Несущая сеть 5G: тенденции в технологии оптических модулей

В 2019 году технология мобильной связи пятого поколения (5G) была официально запущена для коммерческого использования. В 2020 году сети 5G и центры обработки данных были определены как ключевое содержимое нового инфраструктурного строительства. В 2021 году мир увеличил строительство сетей 5G и гигабитных оптических сетей для обогащения сценариев применения. 5G, центры обработки данных, полностью оптические сети доступа и другие связанные технологии и отрасли стремительно развиваются. Оптические модули являются основными строительными блоками сетей-носителей 5G, взаимосвязи центров обработки данных и полностью оптических сетей доступа, основная функция которых заключается в реализации двустороннего преобразования между светом и электричеством. В последние годы с постепенным увеличением скорости стоимость оптических модулей в системном оборудовании продолжала расти. Оптические трансиверы стали ключевым элементом высокой пропускной способности, широкого покрытия, низкой стоимости и низкого энергопотребления в различных областях применения.

• Требования несущей сети 5G к оптическим модулям 

Передний оптический модуль является важной частью физического канала связи CPRI, соединяющего блок основной полосы частот (BBU) и удаленный радиоблок (RRU)/блок активной антенны (AAU). От 1.25 Гбит/с в эпоху 2G до 2.5 Гбит/с в эпоху 3G, а затем до 6/10 Гбит/с в эпоху 4G, скорость оптических модулей несущей продолжает развиваться, и расстояния передачи в основном включают 300 м, 1.4 км и 10 км. С наступлением эпохи 5G количество антенн AAU было увеличено в 8 раз с 8T/8R до 64T/64R, а полоса пропускания радиоинтерфейса увеличилась с 20 МГц до 100 МГц. При сохранении схемы сегментации CPRI требования к пропускной способности возрастут в 40 раз с 10 Гбит/с до 400 Гбит/с.

Чтобы снизить нагрузку на полосу пропускания, в отрасли применяется решение сегментации eCPRI и развертывание части BBU на AAU, тем самым снижая требования к полосе пропускания между BBU и AAU. Взяв в качестве примера полосу пропускания радиоинтерфейса 100 МГц и 64T/64R, требования к полосе пропускания для одного фронтального интерфейса 5G снизились до 25 Гбит/с, что может эффективно поддерживаться за счет мультиплексирования зрелой отраслевой цепочки Ethernet.

На ранней стадии развертывания 5G операторы будут централизовать BBU, чтобы снизить требования к ресурсам аппаратных, тем самым обеспечив быстрое и масштабное развертывание. Однако сценарий централизованной сети радиодоступа (CRAN) потребляет много магистрального волокна. Соответственно, промышленность предлагает 6-волновой CWDM, 12-волновой LWDM/MWDM, 48-волновой DWDM и другие решения WDM на основе 25 Гбит/с для конвергенции и экономии волоконных ресурсов.

По мере развития 5G последующие версии (Rel 17/Rel 18) будут сосредоточены на частотах менее 10 ГГц, миллиметровых волнах и других диапазонах частот. Если количество антенн и пропускная способность радиоинтерфейса будут дополнительно увеличены, потребуются оптические модули со скоростью 50 Гбит/с и выше для удовлетворения требований к пропускной способности на переднем расстоянии.s.

Рис. 1. Эволюция требований к переднему магистральному каналу 5G.

В настоящее время отрасль активно изучает передовые, высокоскоростные и экономичные оптические модульные решения следующего поколения, которые могут соответствовать температурным требованиям передового промышленного класса и гарантировать долгосрочную надежность в течение более десяти лет. Потенциальные требования показаны в таблице 1.

Таблица 1: Потенциальный спрос на новую переднюю сеть 5G оптические модули

На промежуточных и транзитных уровнях доступа 5G обычно преобладает кольцевая топология, а типичные требования к пропускной способности распределенной сети радиодоступа (DRAN): 10/25/50 Гбит/с; Типичные требования к пропускной способности CRAN: 50/100 Гбит/с. По мере возрастания зрелости 400Gb / s Технические решения оптических модулей 30/40 км и эволюция оптических модулей 800 Гбит/с, следующий этап оптических модулей промежуточной и транспортной сети 5G столкнется с большим выбором новых решений.

Таблица 2: Потенциальный спрос на новый 5G в серединетащить и транспортное сообщение оптические модули

В более долгосрочной перспективе, благодаря постоянному развитию исследований и исследований в области технологий 6G, пропускная способность 6G может быть значительно улучшена. 6G будет дополнительно интегрирован с облачными вычислениями, большими данными и искусственным интеллектом, и будет значительно улучшен размер и широта беспроводных соединений, которые могут поддерживать передачу видео со сверхвысокой пропускной способностью, промышленный IoT со сверхнизкой задержкой ( Интернет вещей), взаимосвязь воздуха, космоса и земли и другие сценарии применения.

Производительность системы должна поддерживать пиковую скорость 1 Тбит/с и скорость взаимодействия с пользователем 1 Гбит/с, сверхмалую задержку 0.1 мс и высокоскоростную связь, сверхвысокое использование спектра и т. д. По сравнению с пиковой скоростью радиоинтерфейса 5G, потребность в передаче сети беспроводного доступа 6G может увеличиться в сто раз. С учетом новых требований, таких как интеграция воздуха, космоса и земли, ожидается, что пропускную способность переднего участка потребуется увеличить в десятки раз.

• Технические решения оптического модуля 5G и точки стандартизации

Оптический модуль 25 Гбит/с с перестройкой длины волны

(1) диапазон С

Сценарии применения оптических модулей с перестраиваемой длиной волны C-диапазона 25 Гбит/с в основном основаны на фронтальной сети 5G. Сценарии приложений городской сети (MAN) в основном используют скорость 10 Гбит/с, и возможность перехода на скорость 25 Гбит/с будет обсуждаться в ближайшем будущем. Перестраиваемый по длине волны оптический модуль 25 Гбит/с должен поддерживать функцию автоматической адаптации длины волны, которая может быть реализована с помощью механизма канала сообщений, указанного в ITU-T G.698.4.

Существует множество схем реализации технологии с перестройкой длины волны, в том числе матрица с распределенной обратной связью (РОС), распределенное брэгговское отражение (РБО), цифровая суперрежимная РБО (DS DBR), лазер Y-типа с модулированной решеткой (ветвь MG-Y), выборочная решетка DBR. (SG DBR), лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL), лазер с внешним резонатором (ECL), кремниевый оптический микрокольцевой резонатор и V-образный резонатор связи и т. д. Эти схемы в основном используют контроль температуры, контроль тока и механические контроль. Техническое сравнение показано в таблице 3.

Таблица 3: Сравнение методов настройки длины волны

С точки зрения диапазона перестройки длины волны его можно разделить на полностью перестраиваемый C-диапазон и узкополосный C-диапазон с частичной перестройкой; С точки зрения формата модуляции его можно разделить на технологию перестраиваемой длины волны на основе EML и MZM. Для EA удобно добиться монолитной интеграции с лазерным чипом, а MZM может добиться более высокого коэффициента экстинкции и гибкого управления.

Что касается схемы получения, ее можно разделить на получение PIN-кода и получение APD; Что касается типов интерфейса оптического модуля, его можно разделить на одноволоконный двунаправленный и двухволоконный двунаправленный, используя различные DWDM MUX/DEMUX.

Что касается стандартизации, то отраслевые стандарты для оптических модулей DWDM 25 Гбит/с и технические требования к системам N×25 Гбит/с DWDM уже находятся в процессе утверждения и будут опубликованы в ближайшее время. Международная серия стандартов ITU-T G.698.x пересматривается. В настоящее время обсуждаются основные параметры, такие как отклонения спектра и пульсации, и ожидается, что пересмотр стандарта будет завершен в 2022 году.

Что касается развертывания приложений, многие производители, такие как Nokia, Ericsson, Samsung, HW, ZTE, II-VI и FiberMall, могут предоставить образцы оптических модулей с перестраиваемой длиной волны C-диапазона 25 Гбит/с. 25Gb / s Собранные и протестированные в лабораториях передние DWDM-модули этих производителей в настоящее время тестируются в существующей сети.

(2) полоса O

Перестраиваемый по длине волны оптический модуль O-диапазона 25 Гбит/с в основном используется в 5G Fronthaul поле. 12-канальное планирование длин волн показано на рисунке 2. Интервалы длин волн зарезервированы между каналами 1 ~ 6 и каналами 7 ~ 12, что способствует изоляции восходящих и нисходящих каналов. Разнос 400 ГГц может значительно упростить производство по сравнению с разносом 100/50 ГГц, используемым DWDM.

Рис. 2. Планирование длины волны для 12-канального диапазона O

Функциональная блок-схема перестраиваемого по длине волны оптического модуля O-диапазона 25 Гбит/с показана на рисунке 3. Перестраиваемый оптический компонент TOSA должен использовать TEC для стабилизации температуры и регулировать выходную длину волны, изменяя величину тока. источник применяется к IP и IF. PD1 и PD2 используются для обнаружения соответствующего фототока, а длина волны выходного света фиксируется путем стабилизации соотношения PD1 и PD2. Оптический модуль может быть упакован в SFP28, а тип оптического интерфейса может реализовывать одноволоконный двунаправленный или двухволоконный двунаправленный в соответствии с потребностями.

Рисунок 3: Функциональная схема оптического модуля

Стоимость перестраиваемого оптического модуля в основном отражается на перестраиваемом оптическом компоненте DBR, на долю которого приходится более 80% всей стоимости. Его можно разделить на форм-фактор BOX и коаксиальный форм-фактор TO. Первый имеет лучшие высокочастотные характеристики и меньший размер, но более высокую стоимость. Оптические модуляторы в основном включают прямую модуляцию EAM, MZM и DML. Среди них MZM имеет самую высокую стоимость, а EAM – среднюю. Прямая модуляция DML имеет самую низкую стоимость, но ее высокочастотные характеристики относительно плохи, а качество глазковой диаграммы и дальность передачи ограничены.

Стоимость является более деликатной темой в области передовых сетей 5G. При условии соблюдения условий применения крайне важна оптимизация выбора технических решений для модуля. Например, с точки зрения планирования длины волны, учитывая, что диапазон регулировки длины волны перестраиваемого оптического чипа DBR O-диапазона составляет около десяти нанометров, можно использовать 12 каналов длины волны с разносом каналов 400 ГГц, чтобы учесть как сценарии применения, так и производственные затраты. Кроме того, коаксиальная упаковка TO может использоваться для совместной работы с прямой модуляцией DML для снижения затрат.

Перестраиваемый по длине волны оптический модуль O-диапазона 25 Гбит/с связан со многими техническими трудностями, такими как разработка и массовое производство лазерных чипов с перестройкой длины волны; корпус кристалла DBR небольшого объема с охлаждением и конструкцией оптических компонентов; недорогой механизм захвата длины волны РБЗ и контроля оптической мощности, стабилизации и настройки; производительность и надежность механизма пилот-тона; разработка и надежность протокола связи между сквозными оптическими модулями; реализация низкого энергопотребления и тепловыделения перестраиваемого по длине волны оптического модуля с промышленной температурой; недорогие серийные методы калибровки, тестирования и производства оптических модулей с перестройкой длины волны.

Что касается исследования приложений, оптический модуль O-диапазона 25 Гбит/с с перестройкой длины волны в настоящее время находится на стадии проектирования и разработки. Ожидается, что в 2022 году будут произведены прототипы и образцы α. В 2023 году будут произведены образцы β и запущено мелкосерийное производство.

• Итого

В связи с непрерывным поэтапным строительством 5G и активным развитием центров обработки данных и полностью оптических сетей доступа продолжают появляться новые требования к приложениям для оптических модулей, и технология оптических модулей несущей сети 5G все больше становится в центре внимания отрасли. Рабочая группа по каналам связи 5G продолжит укреплять сотрудничество с отраслью, сосредоточится на достижении консенсуса и будет совместно продвигать исследования, испытания и оценку ключевых технологий для оптических модулей каналов 5G, а также формулировать стандарты и спецификации, чтобы облегчить здоровое и упорядоченное развитие индустрии технологий оптических модулей 5G и решительная поддержка строительства 5G.