WDM PON应用于5G前传的关键技术研究

　　目前5G网络研究已经形成第一波浪潮，进入技术标准研究及研发试验的关键阶段。相对于4G技术，5G网络在吞吐率、时延、连接数量等方面性能有显著提升，同时对前传网络也提出了新的挑战，如密集光纤部署、更高传输宽带、更低时延等大量新需求。WDM PON结合了WDM技术和PON拓扑结构的特点，具有高带宽、低时延、节省光纤、运维简单、成本低等优点，在5G前传应用方面具备其独特的优势，近年来广受关注。

　　受限于标准和技术成熟度，WDM PON商用网络或实验样机的速率还相对较低，一般单波长不超过10Gbps。2015年，ITU-T在NG-PON2标准中对WDM PON（PtP WDM选项）进行了架构和指标定义，线路速率定义到10Gbps；同时还定义了WDM PON系统中传输波长分配信息与OAM数据的辅助管理与控制通道（Auxiliary Management and Control Channel，AMCC）。考虑到5G前传的更大带宽需求，近期ITU-T开始了应用于5G前传的单波25G WDM-PON技术白皮书研究。

WDM-PON 5G前传的网络架构

　　5G网络前传C-RAN架构中，BBU功能将被重构为CU和DU两个功能实体。CU设备实现非实时的无线高层协议栈功能，支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，DU设备实现物理层功能和实时性需求较高的传输层功能。为了节省RRU与DU之间的传输成本，减小RRU与DU之间的传输带宽，部分物理层功能下移至RRU实现。目前，DU和RRU之间接口的标准化还没有达成共识，业内主要有NGFI、eCPRI和CPRI等方案。

　　WDM PON 5G前传的网络架构如图1所示，DU与RRU之间基于WDM PON无源光网络点对多点树型网络拓扑连接，WDM PON OLT和ONU分别与DU和RRU连接，采用波分复用技术以及AMCC技术实现DU与RRU之间的透明业务传输。OLT设备在实现DU与RRU之间前传业务的同时，承载DU与分离CU之间的中传业务。

　　上述WDM PON 5G前传的网络架构具备以下技术特点：

●　采用PON网络拓扑，对于站点密集的5G前传网络，可大量节省光纤部署，共享已有的光纤基础设置、机房空间，大量节省建网和维护成本。

●　采用波分复用和AMCC技术，不进行帧处理和DBA调度，相比于有源承载设备和TDM PON设备具备时延小、频率抖动低的优势，并且可灵活适配不同类型的前传接口。

●　单波长带宽独享，高传输效率，带宽资源丰富。

●　OLT可以做到xHaul（Fronthaul和Midhaul）共设备，OLT平台可以和DU池部署在一个机房，降低配套设备和机房建设的成本和综合能耗。

●　无色ONU技术，成本低、运维简单。

●　统一光接入平台、共享OLT，同时支持移动用户和家庭用户业务需求。

低成本高速无色ONU技术

　　作为WDM PON系统的关键技术，无色ONU技术一般采用基于可调激光器技术的可调ONU技术。可调激光器与调制器集成较易实现高速率传输，目前业界有多种已商用技术方案，如分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器、数字超模DBR激光器（Digital Supermode Distributed Bragg reflector，DS-DBR）、外腔激光器（External Cavity Laser，ECL）、V型腔激光器（V-Cavity Laser）。这4种商用可调激光器技术方案的调谐机制、集成方式，波长调节范围以及成本差异如表1所示。从表1可以看出，目前25G可调激光器尚未完全成熟，应用于5G前传网络，在速率提高和成本降低方面还有待研究。

　　提升可调光模块速率，可以结合10G可调器件和高阶调制技术来实现，如4级脉冲幅度调制技术（4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4）、光双二进制技术（Optical Duobinary，ODB）等。采用高阶调制技术实现25G可调模块，一方面可以利用成熟的10G光器件产业链，降低光器件成本，加快25G可调光模块商用进展；另一方面还可以提升高速可调激光器的抗色散性能，增加可调模块可支持的传输距离。

　　降低可调光模块成本，除采取低成本的可调谐激光器外，也可以通过降低模块封装成本来实现，例如利用AMCC技术结合波长监控技术来降低可调激光器模块的波长稳定度要求，实现封装工艺简化，达到降低成本的目的。

AMCC

　　WDM PON 5G前传透明传输管理功能采用AMCC技术路线，其特点是在不影响数据传输的同时能够对WDM PON ONU进行管理控制，包括波长分配信息与OAM数据等。

　　AMCC一般采用Transparent AMCC技术方案，要求不能对用户数据进行封装、编码、增加FEC等任何操作。Transparent AMCC具体有两种实现方式，一种是基带过调制（Baseband Overmodulation）方案，另一种是射频调顶（RF Pilot Tone）方案。基带过调制技术是在用户数据顶部叠加一个低速率的0101基带数据，射频调顶技术是在用户数据顶部叠加一个低速率的ASK或FSK等调制方式的数据。两种方案各有优缺点，基带过调制接收方案简单，不需要ADC和DSP芯片，传输速率能达到100kbps以上，但对传输信号光功率稳定性要求较高，不能传输多路AMCC信号。射频调顶方案接收侧较复杂，并且传输速率受限于信号速率，但具备同时传输多路信号的优点。上述两种方案对数据信号传输都会产生一定的影响，一般来说引入1dB光功率代价以内，AMCC信号对数据信号幅度的调制深度不超过10%。

　　5G时代，新型网络架构、诸多新技术及应用特性对前传网络提出了新需求、新挑战。WDM PON系统具备低时延、高带宽、节省光纤、运维简单等优点，在5G前传应用中具备独特的优势。通过高效灵活的组网架构、低成本高速无色ONU技术与AMCC等关键技术突破，构建低成本、高性能的前传方案，必将为5G技术发展和商用引入新动力。