تم إطلاق 5G في عام 2019 وشهدت نموًا سريعًا في آسيا وأمريكا الشمالية وأوروبا. تتوقع GSMA أن اتصالات 5G ستستمر في النمو على مدى السنوات الخمس المقبلة وستصل الاتصالات إلى 500 مليون بحلول عام 2025.
سيستثمر المشغلون العالميون حوالي 1.1 تريليون دولار في الاتصالات المتنقلة بين عامي 2020 و 2025 ، سيتم إنفاق حوالي 80٪ منها على النفقات الرأسمالية لشبكات الجيل الخامس.
الشكل 1-2 النفقات الرأسمالية في الاتصالات المتنقلة
2. تتطلب واجهة المسافات الأمامية اللاسلكية 5G معدل لا يقل عن 25 جيجابت / ثانية
تتطلب الاتصالات اللاسلكية 5G المزيد من موارد الطيف مقارنة بتقنية 4G للنطاق العريض المتنقل المحسن (eMBB) ، والاتصالات فائقة الموثوقية وذات زمن الوصول المنخفض (URLLC) ، والإنترنت الهائل للأشياء (mIoT).
يستخدم 5G طيفًا أقل من 6 جيجاهرتز FR1 حاليًا ، والذي يدعم عرض نطاق ترددي أقصى يبلغ 100 ميجابت / ثانية ، أي خمسة أضعاف نطاق 4G LTE. يتطلب بروتوكول واجهة الراديو العامة المشتركة (CPRI) ما لا يقل عن 100 جيجابت / ثانية من القنوات الأمامية عندما تكون هناك 64 قناة وعرض نطاق 100 ميجاهرتز. ومع ذلك ، في عام 2017 ، الصناعة ليست جاهزة للوحدات البصرية 100 جيجابت / ثانية. لذلك ، تم تطوير بروتوكول CPRI المحسن (eCPRI).
الشكل 2-1 أوضاع تقسيم مختلفة لـ eCPRI
يحدد بروتوكول eCPRI أوضاع تقسيم متعددة. تتطلب الواجهات في طبقات البروتوكول الأعلى عرض نطاق نقل أقل. في مخطط الانقسام السائد ، تُرسل بعض وظائف معالجة إشارة الطبقة المادية من النطاق الأساسي إلى جانب الهوائي ، ولا يلزم الحصول إلا على معدل 25 جيجابت / ثانية من السطح البيني الأمامي. في السنوات الأخيرة ، تطور الطلب على الوحدات البصرية السائدة للمسافات الأمامية من 10 جيجابت / ثانية في عصر 4G إلى 25 جيجابت / ثانية في عصر 5G.
بالنظر إلى أن النطاقات المنخفضة والمتوسطة المدى في الطيف اللاسلكي مزدحمة بالفعل ، خصصت 3GPP نطاقات تردد أعلى لشبكة 5G. ومع ذلك ، فإن هذا يؤدي إلى فقدان إشارة أعلى. لذلك ، فإن كثافة محطات 5G الأساسية أعلى من كثافة 4G ، ومتطلبات الوحدات الضوئية أعلى لضمان جودة اتصال جيدة. تتنبأ LightCounting بأن الوحدات الضوئية 25 جيجا للجيل الأمامي 5G ستتجاوز 50٪ من جميع الوحدات الضوئية المباعة في السنوات الخمس المقبلة.
الشكل 2-2 مبيعات الوحدات البصرية اللاسلكية لمسافات طويلة
تُستخدم الوحدات البصرية 25G بشكل أساسي في النقل الأمامي اللاسلكي. لذلك ، يمكن أن تساعد إعادة استخدام الموارد الحالية في صناعة 25GE Ethernet مشغلي الاتصالات على تقليل التكاليف بشكل كبير وزيادة كفاءة الحلول البصرية.
3. سيناريو المواجهة اللاسلكية 5G النموذجي
البنى النموذجية للواجهة اللاسلكية هي الموزعة RAN (DRAN) أو المركزية RAN (CRAN). في وضع CRAN ، يقع BBU في الوسط offجليد. هذا يقلل بشكل كبير من المساحة واستهلاك الطاقة للمعدات الإضافية (خاصة مكيفات الهواء) ، مما يؤدي إلى انخفاض النفقات الرأسمالية والنفقات التشغيلية. بالإضافة إلى ذلك ، يشكل CBBU تجمع النطاق الأساسي BBU ، والذي يمكن إدارته مركزيًا وجدولته لاحتياجات الشبكة المختلفة.
الشكل 3-1 أنظمة النقل الأمامي DRAN و CRAN
نظرًا لإضافة المحطات الأساسية ، يعد إنشاء شبكة 5G أغلى بكثير من 4G ، كما أن الحصول على مواقع يمثل تحديًا. لذلك ، فإن CRAN هو الخيار الأول للنشر على نطاق واسع.
الشكل 3-2 سيناريو نشر الجيل الخامس
3.2 در
هذا سيناريو بسيط حيث يتم نشر AAU و DU على مسافة 300 كم أو أقل فوق وتحت البرج ، على التوالي. في مخطط CRAN ، تبلغ أقصى مسافة بين الوحدتين 10 كيلومترات. يستخدم كل من DRAN و CRAN اتصالات الألياف المباشرة لأسباب تتعلق بالصيانة والفعالية من حيث التكلفة. في هذه الحالة ، يلزم وجود وحدة 25G ذات الضوء الرمادي.
الشكل 3-3 أربع طرق مختلفة للمسافات الأمامية
3.3 درجة
في سيناريو CRAN ، يتطلب الاتصال المباشر بالألياف العديد من الألياف والكابلات. في حالة عدم كفاية موارد الألياف ، يمكن أن يؤدي استخدام وحدات الضوء الرمادي BiDi بطول 10 كيلومترات إلى تقليل التكاليف لأنها تتطلب نصف عدد الألياف. إذا لزم الأمر ، يمكن تقليل موارد الألياف المطلوبة بشكل أكبر باستخدام أجهزة إدارة الطلب على المياه السلبية وأجهزة إدارة الطلب على المياه شبه النشطة. في هذه الحالة ، يلزم وجود وحدة ذات ضوء ملون 25G.
بالنسبة لمحطة أساسية ماكرو 5G واحدة ، يتطلب طيف واحد 100 ميجاهرتز ثلاث وحدات eCPRI بسرعة 25 جيجابت / ثانية. في آسيا ، تمتلك شركة China Mobile 160 ميجاهرتز من طيف 5G ، بينما تشترك China Telecom و China Unicom في 200 ميجاهرتز من طيف 5G. إذا ظل معدل الواجهة عند 25 جيجابت / ثانية ، سيزداد عدد الواجهات من 3 إلى 6.
تحتاج كل محطة قاعدية ماكرو إلى ستة أزواج من الوحدات الضوئية 25 جيجا لتلبية متطلبات نقل الواجهة. في هذه الحالة ، يمكنك استخدام مجموعة من الوحدات الملونة ذات الطول الموجي 12 (ألياف لكل موقع) أو مجموعتين من الوحدات الملونة ذات 6 أطوال موجية (أليافان لكل موقع).
الشكل 3-4 طريقتان مختلفتان لـ 5G Fronthaul السلبي WDM
باختصار ، ستشهد كل من حلول DRAN و CRAN زيادة في الطلب على الوحدات البصرية 5G Fronthaul.
4. حلول مختلفة لمسافات 25G الأمامية
خلفية شنومك
تم إصدار 5G في النصف الثاني من عام 2019 وسرعان ما أصبح متاحًا تجاريًا في الصين. بحلول نهاية فبراير 2020 ، تم نشر 164,000 محطة قاعدية للجيل الخامس. للتعامل مع بناء المحطة الأساسية السريع والواسع ، اختار المشغلون وحدات ملونة لتوفير التكاليف وتحقيق التسويق التجاري السريع.
بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لمعايير WDM الحالية ، اقترحت منظمات مختلفة معايير CWDM و MWDM و LWDM و DWDM. يهيمن مشغلو تشاينا موبايل أيضًا على الشراء المباشر للوحدات البصرية CWDM.
4.2 اتجاهات التكنولوجيا
4.2.1 إعادة استخدام موارد صناعة 10G / 25G الحالية
تستخدم وحدة الضوء الرمادي 25 جيجا الموارد الموجودة في تقنية 10 جيجابت / ثانية الأصلية:
تستخدم الوحدة النمطية 300 متر SR الليزر الباعث للسطح ذو التجويف العمودي 850 نانومتر (VCSEL) ؛
- -10 كيلومترات وحدة LR تستخدم ليزر ردود الفعل الموزعة (DFB) 1310 نانومتر ؛
- - تستخدم الوحدة النمطية ثنائية الاتجاه بطول 10 كم ليزر DFB (1330 نانومتر في المنبع ، 1270 نانومتر في اتجاه التيار).
- الرقائق التجارية بهذه الأطوال الموجية متاحة بسهولة. يمكن لبعض موردي الرقائق أيضًا offأي رقائق صناعية مناسبة للتطبيقات اللاسلكية الأمامية.
استنادًا إلى مبدأ إعادة استخدام معيار WDM ، تناقش الصناعة حلولًا مختلفة لوحدات الإضاءة الملونة 25G. تم تعريف معيار CWDM في ITU-T G.694.2. هناك 18 وحدة CWDM مع تباعد أطوال موجية 20 نانومتر مثبتة مباشرة على DU و AAU وباستخدام معدد إرسال / مزيل تعدد إرسال خارجي CWDM. في سيناريو المواجهة اللاسلكية بثلاث قنوات ، يلزم ستة أطوال موجية ، ويفضل CWDM 6 موجات (1271 ، 1291 ، 1311 ، 1331 ، 1351 ، و 1371 نانومتر).
نظرًا لأن الأطوال الموجية الأربعة الأولى هي نفس تلك الخاصة بـ CWDM 4-wave DML في مركز البيانات ، فإن بائعي الرقائق يحتاجون فقط إلى تطوير درجات الحرارة الصناعية وآخر طولين موجيين. لست قنوات ، مطلوب 12 طول موجي. يمكن اختيار موجتين CWDM 6 وأليافين للإرسال ، أو CWDM 12 موجات ويمكن اختيار ليف واحد بإضافة آخر ستة أطوال موجية 1471/1491/1511/1531/1551/1571.
الشكل 4-1 الطول الموجي ل CWDM
MWDM هو معيار CCSA تم اقتراحه في نهاية عام 2019. في MWDM ، يتم تمديد كل طول موجي قياسي لموجات CWDM 6 بواسطة مبرد كهربائي حراري (TEC) للحصول على 12 طول موجي غير متباعدة بشكل متساوٍ.
الشكل 4-2 الأطوال الموجية من مودم
مقارنةً بموجة CWDM 6 ، يتطلب حل MWDM 12 موجة إضافة TEC إلى التجميع البصري وإضافة محركات TEC إلى دائرة الوحدة.
يبلغ تباعد القنوات في تقنية LAN-WDM 800 جيجا هرتز (حوالي 4.4 نانومتر). يمكن الحصول على المزيد من الأطوال الموجية في النطاق O مع فقدان القليل من التشتت. يحدد IEEE 802.3 واجهة 400GE LR8 بناءً على LAN-WDM. الأطوال الموجية الأربعة الأخيرة هي 100G LR4 ، وبالتالي ، يمكن للصناعة بسهولة دعم الأطوال الموجية الأربعة الأخيرة. إذا تم تمديدها إلى 12 طولًا موجيًا ، فستضيف CCSA أربعة أطوال موجية إلى 8 أطوال موجية LAN-WDM لتشكيل موجات LWDM 12. الفرق الوحيد بين موجات LWDM12 و MWDM هو الشريحة الضوئية.
الرقم 4-3 أطوال موجات LWDM
تُستخدم تقنية DWDM المستندة إلى ITU-T G.698.4 على نطاق واسع في شبكات العمود الفقري وشبكات المناطق الحضرية. يتراوح مدى الطول الموجي من 1529 نانومتر إلى 1567 نانومتر مع تباعد حوالي 0.78 نانومتر. يمكن أن يكون عدد الأطوال الموجية 6 أو 12 أو 20 أو 40 أو 48 أو 96. ومع ذلك ، فإن وحدات DWDM باهظة الثمن وعادة ما يتم نشرها في مناطق ذات موارد ألياف غير كافية.
بسبب تباعد الطول الموجي الضيق ، تتطلب MWDM وحدات تحكم TEC ورقائق الطول الموجي المخصصة. سلسلة الصناعة للرقائق الضوئية الليزرية المعدلة مباشرة (DML) الكامنة وراء LWDM لم تنضج بعد ، وتكلفة الليزر المعدل بالامتصاص الكهربائي (EML) مرتفعة ، ويتطلب LWDM وحدة تحكم TEC. يتطلب DWDM وحدة تحكم TEC ، والرقاقة غالية الثمن. فقط موجات CWDM 6 لا تتطلب وحدات تحكم TEC ولديها موارد DML وفيرة ، لذلك يتم التعرف على CWDM 6 باعتباره الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة للمشغلين.
4.2.2 مسافة نقل أطول
مسافة نقل الوحدات الضوئية للواجهة اللاسلكية القياسية محدودة بـ 10 كيلومترات. مع التبني الواسع لعمليات نشر CRAN ، قد تكون هناك حاجة إلى مسافات إرسال أطول على الشبكات الأمامية المتقاربة. وفقًا لـ LightCounting ، في السنوات الخمس المقبلة ، ستتطلب 5٪ من جميع وحدات الضوء الرمادي مسافات إرسال أطول من 3 كيلومترات. ومع ذلك ، لا يزال موردو الصناعة يركزون على وحدات بصرية بطول 10 كيلومترات.
نسبة الأنواع المختلفة من وحدات الضوء الرمادي
4.2.3 أشكال الوحدات البصرية عالية الكثافة
سوف تحتاج قدرة الاتصال الأمامية إلى زيادة تدريجية مع تطور 5G. ومع ذلك ، بالنسبة للمحطات الأساسية اللاسلكية ، يكون منفذ اللوحة الخاص بلوحة النطاق الأساسي ثابتًا. يحتاج بائعو المعدات اللاسلكية إلى إيجاد طرق لتحسين إمكانات الاستقبال والإرسال في المنفذ.
تعد الوحدات البصرية المزدوجة صغيرة الحجم والقابلة للتوصيل (DSFP) حلاً جيدًا. يدعم معيار DSFP الذي تم إصداره في 2018 معدلًا أقصى يبلغ 100 جيجابت / ثانية ويستخدم بشكل أساسي لبروتوكولات Ethernet. كما أنها مناسبة لسيناريوهات eCPRI اللاسلكية الأمامية. وحدات DSFP متوافقة هيكليًا مع وحدات SFP. من خلال الحزمة المدمجة داخل وحدة DSFP ، يمكن إرسال قناتين للإشارة ، وبالتالي مضاعفة سعة الإرسال والاستقبال. حاليًا ، تعتبر وحدات 25G SFP قياسية. ومع ذلك ، مع الطلب المتزايد على النطاق الترددي الأمامي وتطوير شرائح النطاق الأساسي على جانب BBU ، قد تكون هناك حاجة إلى المزيد من وحدات DSFP.
4.2.4 تقنية إضاءة الألوان القابلة للتعديل
تلعب CRAN دورًا أكبر في نشر البنية التحتية 5G. بحلول عام 2020 ، يتوقع المشغلون الثلاثة الرئيسيون في الصين أن تمثل CRAN 80٪ من البنية التحتية لشبكة الجيل الخامس 5G ، وبالتالي سيزداد الطلب على وحدات الإضاءة الملونة. تم نشر وحدات CWDM ذات 6 موجات على نطاق واسع لأنها غير مكلفة وسهلة الاستخدام. ومع ذلك ، يتطلب تكوين الطول الموجي الكثير من الوقت والجهد أثناء إنشاء وصيانة المحطات القاعدية. لذلك ، تم اقتراح تقنية إضاءة ملونة DWDM قابلة للضبط.
تتمتع أنظمة DWDM القابلة للضبط بنفس نطاق الطول الموجي والتباعد مثل أنظمة DWDM الثابتة. الاختلاف الوحيد هو أن وحدة DWDM القابلة للضبط بطول الموجة تدعم التكوين التلقائي لـ 12 أو 48 طول موجي. حاليًا ، تم إطلاق معيار DWDM القابل للضبط في CCSA والمعيار ITU-T G.698.x قيد المراجعة. من قبل ، تم تطبيق تقنية DWDM الانضباطية على شبكات النقل ، لكنها أغلى بكثير من موجة CWDM6. لذلك ، تعمل الصناعة جاهدة لتقليل تكلفة هذا الحل.
5. حلول بصرية لاسلكية Fronthaul 25G
يمكن تقسيم وحدات الإضاءة الملونة 25G إلى 25G CWDM 6-wave ووحدات 25G DWDM قابلة للتعديل. يمكن للعملاء الاختيار من بين خيارات مختلفة حسب احتياجاتهم وميزانيتهم. تغطي المجموعة الكاملة للوحدات الضوئية Fronthaul 25G العديد من سيناريوهات تطبيقات DRAN و CRAN.
5.1 أنواع مختلفة من الوحدات البصرية 25G Gray-light و CWDM 6-wave
هناك عدة أنواع من الوحدات البصرية 25G Gray-light و CWDM 6-wave:
-25G 300m: واجهة ثنائية الاتجاه ثنائية الألياف
-25G 10 كم: واجهة ثنائية الاتجاه ثنائية الألياف
-25G 10km ثنائية الاتجاه: واجهة أحادية الاتجاه ثنائية الاتجاه
-موجة 25G 10km CWDM6: واجهة ثنائية الاتجاه ثنائية الألياف ؛ ست وحدات لكل مجموعة
جميع الوحدات البصرية ذات الأطوال الموجية المركزية 1271/1291/1311/1331/1351 / 1371nm تتوافق مع بروتوكولات SFP28 الخاصة بـ SFF-8419 و SFF8472.
تتوافق المنافذ الكهربائية مع CEI-28G-VSR. تتوافق منافذ الألياف الضوئية ثنائية الاتجاه بسعة 25 جيجا و 10 كيلومترات و 25 جيجا بايت ثنائية الاتجاه بطول 10 كيلومترات مع معيار IEEE 802.3CC 25GBase-LR.
فيما يلي مخطط الكتلة الوظيفية أدناه ، بما في ذلك DML TOSA و PIN ROSA ونقل CDR وبرنامج تشغيل الليزر واستقبال LA واستلام CDR ووحدة التحكم.
الشكل 5-1 وحدات بصرية 25G 300m و 10km و CWDM 6 موجات
وحدة بصرية BiDi الشكل 5-2 25G 10 كم
في اتجاه الإرسال ، يقوم CDR بإجراء استعادة على مدار الساعة على الإشارة الكهربائية المستلمة عند موصل الحافة ، ويقوم DRV بتضخيم الإشارة. بعد ذلك ، يقوم DRV بتشغيل DML TOSA لتحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية للإخراج.
في اتجاه الاستقبال ، يتم تحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية بواسطة PIN PD ، وتضخيمها بواسطة TIA ، ثم إرسالها إلى LA. بعد أن يقوم CDR بإجراء استعادة على مدار الساعة ، يقوم موصل الحافة بتنفيذ إخراج الإشارة. يستخدم CWDM 6-wave ليزر DFB غير مبرد. بالمقارنة مع حلول WDM الأخرى ، فهي أكثر فعالية من حيث التكلفة مع استهلاك أقل للطاقة. هذا هو الحل المثالي عندما لا تكون هناك حاجة لعدد كبير من الأطوال الموجية.
5.2 وحدة بصرية 25 موجة قابلة للضبط 12G DWDM و DWDM
هناك نوعان من الوحدات البصرية 25G DWDM:
- 48 أطوال موجية في النطاق C قابلة للضبط وتدعم الإرسال لمسافة 10 كم
-الطول الموجي C-band 12 ذو التكلفة الفعالة قابل للضبط ويدعم نقل 10 كم. كلاهما يتوافق مع بروتوكولات SFF-8419 و SFF-8472. تتوافق المنافذ الكهربائية مع CEI-28G-VSR.
يوجد أدناه مخطط الكتلة الوظيفية بما في ذلك T-TOSA و PIN ROSA ونقل CDR وبرنامج تشغيل الليزر واستقبال LA واستلام CDR ووحدة التحكم.
الشكل 5-3 وحدة بصرية 25G DWDM
في اتجاه الإرسال ، يقوم CDR بإجراء استعادة على مدار الساعة على الإشارة الكهربائية المستلمة عند موصل الحافة ، ويقوم DRV بتضخيم الإشارة. بعد ذلك ، يقوم DRV بتشغيل TTOSA لتحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية للإخراج.
في اتجاه الاستقبال ، يتم تحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية بواسطة PIN PD ، وتضخيمها بواسطة TIA ، ثم إرسالها إلى LA. بعد أن يقوم CDR بإجراء استرداد على مدار الساعة ، يقوم موصل الحافة بتنفيذ إخراج الإشارة.
وفي الختام
يشرح معيار eCPRI على واجهة 5G fronthaul. تتوافق الواجهة الأمامية 25G مع بروتوكول Ethernet وتوفر طرق تشغيل وصيانة ثرية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة استخدام الموارد الحالية للوحدات البصرية 25G Ethernet. أصبحت واجهة Fronthaul 25G معيارًا صناعيًا. مع زيادة النفقات الرأسمالية لبناء محطة قاعدة 5G ، يبحث المشغلون عن وحدات بصرية 25G Fronthaul أكثر فعالية من حيث التكلفة. وفي الوقت نفسه ، تدفع موارد الألياف الضوئية المحدودة الطلب على وحدات الإضاءة الملونة. بعد عقود من الاستثمار والابتكار في مجال الإلكترونيات الضوئية ، أطلق فايبر مول حلاً كاملاً للوحدات البصرية التقليدية 25 جيجا ووحدات WDM لبناء تنويع الاتصالات اللاسلكية 5G.
