无源波分技术及其在4G/5G前传中的应用
1、无源波分前传方案简述
无源波分采用WDM技术，将BBU/DU至不同RRU/AAU的电路采用不同的波长合路到一根光纤中传输。例如，一个4G宏站某个频段的S111站共3个RRU，BBU至RRU的收发端口数共6个，在BBU侧和RRU侧各采用1个6路的OTM（光终端复用器）就可以将BBU和RRU间的收发信号合路到一根光纤中传输，如图1所示。
图1 无源WDM前传方案
由于OTM是无源器件，故各业务端口光模块需采用不同的波长，即彩光模块。无源波分系统包括OTM和彩光模块2部分，使用时需将BBU/DU或RRU/AAU标准波长（常用的1550nm或1310nm）的光模块（俗称灰光模块或白光模块）替换成相同速率的彩光模块。
无源波分支持的组网结构分为双星型（见图1）和总线型（见图2）。无线前传主要使用双星型组网，总线型主要用于高速公路、高铁、隧道等场景的覆盖。
图2 无源波分的总线型组网结构
系统支持的业务主要和光模块有关，以10Gbps彩光模块为例，支持包括：基站前传业务（Option1～7）、以太业务（GE/10GE）和SDH业务（STM-4/16/64）。
2、系统模型及波长分配
系统用于承载无线前传业务时，主要采用6合1（即1根光纤传输6个波长）、12合1和18合1模型；用于其他业务承载时，还会用到8合1模型。
由于CWDM最大支持18个波长，故系统最大支持18合1的模型，超过18合1的模型则需使用DWDM。常用的模型使用的波长如表1所示。
表1 无源波分常用模型的波长分配表
| 序号 |
中心波长(nm) |
波段 |
6合1模型 |
8合1模型 |
12合1模型 |
| 1 |
1271 |
O |
★ |
|
★ |
| 2 |
1291 |
★ |
|
★ |
|
| 3 |
1311 |
★ |
|
★ |
|
| 4 |
1331 |
★ |
|
★ |
|
| 5 |
1351 |
★ |
|
★ |
|
| 6 |
1371 |
E |
★ |
|
★ |
| 7 |
1391 |
|
|
|
|
| 8 |
1411 |
|
|
|
|
| 9 |
1431 |
|
|
|
|
| 10 |
1451 |
|
|
|
|
| 11 |
1471 |
S |
|
★ |
★ |
| 12 |
1491 |
|
★ |
★ |
|
| 13 |
1511 |
|
★ |
★ |
|
| 14 |
1531 |
C |
|
★ |
★ |
| 15 |
1551 |
|
★ |
★ |
|
| 16 |
1571 |
L |
|
★ |
★ |
| 17 |
1591 |
|
★ |
|
|
| 18 |
1611 |
|
★ |
|
尽管表中的波长均可使用（非G.652D光纤应避开1371、1391nm和1411nm波长），为便于管理，建议波长的选择应统一。
3、系统的光功率预算指标要求
由于BBU/DU与RRU/AAU间的光纤网络一般是结构复杂的ODN（光分配网），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OTM的插损和活接头的数量。OTM的插损见表2。
表2 OTM插损参考表
| OTM类型 |
参考值（dB） |
典型值（dB） |
| 6合1 |
2.6 |
1.1 |
| 8合1 |
2.8 |
1.2 |
| 12合1 |
3.2 |
1.5 |
| 18合1 |
3.5 |
1.7 |
| 说明：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。 |
||
通常，市区BBU/DU与RRU/AAU间的光纤链路长度一般不超过10.0km，链路中的活接头数量约8个，则系统的光功率预算需满足表3的要求。
表3 系统的光功率预算表
| 项目 |
单位值 |
数量 |
数值（dB） |
| 光纤及熔接衰减 |
0.45dB/km |
10.0 |
4.5 |
| 活动连接衰减 |
0.5dB/个 |
8 |
4.0 |
| OTM插损（18合1） |
1.7dB/个 |
2 |
3.4 |
| 维护余量 |
|
|
2.0 |
| 合计 |
|
|
13.9 |
若光纤链路长度、活动连接器数量或OTM插损与表3中有较大偏差，应重新计算。
4、彩光模块的光功率参数
当前，多数厂商用于无线前传的光模块依然采用的是WDM设备用光模块的标准，在使用中存在以下几方面的问题：
（1）光模块的光功率预算按传输距离分成10km、20km、40km和80km几种规格，但这一分类标准因未考虑ODN网络的复杂性和OTM的插损，并不适合在无线前传中采用。例如，10km和20km光模块的光功率预算（光功率预算＝平均发送光功率（最小值）－最大接受灵敏度－最大发生和色散的代价）只有10dB和12dB，显然无法满足系统的光功率预算指标要求，虽然并不妨碍系统的开通，但系统的光功率维护余量几乎没有，不利用网络日后的维护。
（2）不同厂商生产的光模块光接口参数有较大的差别，即使是满足同一光功率预算的光模块，各厂商光模块的“平均发送光功率（最小值）”、“最大接受灵敏度”指标也有超过2dB的差别，这就给光模块的互换性带来很大的麻烦。对用户来说，将不得不为每一厂商的光模块留有维护备件。
（3）光模块的使用温度范围为-20℃～+70℃，由于RRU/AAU一般安装在室外，在极端天气下可能会影响使用。
为解决这些问题，工信部发布了《无线基站BBU 与RRU 互连用SFP/SFP+光收发合一模块(YD/T 3131-2016)》技术标准，在该标准中，光模块的推荐使用温度范围扩大到了-40℃～+85℃，并且建议了彩光模块的光接口技术指标。例如，用于4G前传的彩光模块部分指标如下：
表4 用于4G前传的彩光模块光接口部分指标
| 参数 |
单位 |
中距 |
长距 |
|
| 平均发送光功率 |
最大值 |
dBm |
+3.2 |
+6 |
| 最小值 |
dBm |
-3.8 |
-1 |
|
| 最大发送和色散的代价 |
dB |
2.0 |
2.0 |
|
| 最小过载光功率 |
dBm |
-7 |
-7 |
|
| 最大接受灵敏度 |
dBm |
-19.4 |
-23.1 |
|
根据这一标准，中距、长距光模块的光功率预算分别为13.6dB和20.1dB，按表3中的模型计算，最小传输距离分别为9.3km和21.6km，可以满足绝大多数场景的传输需求。但也应注意，当链路的实际衰耗太小时，光功率很容易过载。
5、基于DWDM技术的无源前传方案
CWDM技术最多支持18合1的模型，超过18波（当前最大使用24波）则需使用DWDM技术。
DWDM系统一般不以中心波长作为主要参数，而代之以中心频率。24波系统使用的中心频率分别为：192.1THz～193.2 THz、193.17THz～194.8 THz，波道间隔为100GHz，对应的波长范围为：1560.61nm～1551.72nm和1546.92nm～1538.98nm。
基于DWDM方案的投资较大，大约是CWDM方案的数倍；涉及的光模块类型多，可能会给维护带来不便；是否有必要采用值得商榷。
6、面向5G的挑战
仅从技术上分析，无源波分技术完全可以用于5G前传，但商用初期可能面临以下挑战：
（1）彩光模块的价格。5G前传将采用25Gbps的光模块，商用初期如果相应的彩光模块价格过高，则会影响方案的实施；例如，1个S111站共需替换12个彩光模块，若每个彩光模块3000元，则总投资超过3.6万；如果具备管道或杆路资源，新放5公里24芯光缆的造价也不超过3.6万元；无源波分的成本将高过光纤直连的成本。
（2）彩光模块的产业链成熟情况。无源波分方案中将使用到多个波长的彩光模块，具体到某一波长的彩光模块，其市场需求量尚不足灰光模块的数十分之一，在商用初期，产业链可能难以跟上。
（3）传输距离受限。当系统速率达到25G时，系统的传输距离将受光纤色散的影响较大，传输距离据估算将不超过8km。
（4）受低成本有源前传方案的挑战。低成本有源前传方案采用低速的光模块进行高速传输，在4G/5G混合承载的场景中，价格将会对无源波分方案形成挑战。
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