胡春琳，管子霆，楊 春

(武漢網(wǎng)銳檢測科技有限公司，武漢 430205)

0 引 言

自2019年以來，第五代移動通信(5th Generation Mobile Communication，5G)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度加快，各大運營商都加大了對5G網(wǎng)絡(luò)的部署，據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計，2020年我國新建5G基站超過60萬個，已正常運行的5G基站超過71.8萬個[1]，今后一段時間內(nèi)，5G基站建設(shè)速度將維持在2020年的水平或進一步加快。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對前傳網(wǎng)絡(luò)所需的光纖光纜資源提出了前所未有的挑戰(zhàn)[2-3]，為降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing， WDM)技術(shù)從眾多5G前傳方案中脫穎而出，并開始應(yīng)用于各大運營商。當前，基于WDM技術(shù)的前傳網(wǎng)絡(luò)解決方案主要有4種：細波分復(fù)用(Local Area Network Wavelength Division Multiplexing，LWDM)、中等波分復(fù)用(Metro Wavelength Division Multiplexing，MWDM)、密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)和粗波分復(fù)用(Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)，CWDM方案是比較成熟的方案，其他3種方案尚在成熟過程中。

WDM技術(shù)原本主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)，前傳網(wǎng)絡(luò)中采用WDM技術(shù)，對WDM相關(guān)器件、組件和產(chǎn)品等提出了新的要求，比如單纖雙向、波長間隔和兩種WDM混合組網(wǎng)等等。當前5G前傳網(wǎng)絡(luò)用WDM器件的技術(shù)要求和測試方法標準正在制定過程中，其測試方法與常規(guī)WDM有一定的差別，還未見有相應(yīng)的測試方法和測試設(shè)備，本文通過深入分析在WDM器件測試過程中遇到的問題，提出了5G前傳用WDM器件測試方法，并構(gòu)建了相應(yīng)的測試系統(tǒng)。與手動檢測方式對比，具有很好的一致性，效率是手動測試的10倍以上，為相應(yīng)的測試標準及測試儀表的開發(fā)提供了有益的技術(shù)參考。

1 測試系統(tǒng)方案介紹

5G前傳網(wǎng)絡(luò)4種WDM方案中的WDM器件有以下特點[4-7]：

(1) 采用單纖雙向組網(wǎng)，WDM器件的合路端必須支持單纖雙向，支路端為單纖雙向或雙纖雙向；

(2) 波長范圍和波長通道間隔不同，波長通道數(shù)量有多種選擇；

(3) 存在兩種WDM混合組網(wǎng)的需求，部分產(chǎn)品要求包含兩種WDM波長通道，比如LWDM方案中有一種應(yīng)用場景是LWDM+CWDM混合組網(wǎng)，WDM器件同時包含LWDM波長支路和CWDM波長支路；

(4) 工作溫度范圍方面，局端用WDM器件工作范圍為-5～+70 ℃，遠端用WDM器件工作范圍為-40～70 ℃，濕度要求0～95%，遠端用WDM器件需要防水和防鹽霧。

針對器件的上述特點及需求，本文提出了兩種測試系統(tǒng)。

第一種是基于可調(diào)諧激光光源(Tunable Laser Source，TLS)+多通道光功率計(Optical multichannel Power Meter，OPM)的測試系統(tǒng)，如圖1所示。這類測試系統(tǒng)具有動態(tài)范圍大、波長精度高、可同時測試多個通道和測試速度快等優(yōu)點，如果加入偏振控制器還可實現(xiàn)偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)的測試，但這類測試系統(tǒng)成本非常高。這類測試系統(tǒng)還有兩個子類：一是用波長精度非常高的TLS保證波長測試精度；二是用波長精度一般的TLS進行波長掃描，同時使用波長計對TLS波長進行快速跟蹤測試，通過波長計的精確波長測量結(jié)果保證測試精度。

圖1 基于TLS+OPM的測試系統(tǒng)

第二種是基于寬帶光源(Broadband optical Source，BS)+光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer，OSA)的測試系統(tǒng)，如圖2所示。這類測試系統(tǒng)的波長測試精度取決于OSA動態(tài)掃描狀態(tài)下的波長精度，動態(tài)范圍取決于BS的功率譜密度及OSA的功率動態(tài)范圍，如果在系統(tǒng)中加入偏振分析儀，也可實現(xiàn)PDL的測試。測試系統(tǒng)的特點是成本低，但測試速度低于第一種測試系統(tǒng)。

圖2 基于BS+OSA的測試系統(tǒng)

不論采用哪種測試系統(tǒng)，其測試原理都是通過對每個波長通道進行波長掃描后得到每個波長通道的損耗-波長二維數(shù)據(jù)，然后按照產(chǎn)品標準的參數(shù)定義對每個波長通道的二維數(shù)據(jù)進行分析，從而得到WDM器件每個波長通道的測試結(jié)果。圖3所示為單通道波長掃描二維數(shù)據(jù)的示意圖。本文提出的測試系統(tǒng)中，第一種硬件方案是在已有的DWDM測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過替換光源來實現(xiàn)系統(tǒng)的更新以適配新的測試需求；第二種硬件方案是將原有的光源及OSA進行集成，自行開發(fā)了波長掃描軟件。通過開發(fā)對波長掃描數(shù)據(jù)進行自動分析的分析系統(tǒng)，直接獲得WDM器件的各種測試參數(shù)的測試結(jié)果。

圖3 波長掃描得到的單通道損耗隨波長變化的二維數(shù)據(jù)

2 測試系統(tǒng)遇到的問題及解決辦法

數(shù)據(jù)自動分析系統(tǒng)是為了解決WDM器件各種測試參數(shù)計算，通過分析WDM器件測試方法對各種參數(shù)定義進行充分確認，以解決5G前傳用WDM器件測試方法缺乏相應(yīng)標準、未能有相關(guān)方法依據(jù)的問題，具體來說有如下問題。

2.1 通帶帶寬設(shè)置問題

WDM器件多個參數(shù)的分析都需要在國際電信聯(lián)盟電信標準化部門(Internationd Telcommunication Union-Telecommunication-Stabdarduzation-Sector,ITU-T)規(guī)定的通帶帶寬范圍內(nèi)進行，包括通道插入損耗、通道隔離度、通道平坦度和串擾等等，部分WDM器件測試方法標準對通帶帶寬進行了規(guī)定，如文獻[8]中就規(guī)定通帶帶寬為通道間隔的1/4， 但也有部分標準沒有明確規(guī)定通帶帶寬，如文獻[9]對通帶帶寬的規(guī)定就不是很明確，這給測試系統(tǒng)研究工作帶來了一定的困擾。

通過對DWDM和CWDM相關(guān)國際標準的情況進行分析，可以得出通帶帶寬的一般性要求，以此來指導(dǎo)其他類型WDM器件分析過程中的通帶帶寬范圍問題。解決辦法是：對照當前5G前傳用CWDM、MWDM、LWDM和DWDM系統(tǒng)的行業(yè)標準(目前處于草案狀態(tài))，CWDM和MWDM對應(yīng)的通帶帶寬分別為13.0[4]和±2.5 nm[6]，LWDM對應(yīng)的通帶帶寬為±184 GHz[5]，對不同波長通道，將這個頻率帶寬換算為波長帶寬后，所有12個LWDM波長通道對應(yīng)的通帶帶寬位于±0.99～±1.07 nm之間，可以按照±1.07 nm的通帶帶寬進行簡化處理，DWDM可以依據(jù)文獻[8]標準規(guī)定的通帶帶寬。

文獻[10]中明確規(guī)定了DWDM及CWDM器件所定義的通帶帶寬。對DWDM器件，使用通道頻率范圍(Channel Frequency Range，CFR)來代替通帶帶寬，文獻[11]中也明確使用了CFR的概念，并說明CFR與通帶帶寬是同一個意思，如果用fnomi和Δfmax分別表示標稱中心頻率和最大中心頻率偏差(Central Frequency Deviation,CFD)(或頻譜偏差)，則CFR為(fnomi-Δfmax，fnomi+Δfmax)，而最大通道CFD定義見文獻[12]，當CFR定義使用頻譜偏差時，對應(yīng)文獻[13]中的“spectral excursion”，與CFD有些許差異，不管是最大頻率偏差或頻譜偏差，都按照DWDM系統(tǒng)光源中心波長的偏差范圍來確定通帶寬度；對于CWDM，G.671中明確規(guī)定了使用通道波長范圍(Channel Wavelength Range，CWR)概念來代替通帶帶寬，若用λnomi和 Δλmax分別表示標稱中心波長和最大中心波長偏差，則CWR為(λnomi-Δλmax，λnomi+ Δλmax)，而最大波長偏差在文獻[14]中有對應(yīng)的定義。因此，無論是DWDM還是CWDM器件，通帶寬度都是對應(yīng)各自WDM系統(tǒng)中的通道光源最大波長偏移值或最大頻率偏移值的兩倍，這樣定義的目的在于：WDM器件各個通道的指標在通帶帶寬范圍內(nèi)必須滿足相關(guān)要求，以確保WDM系統(tǒng)中光源波長在通帶帶寬范圍內(nèi)存在偏移時(比如隨溫度變化而出現(xiàn)波長變化等)，WDM系統(tǒng)指標仍然滿足系統(tǒng)設(shè)計要求?；谏鲜龇治?，對于LWDM和MWDM器件，通帶帶寬是相應(yīng)WDM系統(tǒng)標準中規(guī)定的光源最大中心波長(頻率)偏差規(guī)范值的兩倍。

2.2 相鄰?fù)ǖ赖亩x問題

在前傳CWDM 系統(tǒng)的單纖雙向方案中，上、下行方向各分配了一個波長區(qū)，即1 271～1 371 nm和1 471～1 571 nm，共計12個波長通道，對于這種CWDM器件，這12波波長支路之間有1 391～1 451 nm范圍內(nèi)的4個波長沒有使用，那么對于1 371 nm波長支路端口來說，1 471 nm波長通道是相鄰?fù)ǖ肋€是非相鄰?fù)ǖ?？這個問題涉及到如何計算1 371及1 471 nm波長支路的相鄰?fù)ǖ栏綦x度(Adjacent crosstalk，AX)，在標準中沒有現(xiàn)成答案。通過分析，本文的解決辦法是：在計算1 371或1 471 nm波長支路端口的AX時，不把二者當成相鄰?fù)ǖ揽创?/p>

首先，從波長支路端口來說，1 371和1 471 nm波長支路端口的端口排序可能是相鄰的，其次，從波長通道分布來說，1 371與1 471 nm波長通道是不相鄰的。這里需要區(qū)分波長支路端口和波長通道，波長支路端口對應(yīng)WDM器件的物理分支端口，波長通道為文獻[15]規(guī)定的波長柵格(ITU-T Grid)所對應(yīng)的通道，是按照光譜區(qū)域來劃分的，一個波長支路端口可以對應(yīng)一個或多個波長通道。依據(jù)文獻[10]中對AX和非相鄰?fù)ǖ栏綦x度(Non-adjacent Crosstalk，NX)的文字定義，以及AX與NX的計算圖示，相鄰和非相鄰?fù)ǖ揽梢岳斫鉃椋阂粋€波長支路端口的插損譜中，按照CWDM 波長柵格排序，與本波長支路端口對應(yīng)的波長通道在排序上相差1的波長通道為相鄰?fù)ǖ?，其他波長通道為非相鄰?fù)ǖ馈?/p>

2.3 LWDM+CWDM混合器件隔離度測試問題

前傳WDM系統(tǒng)方案中存在LWDM+CWDM這種混合模式，這種系統(tǒng)的WDM器件既有LWDM支路端口，也存在CWDM支路端口，如圖4(a)所示，如何計算每個支路端口的隔離度，在現(xiàn)行測試方法標準中找不到答案。

對于LWDM+CWDM混合模式的WDM系統(tǒng)，其任何一個波長支路端口串擾信號既有來自CWDM類型波長通道的串擾功率，也有來自LWDM類型波長通道的串擾功率，二者都必須加以控制才能控制總的串擾功率，因此對LWDM+CWDM這種混合模式的WDM器件的隔離度要求，必然是綜合考慮兩種類型波長通道對隔離度的影響。本文的解決辦法是：在不改變隔離度定義的條件下，測試任意波長支路端口隔離度時，應(yīng)該把兩種類型波長通道看成是一體的波長通道，但在具體計算過程中，對不同類型的波長通道，需要使用不同的通帶帶寬來確定帶內(nèi)的插損值。

圖4所示為混合器件AX、NX分析示意圖。對圖4(a)所示的LWDM波長與CWDM波長混合器件的波長通道器件，在圖4(b)和4(c)計算過程中，AX和NX計算必須在所有出現(xiàn)的波長通道通帶內(nèi)的插損數(shù)據(jù)中查找需要的值。如果波長通道是LWDM類型的，則按照LWDM波長通道的通帶寬度在其波長范圍區(qū)間查找；如果波長通道是CWDM類型的，則按照CWDM波長通道的通帶寬度在其波長范圍區(qū)間查找，然后將LWDM和CWDM所有通道通帶內(nèi)的最小值與波長支路對應(yīng)波長通道通帶內(nèi)的最大值進行計算，得到混合器件波長支路的AX和NX。

圖4 LWDM+CWDM器件隔離度分析示意圖

還有一點需要說明，在計算LWDM最后一個波長支路端口(1 318.35 nm端口)的AX時，不應(yīng)該把CWDM的1 351 nm波長通道作為相鄰?fù)ǖ?；同樣，在計算CWDM最前一個波長支路端口(1 351 nm端口)的AX時，不應(yīng)該把LWDM的1 318.35 nm波長通道作為相鄰?fù)ǖ?。因為從波長柵格來看，對CWDM波長支路，1 318.35 nm波長通道與1 351 nm波長通道中間還相隔一個1 331 nm波長通道，因此1 318.35與1 351 nm 波長通道的滾降區(qū)都不會跨越彼此的通帶，這二者應(yīng)該被視為非相鄰?fù)ǖ赖年P(guān)系。另外，1 331 nm CWDM波長通道所處波長區(qū)被作為LWDM與CWDM波長通道的隔離帶，在LWDM+CWDM混合WDM系統(tǒng)中不會存在1 331 nm的光波長通道信號，因此，在計算1 351 nm波長支路的AX時，僅需考慮其右AX，而無需考慮左AX；同樣，在計算1 318.35 nm LWDM波長支路的AX時，僅需考慮其左AX，而無需考慮右AX。

2.4 成對合分波測試問題

5G前傳WDM器件相關(guān)標準中都有成對合分波器插損參數(shù)，這個參數(shù)規(guī)定成對使用的一只合波器與一只分波器通過公共端連接后各波長支路的插入損耗，其意義在于：對基于不同波長濾波片疊加組成的合波器或分波器，波長支路的插入損耗與該支路在疊加中所處的次序位置相關(guān)，次序越靠后的波長支路插入損耗越大，因此在使用中，通常要求成對使用的合波器與分波器波長疊加次序相反，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)的波長支路之間插入損耗差異過大，影響WDM系統(tǒng)的傳輸距離。

對這個參數(shù)的測試，有3種可能的測試方法：(1)將測試得到的合波器與分波器的同一波長支路最大插入損耗數(shù)值相加；(2)將測試得到的合波器與分波器同一波長支路插入損耗譜數(shù)值相加，得到疊加損耗譜，在通帶帶寬范圍查找最差值；(3)將成對使用的合波器和分波器通過公共端連接后，在各支路進行波長掃描得到疊加后各波長支路的損耗譜，在通帶帶寬范圍查找最差值。方法(1)在業(yè)界不少測試方案或企標中采用，但通過分析，還是方法(2)和(3)更為嚴密，更符合WDM器件對于插入損耗普遍的定義，所以我們的解決辦法是：采用方法(2)直接測試獲得兩種器件的疊加插損譜數(shù)據(jù)，也可以按方法(3)，將分別完成測試的兩只器件的通道插損譜數(shù)據(jù)相加，獲得疊加插損譜數(shù)據(jù)，然后再進行計算。

圖5(a)所示為采用方法(2)和(3)對DWDM器件成對插入損耗進行測試獲得的插損譜，其中紅色和綠色曲線分別為合波器和分波器插損譜實測曲線，藍色曲線為合波器和分波器通過公共端連接后對應(yīng)方法(3)得到的實測插損譜曲線，黃色曲線為紅色和綠色曲線相加后對應(yīng)方法(2)所得插損譜曲線。由圖可知，采用方法(2)和(3)得到的插損譜曲線高度一致，采用方法(1)得到成對插入損耗最大值為8.5 dB，采用方法(2)和(3)得到的成對插入損耗最大值也為8.5 dB，這是由于合波器和分波器的形狀高度相似所致。如果合波器和分波器的形狀相似度不高，則采用方法(1)所得結(jié)果與采用方法(2)和(3)所得結(jié)果不一定相同，圖5(b)所示為采用方法(2)對CWDM器件成對插入損耗進行測試仿真獲得的示意圖，其中紅色和綠色曲線分別對應(yīng)合波器和分波器插損譜曲線，藍色曲線是合波器和分波器插損譜數(shù)據(jù)相加后的曲線，按照方法(1)得到的結(jié)果為5.8 dB，但采用方法(2)得到結(jié)果為5.4 dB。顯然，從精確測試角度看，方法(2)和(3)更為精確。

圖5 成對插入損耗3種測試方法結(jié)果比較

3 測試系統(tǒng)分析結(jié)果的準確性評估

對提出的測試系統(tǒng)，需要對其給出的測試結(jié)果進行驗證才能投入使用。根據(jù)中國合格評定國家認可委員會(China National Accreditation Service for Conformity Assessment，CNAS)的CL01-A007-2021《認可準則在通信檢測領(lǐng)域的應(yīng)用說明》6.4.4 b)條的要求，可以采用3種方式進行驗證：(1) 經(jīng)政府部門、行業(yè)組織、技術(shù)組織和認證機構(gòu)驗證；(2) 與經(jīng)政府部門、行業(yè)組織、技術(shù)組織或認證機構(gòu)驗證的同類檢測系統(tǒng)進行比對；(3) 與手動檢測方式進行比對?？紤]到當前方式(1)和(2)難以實現(xiàn)，按方式(3)對測試系統(tǒng)的測試結(jié)果進行驗證，即先由測試人員按照所能依據(jù)的標準以及上文提及的相關(guān)問題的處理方法，進行手動測試及人工分析的方式獲得各參數(shù)的測試結(jié)果，然后再使用開發(fā)的測試系統(tǒng)進行測試并給出測試結(jié)果，對兩種結(jié)果進行比對。比對結(jié)果顯示，本文所提測試系統(tǒng)輸出檢測結(jié)果與人工分析結(jié)果有很好的一致性，其證明測試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析邏輯方面符合預(yù)期的方法，如表1所示，而測試系統(tǒng)的效率高于手動測試10倍以上。盡管如此，當前測試系統(tǒng)輸出結(jié)果的準確性依賴于上文提及的幾個問題的解決方法，由于暫時缺乏標準依據(jù)，當前斷定這個測試結(jié)果絕對準確還為時尚早，有待相關(guān)標準發(fā)布后按照標準的要求再進行驗證。

表1 測試系統(tǒng)與手動方式測試結(jié)果一致性比較

4 結(jié)束語

在5G加速建網(wǎng)的當下，絕大部分前傳方案會采用WDM技術(shù)，WDM器件得到大規(guī)模應(yīng)用，這直接關(guān)系到前傳網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞。前傳用WDM技術(shù)方案、產(chǎn)品和技術(shù)還在發(fā)展，產(chǎn)品正在逐步成熟過程中，產(chǎn)品的檢測技術(shù)和標準方法需要快速跟進。本文所提測試系統(tǒng)最終也需要根據(jù)后期發(fā)布的標準進行適當?shù)恼{(diào)整，但它是我們在前傳WDM器件測試方法及測試系統(tǒng)開發(fā)方面的一些探索，可為后續(xù)標準制定提供有益的技術(shù)參考。