شبكة حامل 5G: اتجاهات تكنولوجيا الوحدات البصرية الخاصة بها

في عام 2019 ، كانت تقنية اتصالات الهاتف المحمول من الجيل الخامس (5G) offأطلقت رسميا للاستخدام التجاري. في عام 2020 ، تم تحديد شبكات 5G ومراكز البيانات كمحتويات رئيسية لبناء البنية التحتية الجديدة. في عام 2021 ، زاد العالم من بناء شبكات 5G وشبكات جيجابت البصرية لإثراء سيناريوهات التطبيق. تتطور شبكات الجيل الخامس 5G ومراكز البيانات وشبكات الوصول الضوئية بالكامل وغيرها من التقنيات والصناعات ذات الصلة بشكل سريع. الوحدات الضوئية هي اللبنات الأساسية لشبكات 5G الحاملة ، والتوصيل البيني لمركز البيانات ، وشبكات الوصول البصرية بالكامل التي تتمثل وظيفتها الرئيسية في تحقيق التحويل ثنائي الاتجاه بين الضوء والكهرباء. في السنوات الأخيرة ، مع الزيادة التدريجية في السرعة ، استمرت تكلفة الوحدات الضوئية في معدات النظام في الارتفاع. أصبحت أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية العنصر الأساسي للنطاق الترددي العالي والتغطية الواسعة والتكلفة المنخفضة واستهلاك الطاقة المنخفض في مجالات التطبيق المختلفة.

• متطلبات شبكة 5G الحاملة للوحدات الضوئية 

تعد الوحدة البصرية للمسافات الأمامية جزءًا مهمًا من الحامل المادي لوصلة CPRI التي تربط وحدة النطاق الأساسي (BBU) ووحدة الراديو عن بُعد (RRU) / وحدة الهوائي النشطة (AAU). من 1.25 جيجابت / ثانية في عصر 2G إلى 2.5 جيجابت / ثانية في عصر 3G ، ثم إلى 6/10 جيجابت / ثانية في عصر 4G ، استمر معدل الوحدات البصرية الحاملة في التطور ، وتشمل مسافات الإرسال بشكل أساسي 300 م ، 1.4 كم ، و 10 كم. مع ظهور عصر 5G ، تم زيادة عدد هوائيات AAU بمقدار 8 مرات من 8T / 8R إلى 64T / 64R ، كما تم زيادة عرض النطاق الترددي للواجهة الهوائية من 20 ميجا هرتز إلى 100 ميجا هرتز. إذا تم الحفاظ على مخطط تجزئة CPRI ، فستزيد متطلبات النطاق الترددي بمقدار 40 مرة من 10 جيجابت / ثانية إلى 400 جيجابت / ثانية.

من أجل تقليل ضغط عرض النطاق الترددي ، تعتمد الصناعة حل تجزئة eCPRI ، وتنشر جزءًا من BBU على AAU ، وبالتالي تقليل متطلبات النطاق الترددي بين BBU و AAU. إذا أخذنا عرض النطاق الترددي للواجهة الهوائية 100MHz و 64T / 64R كمثال ، فقد انخفض متطلب النطاق الترددي لواجهة أحادية المدى 5G إلى 25Gb / s ، والتي يمكن دعمها بشكل فعال عن طريق مضاعفة سلسلة صناعة Ethernet الناضجة.

في المرحلة المبكرة من نشر 5G ، سيقوم المشغلون بتركيز BBU لتقليل متطلبات الموارد لغرف المعدات ، وبالتالي تحقيق نشر سريع وعلى نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن سيناريو شبكة الوصول إلى الراديو المركزية (CRAN) يستهلك الكثير من الألياف الأساسية. وفقًا لذلك ، تقترح الصناعة CWDM ذات 6 أطوال موجية ، و 12 طولًا موجيًا LWDM / MWDM ، و 48 طولًا موجيًا DWDM ، وحلول WDM الأخرى القائمة على 25 جيجابت / ثانية لتقارب موارد الألياف وحفظها.

مع تطور 5G ، ستركز الإصدارات اللاحقة (Rel 17 / Rel 18) على 10 جيجاهرتز الفرعية وطول الموجة المليمترية ونطاقات التردد الأخرى. في حالة زيادة عدد الهوائيات وعرض النطاق الترددي للواجهة الهوائية ، ستكون هناك حاجة إلى وحدات بصرية 50 جيجابت / ثانية وأعلى معدل لتلبية متطلبات عرض النطاق الترددي الأماميs.

الشكل 1: تطور متطلبات الحامل الأمامي 5G

في الوقت الحاضر ، تستكشف الصناعة بنشاط الجيل التالي من حلول الوحدات الضوئية ذات السرعة العالية والفعالة من حيث التكلفة والتي يمكن أن تلبي متطلبات درجة حرارة الدرجة الصناعية على المدى الأمامي ، وتضمن موثوقية طويلة الأجل لأكثر من عشر سنوات. المتطلبات المحتملة موضحة في الجدول 1.

معدل	شكل عامل	بعد انتقال	الطول الموجي العامل	تنسيق التحوير	رقاقة بصرية	رقاقة كهربائية
50Gb / ثانية	SFP56	300m	1310nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56	2km	1310nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56	10km	1310nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56 ثنائية الاتجاه	10km / 15km	1270nm / 1330nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56	10km	CWDM	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56 قابل للضبط	10km / 20km	DWDM	PAM4	EML + PIN	CDR / DSP
100Gb / ثانية	DSFP	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
	DSFP ثنائي الاتجاه	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
	SFP112	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
	SFP112 ثنائية الاتجاه	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
200Gb / ثانية	QSFP56	10km	CWDM	PAM4	EML + PIN	DSP
400Gb / ثانية	QSFP112	10km	CWDM	PAM4	EML + PIN	DSP

الجدول 1: الطلب المحتمل على المواجهة الجديدة للجيل الخامس الوحدات البصرية

عادةً ما يهيمن الهيكل الدائري على طبقات الوصول إلى النطاق 5G midhaul و backhaul ، ومتطلبات النطاق الترددي النموذجية لشبكة الوصول الراديوي الموزعة (DRAN) هي: 10/25 / 50Gb / s ؛ متطلبات النطاق الترددي النموذجي لـ CRAN هي 50 / 100Gb / s. مع تزايد النضج 400Gb / ثانية الحلول التقنية للوحدات الضوئية 30/40 كم وتطور الوحدات الضوئية بسرعة 800 جيجابت / ثانية ، ستواجه المرحلة التالية من الوحدات البصرية 5G midhaul ووحدات الوصل البصري المزيد من الخيارات للحلول الجديدة.

معدل	شكل عامل	بعد انتقال	الطول الموجي العامل	تنسيق التحوير	رقاقة بصرية	رقاقة كهربائية
400Gb / ثانية	QSFP-DD	30km	LWDM (الطول الموجي 4)	PAM4	EML + APD	DSP
	QSFP-DD	40km	LWDM (الطول الموجي 8)	PAM4	EML + APD	DSP
800Gb / ثانية	OSFP / QSFP-DD800	10km	LWDM (الطول الموجي 8)	PAM4	EML + PIN	DSP

طاولات ومكاتب 2: الطلب المحتمل على الجيل الخامس الجديد منتصفسحب والوصلة الوحدات البصرية

على المدى الطويل ، مع التقدم المستمر لأبحاث تكنولوجيا 6G واستكشاف التطبيقات ، يمكن تحسين قدرة الواجهة الأمامية 6G بشكل كبير. سيتم دمج 6G بشكل أكبر مع الحوسبة السحابية والبيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي ، وسيكون هناك تحسن كبير في أبعاد واتساع الاتصالات اللاسلكية ، والتي يمكن أن تدعم نقل الفيديو ذي النطاق الترددي الفائق ، و IoT الصناعي بزمن انتقال منخفض للغاية ( إنترنت الأشياء) ، والترابط بين الهواء والفضاء والأرض ، وسيناريوهات التطبيق الأخرى.

يحتاج أداء النظام إلى دعم معدل الذروة 1 تيرابايت / ثانية ومعدل تجربة المستخدم 1 جيجابت / ثانية ، ووقت استجابة منخفض للغاية 0.1 مللي ثانية واتصال عالي السرعة ، واستخدام فائق للطيف ، وما إلى ذلك. مقارنةً بمعدل الذروة لواجهة الهواء 5G ، يمكن زيادة طلب الإرسال لشبكة الوصول اللاسلكي 6G بمائة مرة. بالنظر إلى المتطلبات الجديدة مثل تكامل الهواء والفضاء والأرض ، فمن المتوقع أن السعة الأمامية ستحتاج إلى زيادة عشرات المرات.

• الحلول التقنية للوحدات الضوئية 5G والنقاط الساخنة للتوحيد القياسي

وحدة بصرية قابلة لضبط الطول الموجي 25 جيجابت / ثانية

(1) شريط ج

تعتمد سيناريوهات التطبيق للوحدات البصرية القابلة للضبط ذات الطول الموجي C-band 25Gb / s بشكل أساسي على 5G fronthaul. تعتمد سيناريوهات التطبيق لشبكة منطقة العاصمة (MAN) بشكل أساسي معدل 10 جيجابت / ثانية ، وستتم مناقشة جدوى التطور إلى معدل 25 جيجابت / ثانية في المستقبل القريب. تحتاج الوحدة الضوئية القابلة لضبط الطول الموجي 25 جيجابت / ثانية إلى دعم وظيفة التكيف التلقائي لطول الموجة ، والتي يمكن تحقيقها من خلال آلية قناة الرسالة المحددة في ITU-T G.698.4.

هناك العديد من مخططات التنفيذ لتقنية ضبط الطول الموجي ، بما في ذلك صفيف التغذية المرتدة الموزعة (DFB) ، وانعكاس Bragg الموزع (DBR) ، والوضع الرقمي الفائق DBR (DS DBR) ، والليزر المعدل من النوع Y (فرع MG-Y) ، وصريف أخذ العينات DBR (SG DBR) ، الليزر الباعث للسطح ذو التجويف العمودي (VCSEL) ، الليزر التجويف الخارجي (ECL) ، تجويف الحلقة الدقيقة البصرية السيليكونية وتجويف اقتران على شكل V ، إلخ. تعتمد هذه المخططات بشكل أساسي التحكم في درجة الحرارة ، والتحكم الحالي ، والميكانيكي مراقبة. يتم عرض المقارنة الفنية في الجدول 3.

ليزر نوع	مخطط ضبط الطول الموجي	نوع التكامل	نطاق ضبط الطول الموجي
DFB	درجة الحرارة	تكامل متآلف	4-5nm
مجموعة DFB	درجة الحرارة والميكانيكا	تكامل متآلف أو هجين	> 30 نانومتر
متجانسة DBR	درجة الحرارة والتيار	تكامل متآلف مع هيكل بسيط	حوالي 10 نانومتر
MG-Y / SG-DBR / DS-DBR	تيار	تكامل متآلف	30nm
أطلق بيت التمويل الخليجي	درجة الحرارة والميكانيكا والميكانيكا الدقيقة وما إلى ذلك.	التكامل الهجين	> 30 نانومتر
ممس- VCSEL	الميكانيكا الدقيقة	تكامل متآلف أو هجين	> 30 نانومتر
تجويف اقتران على شكل V.	تيار	تكامل متآلف	> 30 نانومتر

الجدول 3: مقارنة بين تقنيات ضبط الطول الموجي

من حيث نطاق ضبط الطول الموجي ، يمكن تقسيمه إلى نطاق C كامل قابل للضبط ونطاق C ضيق النطاق قابل للضبط جزئيًا ؛ من حيث تنسيق التعديل ، يمكن تقسيمها إلى تقنية الطول الموجي القابل للضبط بناءً على EML و MZM. من الملائم لـ EA تحقيق تكامل أحادي مع شريحة الليزر ، ويمكن لـ MZM تحقيق نسبة انقراض أعلى ويمكن التحكم فيها بمرونة.

من حيث نظام الاستلام ، يمكن تقسيمه إلى تلقي PIN واستلام APD ؛ في جانب أنواع واجهة الوحدات الضوئية ، يمكن تقسيمها إلى ألياف أحادية الاتجاه ثنائية الاتجاه وألياف ثنائية الاتجاه ثنائية الاتجاه ، باستخدام DWDM MUX / DEMUX مختلف.

فيما يتعلق بالتوحيد القياسي ، فإن معايير الصناعة للوحدات البصرية 25 جيجابت / ثانية DWDM والمتطلبات الفنية لنظام N × 25 جيجابت / ثانية DWDM قيد الموافقة بالفعل وسيتم إصدارها قريبًا. تخضع سلسلة المعايير ITU-T G.698.x الدولية للمراجعة. في الوقت الحالي ، تجري مناقشة المعلمات الرئيسية مثل حركة الطيف والتموجات ، ومن المتوقع أن تكتمل المراجعة القياسية في عام 2022.

فيما يتعلق بنشر التطبيقات ، يمكن للعديد من الشركات المصنعة مثل Nokia و Ericsson و Samsung و HW و ZTE و II-VI و FiberMall تقديم عينات من وحدات بصرية قابلة للضبط بطول الموجة C-band بسعة 25 جيجابت / ثانية. ال 25Gb / ثانية يتم حاليًا تجريب DWDM لمسافات طويلة لمصنعي المعدات هؤلاء الذين تم جمعهم واختبارهم في المختبرات على الشبكة الحالية.

(2) يا الفرقة

تُستخدم الوحدة الضوئية ذات الطول الموجي القابل للضبط ذات النطاق 25 جيجابت / ثانية بشكل أساسي في 5G fronthaul حقل. يظهر تخطيط الطول الموجي المكون من 12 قناة في الشكل 2. الأطوال الموجية الفاصلة محجوزة بين القنوات 1 ~ 6 والقنوات 7 ~ 12 ، مما يؤدي إلى عزل قنوات الوصلة الصاعدة والهابطة. يمكن أن يؤدي التباعد 400 جيجاهرتز إلى تقليل صعوبة التصنيع بشكل كبير مقارنة بالتباعد 100/50 جيجاهرتز المستخدم بواسطة DWDM.

الشكل 2: تخطيط الطول الموجي للنطاق O ذو 12 قناة

يظهر الرسم التخطيطي للكتلة الوظيفية للوحدة الضوئية ذات الطول الموجي القابل للضبط بطول 25 جيجابت / ثانية في الشكل 3. يحتاج المكون البصري القابل للضبط في TOSA إلى استخدام TEC لتثبيت درجة الحرارة ، وضبط خرج الطول الموجي عن طريق تغيير حجم التيار المصدر المطبق على IP و IF. يتم استخدام PD1 و PD2 لاكتشاف التيار الضوئي ذي الصلة ، ويتم قفل الطول الموجي للضوء الناتج عن طريق تثبيت نسبة PD1 و PD2. يمكن تعبئة الوحدة الضوئية في SFP28 ، ويمكن لنوع الواجهة الضوئية أن يحقق الألياف أحادية الاتجاه ثنائية الاتجاه أو ثنائية الألياف ثنائية الاتجاه وفقًا للاحتياجات.

الشكل 3: الرسم التخطيطي الوظيفي للوحدة البصرية

تنعكس تكلفة الوحدة الضوئية القابلة للضبط بشكل أساسي في المكون البصري DBR القابل للضبط ، والذي يمثل أكثر من 80 ٪ من التكلفة الإجمالية. يمكن تقسيمها إلى عامل الشكل BOX وعامل الشكل المحوري TO. الأول لديه أداء أفضل للترددات العالية وحجم أصغر ، ولكن تكلفة أعلى. تشتمل المُعدِّلات الضوئية بشكل أساسي على التعديل المباشر لـ EAM و MZM و DML. من بينها ، MZM لديها أعلى تكلفة ، و EAM لديها تكلفة متوسطة. يعد التعديل المباشر لـ DML أقل تكلفة ، لكن أداء التردد العالي ضعيف نسبيًا ، كما أن جودة مخطط العين ومسافة الإرسال محدودة.

التكلفة هي موضوع أكثر حساسية في مجال المواجهة 5G. في ظل فرضية تلبية شروط التطبيق ، من المهم للغاية تحسين اختيار الحلول التقنية للوحدة. على سبيل المثال ، من حيث تخطيط الطول الموجي ، مع الأخذ في الاعتبار أن نطاق ضبط الطول الموجي للرقاقة الضوئية DBR القابلة للضبط على النطاق O يبلغ حوالي عشرة نانومتر ، يمكن استخدام 12 قناة طول موجي مع تباعد قناة 400 جيجا هرتز لمراعاة سيناريوهات التطبيق وتكاليف التصنيع. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام عبوة TO المحورية للتعاون مع تعديل DML المباشر لتقليل التكاليف.

تتضمن الوحدة الضوئية ذات الطول الموجي القابل لضبط الطول الموجي بسرعة 25 جيجابت / ثانية العديد من الصعوبات التقنية ، مثل التطوير والإنتاج الضخم لرقائق الليزر القابلة لضبط الطول الموجي ؛ عبوات صغيرة الحجم DBR مع التبريد وتصميم المكونات البصرية ؛ قفل الطول الموجي DBR منخفض التكلفة ومراقبة الطاقة الضوئية ، والتثبيت ، وآلية الضبط ؛ أداء وموثوقية آلية النغمة التجريبية ؛ تطوير وموثوقية بروتوكول الاتصال بين الوحدات البصرية من طرف إلى طرف ؛ تحقيق انخفاض استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة للوحدة الضوئية القابلة لضبط الطول الموجي مع درجة الحرارة الصناعية ؛ طرق المعايرة والاختبار والإنتاج لطول الموجة الدفعية منخفضة التكلفة للوحدات البصرية القابلة للضبط الطول الموجي.

فيما يتعلق باستكشاف التطبيق ، فإن الوحدة البصرية 25Gb / s O-band ذات الطول الموجي القابل للضبط في الوقت الحالي في مرحلة التصميم والتطوير. ومن المتوقع أن تنتج نماذج أولية وعينات α في عام 2022. وستنتج عينات β وتحقق إنتاجها على نطاق صغير في عام 2023. وسيعتمد التطبيق المحدد في المستقبل على التقييم الشامل للصناعة لبرنامج Fronthaul.

• نبذة عامة

مع التقدم المستمر لبناء 5G على مراحل والتطور النشط لمراكز البيانات وشبكات الوصول البصرية بالكامل ، تستمر متطلبات التطبيق الجديدة للوحدات الضوئية في الظهور ، وأصبحت تكنولوجيا الوحدة الضوئية لشبكة 5G الحاملة بشكل متزايد محور الصناعة. ستستمر مجموعة العمل لحامل 5G في تعزيز التعاون مع الصناعة ، والتركيز على الإجماع ، والترويج المشترك للبحث والاختبار والتقييم للتقنيات الرئيسية للوحدات الضوئية لحامل 5G ، وصياغة المعايير والمواصفات ، وذلك لتسهيل التطوير الصحي والمنظم لصناعة تكنولوجيا الوحدات الضوئية لحامل 5G ودعم قوي لبناء 5G.