Red portadora 5G: sus tendencias en tecnología de módulos ópticos

En 2019, la tecnología de comunicaciones móviles de quinta generación (5G) se lanzó oficialmente para uso comercial. En 2020, las redes 5G y los centros de datos se identificaron como los contenidos clave de la nueva construcción de infraestructura. En 2021, el mundo aumentó la construcción de redes 5G y redes ópticas gigabit para enriquecer los escenarios de aplicación. 5G, centros de datos, redes de acceso totalmente ópticas y otras tecnologías e industrias relacionadas se están desarrollando rápidamente. Los módulos ópticos son los componentes básicos de las redes portadoras 5G, la interconexión de centros de datos y las redes de acceso totalmente ópticas cuya función principal es realizar la conversión bidireccional entre luz y electricidad. En los últimos años, con el aumento gradual de la velocidad, el costo de los módulos ópticos en los equipos del sistema ha seguido aumentando. Los transceptores ópticos se han convertido en el elemento clave de alto ancho de banda, amplia cobertura, bajo costo y bajo consumo de energía en varios campos de aplicación.

• Requisitos de la red portadora 5G para módulos ópticos 

El módulo óptico frontal es una parte importante del portador físico del enlace CPRI que conecta la unidad de banda base (BBU) y la unidad de radio remota (RRU)/unidad de antena activa (AAU). De 1.25 Gb/s en la era 2G a 2.5 Gb/s en la era 3G y luego a 6/10 Gb/s en la era 4G, la velocidad de los módulos ópticos portadores ha seguido evolucionando y las distancias de transmisión incluyen principalmente 300 m, 1.4 km y 10 km. Con el advenimiento de la era 5G, la cantidad de antenas AAU aumentó 8 veces de 8T/8R a 64T/64R, y el ancho de banda de la interfaz aérea aumentó de 20MHz a 100MHz. Si se mantiene el esquema de segmentación CPRI, el requisito de ancho de banda aumentará 40 veces de 10 Gb/s a 400 Gb/s.

Para reducir la presión del ancho de banda, la industria adopta la solución de segmentación eCPRI e implementa parte de la BBU en la AAU, lo que reduce el requisito de ancho de banda entre la BBU y la AAU. Tomando como ejemplo el ancho de banda de la interfaz aérea de 100 MHz y 64T/64R, el requisito de ancho de banda para una interfaz única de 5G de transmisión frontal se ha reducido a 25 Gb/s, lo que se puede respaldar efectivamente mediante la multiplexación de la cadena industrial de Ethernet madura.

En la etapa inicial de la implementación de 5G, los operadores centralizarán BBU para reducir los requisitos de recursos de las salas de equipos, logrando así una implementación rápida y a escala. Sin embargo, el escenario de la red de acceso de radio centralizada (CRAN) consume una gran cantidad de fibra troncal. En consecuencia, la industria propone CWDM de 6 longitudes de onda, LWDM/MWDM de 12 longitudes de onda, DWDM de 48 longitudes de onda y otras soluciones WDM basadas en 25 Gb/s para converger y ahorrar recursos de fibra.

Con la evolución de 5G, las versiones posteriores (Rel 17/Rel 18) se centrarán en sub 10 GHz, longitud de onda milimétrica y otras bandas de frecuencia. Si la cantidad de antenas y el ancho de banda de la interfaz aérea aumentan aún más, se requerirán módulos ópticos de 50 Gb/s y de mayor velocidad para cumplir con los requisitos de ancho de banda de transmisión frontal.s.

Figura 1: Evolución de los requisitos del portador de fronthaul 5G

En la actualidad, la industria está explorando activamente las soluciones de módulos ópticos de próxima generación, de alta velocidad y rentables que pueden cumplir con los requisitos de temperatura del grado industrial de fronthaul y garantizar la confiabilidad a largo plazo durante más de diez años. Los requisitos potenciales se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Demanda potencial para el nuevo fronthaul 5G módulos ópticos

Las capas de acceso de backhaul y midhaul de 5G generalmente están dominadas por una topología de anillo, y los requisitos típicos de ancho de banda de la red de acceso de radio distribuida (DRAN) son: 10/25/50 Gb/s; Los requisitos típicos de ancho de banda de CRAN son 50/100 Gb/s. Con la creciente madurez de 400Gb / s Las soluciones técnicas de módulos ópticos de 30/40 km y la evolución de los módulos ópticos de 800 Gb/s, la siguiente etapa de los módulos ópticos 5G midhaul y backhaul enfrentarán más opciones de nuevas soluciones.

Mesa 2: Demanda potencial de nuevo 5G mediorecorrido y backhaul módulos ópticos

A más largo plazo, con el avance continuo de la investigación de tecnología 6G y la exploración de aplicaciones, la capacidad de fronthaul 6G puede mejorar considerablemente. 6G se integrará aún más con la computación en la nube, los grandes datos y la inteligencia artificial, y habrá una gran mejora en la dimensión y la amplitud de las conexiones inalámbricas, que pueden soportar la transmisión de video de ancho de banda ultra alto, IoT industrial de latencia ultra baja ( Internet de las cosas), la interconexión de aire, espacio y tierra, y otros escenarios de aplicación.

El rendimiento del sistema debe admitir una tasa máxima de 1 Tb/s y una tasa de experiencia del usuario de 1 Gb/s, latencia ultrabaja de 0.1 ms y comunicación de alta velocidad, utilización de espectro ultra alta, etc. En comparación con la tasa máxima de la interfaz aérea 5G, el la demanda de transmisión de la red de acceso inalámbrico 6G puede aumentar cien veces. Teniendo en cuenta los nuevos requisitos, como la integración de aire, espacio y tierra, se espera que la capacidad de fronthaul deba aumentar docenas de veces.

• Soluciones técnicas de módulos ópticos 5G y puntos de acceso de estandarización

Módulo óptico sintonizable de longitud de onda de 25 Gb/s

(1) banda C

Los escenarios de aplicación de los módulos ópticos sintonizables de longitud de onda de banda C de 25 Gb/s se basan principalmente en 5G fronthaul. Los escenarios de aplicación de la red de área metropolitana (MAN) adoptan principalmente una tasa de 10 Gb/s, y la viabilidad de la evolución a una tasa de 25 Gb/s se discutirá en un futuro próximo. El módulo óptico sintonizable de longitud de onda de 25 Gb/s debe admitir la función de adaptación automática de longitud de onda, que se puede realizar a través del mecanismo de canal de mensajes especificado en ITU-T G.698.4.

Hay muchos esquemas de implementación para la tecnología de longitud de onda sintonizable, incluida la matriz de retroalimentación distribuida (DFB), la reflexión de Bragg distribuida (DBR), el supermodo digital DBR (DS DBR), el láser tipo Y de rejilla modulada (rama MG-Y), el DBR de rejilla de muestreo (SG DBR), láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL), láser de cavidad externa (ECL), cavidad de microanillo óptico de silicio y cavidad de acoplamiento en forma de V, etc. Estos esquemas adoptan principalmente control de temperatura, control de corriente y mecánica control. La comparación técnica se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3: Comparación de técnicas de ajuste de longitud de onda

En términos del rango de sintonización de longitud de onda, se puede dividir en sintonizable de banda C completa y parcialmente sintonizable de banda C de banda estrecha; En cuanto al formato de modulación, se puede dividir en tecnología de longitud de onda sintonizable basada en EML y MZM. Es conveniente que EA logre una integración monolítica con un chip láser, y MZM puede lograr una relación de extinción más alta y puede controlarse de manera flexible.

En términos de esquema de recepción, se puede dividir en recepción de PIN y recepción de APD; En el aspecto de los tipos de interfaz de módulo óptico, se puede dividir en bidireccional de fibra única y bidireccional de fibra dual, utilizando diferentes DWDM MUX/DEMUX.

En términos de estandarización, los estándares de la industria para los módulos ópticos DWDM de 25 Gb/s y los requisitos técnicos del sistema DWDM N×25 Gb/s ya están en proceso de aprobación y se publicarán pronto. La serie internacional de estándares ITU-T G.698.x está siendo revisada. En la actualidad, se están discutiendo los parámetros principales, como la excursión del espectro y las ondas, y se espera que la revisión del estándar se complete en 2022.

En términos de implementación de aplicaciones, muchos fabricantes como Nokia, Ericsson, Samsung, HW, ZTE, II-VI y FiberMall pueden proporcionar muestras de módulos ópticos sintonizables de longitud de onda de banda C de 25 Gb/s. El 25Gb / s El DWDM frontal de estos fabricantes de equipos recopilados y probados en los laboratorios se está probando actualmente en la red existente.

(2) banda O

El módulo óptico sintonizable de longitud de onda de banda O de 25 Gb/s se utiliza principalmente en el 5G fronthaul campo. La planificación de longitud de onda de 12 canales se muestra en la Figura 2. Las longitudes de onda de intervalo se reservan entre los canales 1 ~ 6 y los canales 7 ~ 12, lo que favorece el aislamiento de los canales de enlace ascendente y descendente. El espaciado de 400 GHz puede reducir en gran medida la dificultad de fabricación en comparación con el espaciado de 100/50 GHz utilizado por DWDM.

Figura 2: planificación de longitud de onda de banda O de 12 canales

El diagrama de bloques funcional del módulo óptico sintonizable de longitud de onda de banda O de 25 Gb/s se muestra en la Figura 3. El componente óptico sintonizable de TOSA necesita usar TEC para estabilizar la temperatura y ajustar la salida de longitud de onda cambiando el tamaño de la corriente. fuente aplicada a IP e IF. PD1 y PD2 se utilizan para detectar la fotocorriente relevante, y la longitud de onda de la luz de salida se bloquea al estabilizar la proporción de PD1 y PD2. El módulo óptico se puede empaquetar en SFP28, y el tipo de interfaz óptica puede realizar bidireccional de fibra única o bidireccional de fibra dual según las necesidades.

Figura 3: Diagrama funcional del módulo óptico

El costo del módulo óptico sintonizable se refleja principalmente en el componente óptico DBR sintonizable, que representa más del 80 % del costo total. Se puede dividir en factor de forma BOX y factor de forma TO coaxial. El primero tiene un mejor rendimiento de alta frecuencia y un tamaño más pequeño, pero un costo más alto. Los moduladores ópticos incluyen principalmente modulación directa EAM, MZM y DML. Entre ellos, MZM tiene el costo más alto y EAM tiene el mediano. La modulación directa DML tiene el costo más bajo, pero su rendimiento de alta frecuencia es relativamente pobre y la calidad del diagrama de ojo y la distancia de transmisión son limitadas.

El costo es un tema más delicado en el campo de fronthaul 5G. Bajo la premisa de cumplir con las condiciones de aplicación, es de suma importancia optimizar la selección de soluciones técnicas para el módulo. Por ejemplo, en términos de planificación de longitud de onda, teniendo en cuenta que el rango de ajuste de longitud de onda del chip óptico DBR sintonizable de banda O es de aproximadamente diez nanómetros, se pueden usar 12 canales de longitud de onda con un espaciado de canal de 400 GHz para tener en cuenta tanto los escenarios de aplicación como los costos de fabricación. Además, el empaque TO coaxial se puede usar para cooperar con la modulación directa DML para reducir costos.

El módulo óptico ajustable en longitud de onda de banda O de 25 Gb/s implica muchas dificultades técnicas, como el desarrollo y la producción en masa de chips láser ajustables en longitud de onda; empaque de matriz DBR de pequeño volumen con refrigeración y diseño de componentes ópticos; bloqueo de longitud de onda DBR de bajo costo y monitoreo de potencia óptica, mecanismo de ajuste y estabilización; el rendimiento y la fiabilidad del mecanismo de tono piloto; el desarrollo y confiabilidad del protocolo de comunicación entre módulos ópticos de extremo a extremo; la realización de bajo consumo de energía y disipación de calor del módulo óptico ajustable en longitud de onda con temperatura industrial; métodos de producción, prueba y calibración de longitud de onda por lotes de bajo costo para los módulos ópticos ajustables en longitud de onda.

En términos de exploración de aplicaciones, el módulo óptico sintonizable de longitud de onda de banda O de 25 Gb/s se encuentra actualmente en la etapa de diseño y desarrollo. Se espera que produzca prototipos y muestras α en 2022. Producirá muestras β y realizará su producción a pequeña escala en 2023. La aplicación específica en el futuro dependerá de la evaluación integral de la industria del programa fronthaul.

• Resum

Con el avance continuo de la construcción 5G en etapas y el vigoroso desarrollo de los centros de datos y las redes de acceso totalmente ópticas, continúan surgiendo nuevos requisitos de aplicación para los módulos ópticos, y la tecnología de módulos ópticos de red portadora 5G se ha convertido cada vez más en el foco de atención de la industria. El grupo de trabajo de portadores de 5G seguirá fortaleciendo la cooperación con la industria, centrándose en el consenso y promoviendo conjuntamente la investigación, las pruebas y la evaluación de tecnologías clave para los módulos ópticos de portadores de 5G, y la formulación de estándares y especificaciones, a fin de facilitar la desarrollo saludable y ordenado de la industria de tecnología de módulos ópticos portadores 5G y apoyar firmemente la construcción 5G.