代4G網絡常用的D-RAN架構。C-RAN架構的優勢有：其一，相對D-RAN可減少末端機房和傳輸設備需求，節省站址獲取、機房租金和傳輸成本，理論上集中度越高則效果越明顯；其二，由于DU集中放置便于統一維護，因此在機房建設、設備維護乃至空調電費上，較D-RAN有明顯優勢，因此C-RAN將成為5G中前傳網絡的主要部署模式;其三，C-RAN架構對DU進行池組化或者云化部署，可實現基帶資源的共享和多站間的業務協同。 選擇傳輸技術的考量因素 光纖傳輸技術在電信骨干網和數據中心等領域已經成為主導并獲廣泛應用，為了增加傳輸容量，普遍采用WDM傳輸，然而面向不同的應用場景，具體的傳輸技術有所差異。影響選擇的主要因素是光纖鏈路的損耗和色散；所采用的光源（包含調制器）和探測器，對傳輸系統的成本有重要影響，也是選擇技術方案時的考量因素。此外，產業鏈的傳承也對成本有重要影響，成為重要考量因素之一。 常規石英光纖的損耗譜如圖3所示，它的第一、二、三傳輸窗口分別以850nm、1310nm和1550nm為中心，其中850nm是最早的多模光纖通信系統所采用的傳輸波長；1310nm是常規單模光纖G.652的零色散點位置，如圖4（a）所示，光纖中的材料色散和波導色散在此波長處相互抵消；1550nm則是石英光纖的損耗最低處，為了克服G.652光纖在此處色散較大的問題，人們開發了G.655光纖，將光纖的零色散點設置在偏離1550nm不遠處，如圖4（b）所示，這樣可以在1550nm波段獲得低色散，又不會在DWDM傳輸時產生四波混頻、交叉相位調制等非線性效應。
圖3. 光纖損耗譜
圖4. G.652和G.655光纖的色散曲線 在工程應用中，人們通常將圖3中的第二、三傳輸窗口分別稱為O波段和C波段，為了拓展可利用的傳輸波段，人們在C波段的左右兩側開發了S、L兩個波段。此外，通過對石英光纖的進一步提純，削去因OH-離子吸收在1385nm附近產生的水峰，拓展出E波段，從而將石英光纖的傳輸帶寬擴充至1260~1620nm，寬達360nm，通常稱為全波光纖。 通信系統通常采用半導體激光器作為光源，所發射的并非理想單色光，總是存在一定的光譜線寬，其中不同波長成分因色散而傳播速度不同，在高速長距離傳輸系統中，容易引起誤碼。不同傳輸速率的光信號，對色散的容差如表1。
表1. 不同傳輸速率對色散的容差 早期的低速傳輸系統，通常采用低成本但譜線較寬的FP激光器；10Gbps以上的高速傳輸，往往采用譜線較窄的DFB激光器。為了控制成本，當傳輸距離不長的時候，人們傾向于對DFB激光器進行直接調制，稱為直接調制激光器DML。直接調制激光器會產生啁啾效應，讓譜線展寬，產生更多的色散。因此為了不影響半導體激光器的線寬從而傳輸更長距離，人們在激光器之后串接一個電吸收調制器EAM，這種DFB+EAM組合結構，稱為EML激光器。在更長距離傳輸系統中，則需要采用鈮酸鋰調制器，它是一種MZ干涉器結構的電光調制器件。 面向各種應用場景的傳輸方案 5G投資的重頭在前傳網絡的建設，因投資額巨大，超出單個運營商的承擔能力，中國聯通和中國電信將合建一張5G前傳網絡，中國移動則與中國廣電合建一張5G前傳網絡。一個無線基站需要具備三個扇區信號的上/下載接口，在共建共享的模式下，單個基站的帶寬需求倍增，因此一個5G基站往往需要6個25G接口才能滿足需求；在4G、5G共站部署的場景下，要求一個基站提供12個前傳接口；在某些綜合接入區，因帶寬需求更高，需要單個基站提供24個前傳接口。基于上述應用場景，具備12個前傳接口的基站將成為5G前傳網絡中的主流配置。 在4G前傳網絡中，BBU靠近RRU，更多采用D-RAN架構，傳輸技術更多選擇光纖直驅方式。5G網絡中的DU遠離AAU集中部署，對前傳光纖消耗較大，xWDM將成為主流。5G前傳網絡根據應用場景及光纖資源情況，分為D-RAN、C-RAN小集中和C-RAN大集中三種情況，如圖5所示。D-RAN部署場景，仍采用光纖直驅方案，通常建議采用BiDi單纖雙向傳輸，可節約一半光纖資源，如圖6所示。在C-RAN小集中場景下，需要6個25G接口，采用6波CWDM傳輸方案，如圖7所示。
圖5. 5G前傳網絡部署方式
圖6. 光纖直驅的傳輸方式
圖7. 6波CWDM前傳方案 在C-RAN大集中場景下，每個無線基站通常需要12個高速光接口，為此中國移動推出了12波MWDM傳輸方案，選用的12個波長如表2，在6波CWDM激光芯片的基礎上，通過TEC溫控，將激射波長分別左右漂移3.5nm，獲得12個傳輸波長。中國電信則選擇了12波LWDM傳輸方案，信道間隔為800GHz，12個波長如表3，由于波長間隔只有4.3-4.7nm，需要TEC溫控來穩定光源的工作波長。MWDM及LWDM傳輸方案，因TEC的引入，光模塊的功耗通常會增加0.5W左右。 各種WDM傳輸波長及光纖色散如圖8所示，可以看到，CWDM的后2波因遠離光纖的零色散點1310nm，色散抬頭嚴重，為補償因光纖色散引起的損耗代價，需要采用靈敏度更高的APD光探測器。因此可以看到，在表2的CWDM傳輸方案中，對于激光器和光探測器方案，前4波選擇的是DML+PIN，后2波選擇的是DML+APD。MWDM的后4波因同樣原因，也選用DML+APD方案。
表2. CWDM/MWDM傳輸波長及實現方案
表3. LWDM傳輸波長及實現方案
圖8. 光纖色散曲線與5G前傳WDM方案 表2及表3中同時列出了各種WDM傳輸方案中的產業鏈共用情況。WDM技術最早應用于電信領域，但主要用在長距離傳輸的骨干網與核心網中，采用的是C波段（1530-1570nm）DWDM傳輸，選擇依據是此波段的光纖傳輸損耗最低，但此產業鏈的各種光器件成本均較高。隨著移動互聯網的發展，大規模數據中心的建設興起，光纖傳輸技術在數據中心得到廣泛應用，成為光纖通信技術的第二個并且是更大的藍海市場。數據中心光纖傳輸距離相對較短，而數據傳輸速率較高，光纖傳輸方案重點解決色散受限的問題，與電信長途網中的損耗受限完全不同。 當前的5G前傳網絡，屬于電信應用范疇，但其應用場景則與電信長途網完全不同，反倒是與數據中心有相似之處，都是色散受限的高速短距傳輸，因此傳輸波長也是選擇以1310nm為中心的O波段。O波段CWDM、LWDM傳輸在數據中心已經大量應用，產業鏈成熟，5G前傳可共用其產業鏈，以降低建設成本。比如5G前傳中6波CWDM的前4波和12波MWDM的前8波，就可以共用數據通信領域CWDM4產業鏈，12波LWDM的2-5信道可以共用數據通信400G LR8產業鏈，7-10信道則可以共用數據通信100G LR4產業鏈。 共用數據通信CWDM4產業鏈，也是中國移動推出MWDM方案的重要原因，這樣可以在控制成本的情況下盡快開始5G網絡的建設。 針對5G前傳應用新需求，億源通快速推出MWDM,LWDM系列產品，充分利用O波段光資源，增加波段利用率，提升速率。億源通可為客戶提供全系列WDM波分復用解決方案，包括CWDM、DWDM、CCWDM、MWDM、LWDM產品等。億源通科技在光通信行業擁有20年OEM/ODM研發制造經驗，在全球行業內具有一定的影響力，專注于為客戶提供光通信無源基礎光器件設計、研發、制造的一站式定制化生產，主要有光纖連接器，光纖跳線，PLC分路器，WDM波分復用器，MEMS光開關等產品線，產品廣泛應用于FTTH, 數據中心（Data center），5G網絡，電信網絡等場景。 文章為廣東億源通科技股份有限公司原創，如需轉載請注明出處和鏈接。 |
