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专题丨低成本WDM PON关键技术研究与示范应用

信息通信技术与政策

2023-11-10

导读：杨波，田腴，杜喆，李明生

作者简介

杨波

中兴通讯股份有限公司技术预研有线资深专家，高级工程师，主要从事WDM PON和50G-PON等下一代PON技术预研和标准化等方面的工作。

田腴

中国电信股份有限公司安徽分公司“光数先锋”劳模创新工作室负责人，中国电信集团光接入高级专家，研究方向为云网发展规划、投资、建设端到端全过程管理数字化等。

杜喆

中国电信股份有限公司研究院工程师，主要从事光接入、PON综合业务承载、光链路测量与诊断、5G承载等方面的工作。

李明生

中兴通讯股份有限公司光接入产品线规划总工程师，主要从事光接入产品线各项PON产品规划等方面的研究工作。

论文引用格式：

杨波, 田腴, 杜喆, 等. 低成本WDM PON关键技术研究与示范应用[J]. 信息通信技术与政策, 2023, 49(10): 29-36.

低成本WDM PON关键技术研究与示范应用

杨波¹ 田腴² 杜喆³ 李明生¹

（1.中兴通讯股份有限公司，上海 201203；2.中国电信股份有限公司安徽分公司，合肥 230011；3.中国电信股份有限公司研究院，上海 200122）

摘要：针对5G前传网络对光纤资源需求的爆发式增长，提出了一种低成本WDM PON架构和系统，采用WDM和单纤双向技术可节省78%以上的主干和配线光纤资源。同时，低成本WDM PON系统还具备光模块类型少、可维可管、可靠性高等优点。对低成本WDM PON可调光模块和顶调制等关键技术进行了研究，并对低成本WDM PON现网示范应用进行了分析和探讨。

关键词：WDM PON；可调光模块；顶调制；光线路保护

0 引言

随着5G网络大规模部署，云无线接入网（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）架构通过将分布单元（Distribute Unit，DU）拉远集中部署，具备节省机房、组网灵活等优势，已成为5G前传网络的主流组网方式。C-RAN集中部署，单个机房可覆盖多个物理站点，若采用光纤直连模式，将带来极大的光纤资源消耗。传统的管道及光缆资源已经不能满足业务发展的需求，运营商面临着需要新建大量光缆问题。

针对5G前传光纤资源不足的问题，业界通常采用波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术在单根主干光纤复用多个波长，来降低对光纤资源的消耗。用于5G前传的25G WDM技术路线包括粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）^[1]、细波分复用（LAN-Wavelength Division Multiplexing，LAN-WDM）^[2]、中等波分复用（Medium Wavelength Division Multiplexing，MWDM）^[3]和密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）^[4-5]等。在各类波分复用技术中，CWDM、LAN-WDM和MWDM一般都采用成本较低的原始波段（Orignal Band，O波段）直接调制激光器（Directly Modulated Laser，DML），实现双向3通道或者6通道波分复用。其中，CWDM光模块不需要半导体制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）控温，成本最低，LAN-WDM和MWDM结合半有源技术可实现5G前传网络的管理运维和主干光纤保护^[6-7]，但都存在光模块种类多、一波一模块、安装调测、维护复杂等问题。基于常规波段（Conventional Band，C波段）可调谐激光器的DWDM前传方案可实现与光模块端口无关，尾端模块自适应^[8]，但同时也面临着核心可调激光器成本高、控制复杂的挑战。

在可用于C-RAN前传的各种WDM技术中，WDM无源光网络（Passive Optical Network，PON）技术结合了PON网络点对多点架构、管理运维功能完善和波分复用技术大带宽、低时延、节省光纤资源的优点，已被业界广泛研究并形成相关标准^[9-12]。2018年，中国电信联合中兴、华为、烽火等设备商开展了用于5G前传的25G WDM PON的示范应用。与DWDM前传方案类似，传统WDM PON用于5G前传同样面临着可调光模块成本高、功耗大、产业链不成熟等问题，未能实现大规模商用。

本文提出了一种低成本WDM PON网络架构，并开展了关键技术研究和系统现网验证。关键技术研究结果表明，低成本WDM PON相比于无源和半有源WDM方案，具备光模块种类少，波长和速率自适应，运维简单的优势；相比于DWDM方案和传统WDM PON方案，具备光模块成本低、功耗小、组网简单的优点。系统现网示范应用结果表明，低成本WDM PON系统设备和光模块在5G前传、4G/5G混合前传组网、政企专线和园区专线等场景，具备大规模应用潜力。

1 低成本WDM PON网络架构

1.1 低成本WDM PON组网架构

WDM PON系统通常包括WDM PON光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）设备、WDM PON光网络单元（Optical Network Unit，ONU）设备和用于光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）合波分波的无热阵列波导光栅（Athermal Arrayed Waveguide Grating，AAWG）设备，可实现双向20通道波分复用^[12]。其中，OLT设备和ONU设备采用20波C波段DWDM可调光模块，AAWG设备实现20波从主干光纤到分支光纤的DWDM。WDM PON系统还包括网络侧接口和用户侧接口，用于承载通用公共无线接口（Common Public Radio Interface，CPRI）、增强型通用公共无线电接口（Enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）和以太网接口（Ethernet）等业务。

如图1所示，当传统WDM PON系统用于5G前传时，其网络侧接口和用户侧接口通过25G灰光前传模块分别与DU和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）相连，实现灰光—彩光—灰光转换。传统WDM PON系统可节省90%以上主干光纤资源，同时可提供对前传网络丰富的运维管理功能。但20波C波段可调光模块通常需要采用数字超模分布式布拉格反射（Digital Supermode Distributed Bragg Reflector，DS-DBR）激光器、采样光栅分布式布拉格反射（Sampled Grating DBR，SG-DBR）激光器或V型腔激光器等，通过电流控制波长，实现25 Gbit/s速率时需要集成马赫-曾德（Mach-Zehnder，MZ）调制器或电吸收（Electro-Absorption，EA）调制器，激光器成本远高于DML激光器。另外，由于集成MZ调制器，可调激光器发射光功率较小，部分模块还需集成半导体光放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）来提升光功率预算，同时光模块功耗偏高，满足前传工业温度要求有较大挑战。在应用组网方面，传统WDM PON方案需要对前传业务进行转发控制，会引入一定的时延和抖动。

图1 传统WDM PON 5G前传组网架构

在传统WDM PON 5G前传组网架构的基础上，本文提出了低成本WDM PON 5G前传组网架构（见图2）。相比于传统WDM PON，低成本WDM PON采用了低成本的O波段DML可调激光器，基于温度控制调谐波长，3个波长一组，实现双向9通道波分复用。低成本WDM PON用于5G前传时，可调光模块直接用于DU和AAU设备，不需要波长转换，节省了大量灰光模块，网络侧业务接口板以及WDM PON ONU设备，安装简便，方案整体成本进一步降低。低成本WDM PON OLT仅实现波分复用，不再进行业务转发，时延和抖动指标与光纤直连方案无差异。低成本WDM PON OLT还包含光开关和线路监控探测器等单元，具备“1主+1备”光线路保护（Optical Line Protection，OLP）功能和光线路监控功能，简化组网的同时，仍保留了对前传网络的关键运维功能。

图2 低成本WDM PON 5G前传组网架构

基于上述组网架构，低成本WDM PON利用2根主干光纤可实现双向9通道波分复用和“1主+1备”，可调光模块采用单纤双向接口，可节省78%以上的主干和50%接入纤芯资源。采用调顶技术，还具备波长和速率自协商能力，相比于CWDM，LAN-WDM和MWDM等无源或半有源WDM方案，速率自适应、近远端光模块自配对，减少约2/3以上光模块类型，安装调测、维护等更简单。低成本WDM PON共用固定宽带接入OLT机框资源，不需要新机框、电源、网管，节能、节省机房空间，经济效应显著。

1.2 低成本WDM PON波长规划

为降低可调光模块成本，尽可能利用现有5G前传CWDM、LAN-WDM和MWDM DML激光器产业链，低成本WDM PON波长规划采用O波段DWDM技术，波长间隔为150 GHz（见图3）。DU至AAU下行传输方向，9个通道中心波长分别设置在1 268.43~1 270.04 nm（236.35~236.05 THz）范围内3个中心波长以及1 282.53~1 288.60 nm（233.75~232.65 THz）范围内6个中心波长；AAU至DU上行传输方向，9个通道中心波长分别设置在1 312.86~1 314.60 nm（228.35~228.05 THz）范围内3个中心波长以及1 331.52~1 338.06 nm（225.15~224.05 THz）范围内6个中心波长。

图3 低成本WDM PON波长规划

在低成本WDM PON波长规划中，下行和上行的后6对波长还可以与吉比特无源光网络（Gigabit-capable Passive Optical Network，GPON）、10 Gbit/s无源光网络（10 Gigabit-capable Passive Optical Network，XG-PON）、10 Gbit/s对称无源光网络（10 Gigabit-capable Symmetric Passive Optical Network，XGS-PON）、10 Gbit/s以太网无源光网络（10 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network，10G-EPON）以及50 Gbit/s无源光网络（50 Gigabit-capable Passive Optical Network，50G-PON）（上行波长采用Option1或Option2^[13]）等时分复用无源光网络（Time Division Multiplexing Passive Optical Network，TDM PON）共存。在光纤资源极度缺乏的场景下，可通过波分共存共用TDM PON的主干光纤，充分利用千兆光网海量光纤资源，在与TDM PON共机框的基础上再共主干，实现进一步的固定和移动网络融合。

2 低成本WDM PON关键技术

2.1 可调光模块技术

基于业界DBR、DS-DBR、SG-DBR和V型腔可调激光器成本和功耗偏高等问题，低成本WDM PON系统采用热调谐DML可调激光器方案。如图4所示，热调谐DML可调光模块功能主要包括DML发射机、TEC、激光二极管驱动器（Laser Diode Driver，LDD）、PIN光电二极管或雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）接收机、限幅放大器（Limiting Amplifier，LA）和微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）。其中，MCU芯片用来控制光模块中的各类光电芯片正常工作。发送侧，TEC用来控制发射机中DML激光器芯片的工作温度范围来改变DML激光器的工作波长，通常激光器波长随温度的变化量为0.1 nm/℃。LDD芯片用来放大光模块输入的业务电信号，并驱动DML激光器将输入的电信号转换为光信号。接收侧，采用PIN或者APD接收机将输入光模块的光信号转换成电信号，并通过LA放大后输出至接口设备。接收机中还包括跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）来完成电流电压转换和电信号初级放大。在当前的波长规划中，由于上行方向后6波1 331.52~1 338.06 nm色散代价较大，采用APD接收机提高接收灵敏度来补偿色散代价，其他波长光模块接收机均采用低成本的PIN接收机。

图4 基于热调谐DML的低成本可调光模块功能框图

如图5所示，分别以1 269.23 nm波长和1 332.41 nm波长为例，对应的光模块接收机分别为PIN接收机和APD接收机。在背靠背（Back to Back，BtB）条件下，25 Gbit/s速率5E-5误码率门限对应的PIN接收机和APD接收机灵敏度分别为-15.7 dBm和-19.73 dBm。经过10 km光纤传输后，1 269.23 nm为负色散波长，接收灵敏度提升到-16.21 dBm，1 332.41 nm为正色散波长，接收灵敏度劣化为-17.95 dBm，传输代价分别为-0.51 dB和1.78 dB。考虑到批量生产，APD接收机BtB灵敏度可控制在-19 dBm以下，PIN接收机BtB灵敏度可控制在-15 dBm以下。相应的远端光模块最小发射光功率要求分别为3 dBm和5 dBm。两端光模块可支持10 km光纤传输和19 dB功率预算，可满足绝大部分5G前传场景需求。此外，光模块工作在10 Gbit/s速率下时，1E-12误码率门限对应的PIN接收机和APD接收机灵敏度与25 Gbit/s速率5E-5误码率门限的接收机灵敏度基本一致。因此，针对4G前传、室分前传等低速率应用场景，低成本可调光模块同样可支持10 km光纤传输和19 dB功率预算。

图5 采用APD和PIN接收机的低成本可调光模块误码率曲线图

低成本可调光模块发送侧，通过TEC控制DML激光器来实现波长调谐。按0.1 nm/℃，0.8 nm通道间隔（O波段，150 GHz）计算，3通道可调光模块工作在不同波长时TEC的工作温度范围变化在16℃以上。研究结果表明，低成本可调光模块在-40℃~+85℃极限条件下，增加波长调谐所需温度差后，光模块功耗可以控制在2 W以内，且光模块发射机光功率和眼图指标均能符合系统传输要求。以1 269.23 nm波长光模块为例，其3个通道在三温条件下的光眼图和光功率如图6所示。

图6 低成本可调光模块3个通道在25℃、85℃、-40℃工作温度下的发射机眼图

2.2 顶调制技术

可调光模块MCU包括顶调制输入和顶调制输出模块，用于解析和发送顶调制信号携带的波长自适应和速率自适应相关的管理消息。发送侧，顶调制信号输出模块发送的波长协商和速率协商信息经过MCU的数模转换（Digital to Analog Converter，DAC）模块转化为模拟信号后，通过LDD加载到DML光信号上形成低频顶调制信号。接收侧，接收机中APD或者TIA分离出光信号中低频的顶调制信号，经低通滤波器滤波后由MCU中模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）模块转化为数字信号，再送入调制信号输入模块进行协商信息解析。MCU根据解析得到的波长自适应信息，控制TEC控制器将DML激光器控制在相应的工作波长。顶调制信号通常工作在千赫兹（kHz）频率，可满足协商信息传递带宽要求的同时，对业务信息传输引入较小的传输代价。图7所示5%调制深度的顶调制信号，对光模块25 Gbit/s速率下接收灵敏度劣化小于0.2 dB。

图7 调制深度为5%的顶调制信号波形图和波眼图

低成本WDM PON网络实际部署时，近端模块自动轮询波长和速率，并采用顶调制技术发送当前工作波长和速率给远端模块。远端模块根据解析到的波长和速率信息调整到正确的波长和速率，并通过顶调制通道发送握手消息给近端模块。近端模块获取到远端光模块发送的握手消息后，即完成近/远端光模块波长和速率的协商建链过程，由此实现低成本WDM PON系统中光模块的波长和速率自动协商功能。

3 低成本WDM PON示范应用

基于低成本WDM PON关键技术、模块和设备研究成果，中国电信与中兴通讯完成WDM PON承载4G/5G基站前传现网试点，实现了1芯主+1芯备共2芯光纤承载3个基站9个双向10G/25G自适应刚性通道的稳定可靠运行（见图8）。

图8 低成本WDM PON 4G/5G前传混合组网示范应用

现网试点验证了低成本WDM PON光功率预算、线路监测功能、OLP功能，以及无线上传/下载速率、无线信号强度、无线时延等各项无线指标性能。验证结果表明，低成本WDM PON现网满足19 dB功率预算，具备主干光纤和9通道线路断纤告警能力。低成本WDM PON承载4G/5G前传后，无线上传/下载、无线时延等各项指标与光纤直连基本一致。现网试点实现了OLP保护功能，测试主用主干光纤或备用主干光纤断纤过程中无线上层业务无中断、无告警，仅出现3 s左右下载吞吐量波动。除4G/5G混合前传组网外，现网还试点了低成本WDM PON承载9通道纯5G前传组网，测试结果与4G/5G混合前传组网类似。

4 结束语

本文提出了一种低成本WDM PON网络架构，研究了低成本可调光模块、顶调制波长自协商等关键技术。研究表明，低成本可调光模块可实现150 GHz通道间隔3通道波长可调谐，在波长调谐范围内均能满足无线前传光模块工业温度要求，功耗小于2 W，速率可适配10 Gbit/s和25 Gbit/s速率等级，支持链路19 dB功率预算，10 km光纤传输距离，满足大部分4G/5G前传组网要求。现网验证了低成本WDM PON系统用于4G/5G前传，结果表明其各项前传指标与光纤直连方案基本一致。同时，验证了OLP技术主干光纤断纤过程中无线上层业务无中断、无告警，论证了低成本WDM PON网络的健壮性。

低成本WDM PON方案采用低成本、低功耗、可调光模块和OLP技术，波长和速率自适应，模块种类少，运维简单，可靠性高。产品形态上同现有PON板卡，可共享OLT的电源、槽位、网管，有效节省机房空间，降低新增设备能耗，进一步降低整体方案成本。研究结果表明，低成本WDM PON方案在4G/5G前传、政企专线和园区专线等刚性管道需求场景具备大规模应用潜力。

Key technologies research and field demonstration of low-cost WDM PON system

YANG Bo¹, TIAN Yu², DU Zhe³, LI Mingsheng¹

(1. ZTE Corporation, Shanghai 201203, China; 2. Anhui Branch of China Telecom Co., Ltd., Hefei 230011, China; 3. Research Institute of China Telecom Co.,Ltd., Shanghai 200122, China)

Abstract: In response to the explosive increase in the demand for optical fiber resources in 5G fronthaul networks, this paper proposes a low-cost WDM PON architecture and system that uses WDM and single-fiber bidirectional technologies to save more than 78% of the backbone and distribution optical fiber resources. In addition, the system has the advantages of few types of optical modules, maintainability and manageability, and high reliability. Research on key technologies such as low-cost tunable module and envelope modulation has been carried out, and a field demonstration of low-cost WDM PON system has been completed.

Keywords: WDM PON; tunable module; envelope modulation; optical line protection

本文刊于《信息通信技术与政策》2023年第10期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。