5G-Trägernetz: seine optischen Modultechnologietrends

Im Jahr 2019 wurde die Mobilfunktechnologie der fünften Generation (5G) eingeführt offoffiziell für die kommerzielle Nutzung eingeführt. Im Jahr 2020 wurden 5G-Netze und Rechenzentren als zentrale Inhalte beim Bau neuer Infrastrukturen identifiziert. Im Jahr 2021 hat der Bau von 5G-Netzen und optischen Gigabit-Netzen weltweit zugenommen, um die Anwendungsszenarien zu erweitern. 5G, Rechenzentren, rein optische Zugangsnetze und andere verwandte Technologien und Branchen entwickeln sich rasant. Optische Module sind die Grundbausteine ​​von 5G-Trägernetzen, der Verbindung von Rechenzentren und rein optischen Zugangsnetzen, deren Hauptfunktion darin besteht, die bidirektionale Umwandlung zwischen Licht und Elektrizität zu realisieren. In den letzten Jahren sind mit der allmählichen Steigerung der Geschwindigkeit die Kosten für optische Module in der Systemausrüstung weiter gestiegen. Optische Transceiver sind in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Schlüsselelement für hohe Bandbreite, große Abdeckung, niedrige Kosten und geringen Energieverbrauch geworden.

• Anforderungen des 5G-Trägernetzwerks für optische Module 

Das optische Front-Haul-Modul ist ein wichtiger Teil des physischen Trägers der CPRI-Verbindung, die die Basisbandeinheit (BBU) und die Remote Radio Unit (RRU)/aktive Antenneneinheit (AAU) verbindet. Von 1.25 Gbit/s in der 2G-Ära über 2.5 Gbit/s in der 3G-Ära und dann auf 6/10 Gbit/s in der 4G-Ära hat sich die Rate der optischen Trägermodule weiter weiterentwickelt, und die Übertragungsentfernungen umfassen hauptsächlich 300 m, 1.4 km und 10 km. Mit Beginn der 5G-Ära wurde die Anzahl der AAU-Antennen um das Achtfache von 8T/8R auf 8T/64R erhöht und die Bandbreite der Luftschnittstelle von 64 MHz auf 20 MHz erhöht. Wenn das CPRI-Segmentierungsschema beibehalten wird, erhöht sich der Bandbreitenbedarf um das 100-fache von 40 Gbit/s auf 10 Gbit/s.

Um den Bandbreitendruck zu verringern, übernimmt die Branche die eCPRI-Segmentierungslösung und stellt einen Teil der BBU auf der AAU bereit, wodurch der Bandbreitenbedarf zwischen der BBU und der AAU reduziert wird. Am Beispiel der 100-MHz-Luftschnittstellenbandbreite und 64T/64R ist der Bandbreitenbedarf für eine 5G-Fronthaul-Einzelschnittstelle auf 25 Gbit/s gesunken, was durch Multiplexing der ausgereiften Ethernet-Industriekette effektiv unterstützt werden kann.

In der frühen Phase der 5G-Bereitstellung werden die Betreiber die BBU zentralisieren, um den Ressourcenbedarf der Geräteräume zu reduzieren und so eine schnelle und skalierbare Bereitstellung zu erreichen. Das CRAN-Szenario (Centralized Radio Access Network) verbraucht jedoch einen Großteil der Backbone-Glasfaser. Die Industrie schlägt dementsprechend 6-Wellenlängen-CWDM, 12-Wellenlängen-LWDM/MWDM, 48-Wellenlängen-DWDM und andere WDM-Lösungen auf Basis von 25 Gbit/s vor, um Glasfaserressourcen zu konvergieren und zu sparen.

Mit der Entwicklung von 5G werden sich die nachfolgenden Versionen (Rel 17/Rel 18) auf Sub-10-GHz-, Millimeterwellenlängen- und andere Frequenzbänder konzentrieren. Wenn die Anzahl der Antennen und die Bandbreite der Luftschnittstelle weiter erhöht werden, sind optische Module mit 50 Gbit/s und höheren Raten erforderlich, um den Bedarf an Front-Haul-Bandbreite zu deckens.

Abbildung 1: Entwicklung der Anforderungen an 5G-Fronthaul-Träger

Derzeit erforscht die Branche aktiv die Fronthaul-, Hochgeschwindigkeits- und kostengünstigen optischen Modullösungen der nächsten Generation, die die Temperaturanforderungen von Fronthaul-Industriestandards erfüllen und eine langfristige Zuverlässigkeit über mehr als zehn Jahre garantieren können. Die möglichen Anforderungen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Potenzielle Nachfrage nach neuem 5G-Fronthaul optische Module

Die 5G-Midhaul- und Backhaul-Zugriffsschichten werden normalerweise von einer Ringtopologie dominiert, und die typischen Bandbreitenanforderungen des Distributed Radio Access Network (DRAN) sind: 10/25/50 Gbit/s; Die typischen Bandbreitenanforderungen von CRAN liegen bei 50/100 Gbit/s. Mit zunehmender Reife von 400Gb / s Technische Lösungen für optische 30/40-km-Module und die Entwicklung optischer 800-Gbit/s-Module: Die nächste Stufe der optischen 5G-Midhaul- und Backhaul-Module wird mit einer größeren Auswahl an neuen Lösungen konfrontiert sein.

Tisch 2: Potenzielle Nachfrage nach neuem 5G Mittel-schleppen und Backhaul optische Module

Längerfristig kann die 6G-Fronthaul-Kapazität durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der 6G-Technologieforschung und Anwendungserforschung erheblich verbessert werden. 6G wird weiter in Cloud Computing, Big Data und künstliche Intelligenz integriert, und es wird eine enorme Verbesserung in der Dimension und Breite drahtloser Verbindungen geben, die Videoübertragung mit extrem hoher Bandbreite und industrielles IoT mit extrem geringer Latenz unterstützen können ( Internet der Dinge), die Verbindung von Luft, Weltraum und Boden sowie weitere Anwendungsszenarien.

Die Systemleistung muss eine Spitzenrate von 1 Tbit/s und eine Benutzererfahrungsrate von 1 Gbit/s, eine extrem niedrige Latenz von 0.1 ms und Hochgeschwindigkeitskommunikation, eine extrem hohe Spektrumsnutzung usw. unterstützen. Im Vergleich zur Spitzenrate der 5G-Luftschnittstelle beträgt die Der Übertragungsbedarf des drahtlosen 6G-Zugangsnetzes könnte um das Hundertfache steigen. Angesichts neuer Anforderungen wie der Integration von Luft, Raum und Boden wird erwartet, dass die Fronthaul-Kapazität um das Dutzendfache erhöht werden muss.

• Technische Lösungen für optische 5G-Module und Standardisierungs-Hotspots

25 Gbit/s wellenlängenabstimmbares optisches Modul

(1) C-Band

Die Anwendungsszenarien von wellenlängenabstimmbaren optischen Modulen im C-Band mit 25 Gbit/s basieren hauptsächlich auf 5G-Fronthaul. Die Anwendungsszenarien des Metropolitan Area Network (MAN) gehen hauptsächlich von einer 10-Gbit/s-Rate aus, und die Machbarkeit einer Weiterentwicklung zu einer 25-Gbit/s-Rate wird in naher Zukunft diskutiert. Das wellenlängenabstimmbare optische Modul mit 25 Gbit/s muss die automatische Wellenlängenanpassungsfunktion unterstützen, die über den in ITU-T G.698.4 spezifizierten Nachrichtenkanalmechanismus realisiert werden kann.

Es gibt viele Implementierungsschemata für wellenlängenabstimmbare Technologie, einschließlich Distributed Feedback (DFB) Array, Distributed Bragg Reflection (DBR), Digital Supermode DBR (DS DBR), Y-Typ-Laser mit moduliertem Gitter (MG-Y-Zweig) und Sampling Grating DBR (SG DBR), oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), Laser mit externem Resonator (ECL), optischer Silizium-Mikroringhohlraum und V-förmiger Kopplungshohlraum usw. Diese Schemata übernehmen hauptsächlich Temperaturregelung, Stromregelung und Mechanik Kontrolle. Der technische Vergleich ist in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3: Vergleich der Wellenlängen-Tuning-Techniken

In Bezug auf den Wellenlängenabstimmbereich kann er in vollständig abstimmbares C-Band und teilweise abstimmbares Schmalband-C-Band unterteilt werden. Hinsichtlich des Modulationsformats kann es in abstimmbare Wellenlängentechnologie basierend auf EML und MZM unterteilt werden. Für EA ist es praktisch, eine monolithische Integration mit dem Laserchip zu erreichen, und MZM kann ein höheres Extinktionsverhältnis erreichen und flexibel gesteuert werden.

Das Empfangsschema kann in PIN-Empfang und APD-Empfang unterteilt werden. Im Hinblick auf die Schnittstellentypen optischer Module können diese in bidirektionale Einzelfaser- und bidirektionale Doppelfaser-Schnittstellen unter Verwendung unterschiedlicher DWDM-MUX/DEMUX unterteilt werden.

Im Hinblick auf die Standardisierung befinden sich die Industriestandards für optische 25-Gbit/s-DWDM-Module und die technischen Anforderungen für Nx25-Gbit/s-DWDM-Systeme bereits im Genehmigungsprozess und werden in Kürze veröffentlicht. Die internationale Normenreihe ITU-T G.698.x wird überarbeitet. Derzeit werden die wichtigsten Parameter wie Spektrumauslenkung und Welligkeit diskutiert, und die Standardrevision wird voraussichtlich im Jahr 2022 abgeschlossen sein.

In Bezug auf die Anwendungsbereitstellung können viele Hersteller wie Nokia, Ericsson, Samsung, HW, ZTE, II-VI und FiberMall Muster von wellenlängenabstimmbaren optischen Modulen im C-Band mit 25 Gb/s bereitstellen. Der 25Gb / s Das in den Laboren gesammelte und getestete Fronthaul-DWDM dieser Gerätehersteller wird derzeit im bestehenden Netzwerk getestet.

(2) O-Band

Das wellenlängenabstimmbare optische O-Band-Modul mit 25 Gbit/s wird hauptsächlich in der verwendet 5G-Fronthaul Feld. Die 12-Kanal-Wellenlängenplanung ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Intervallwellenlängen sind zwischen den Kanälen 1 bis 6 und den Kanälen 7 bis 12 reserviert, was der Isolierung von Uplink- und Downlink-Kanälen förderlich ist. Der 400-GHz-Abstand kann die Herstellungsschwierigkeiten im Vergleich zum 100/50-GHz-Abstand, der von DWDM verwendet wird, erheblich reduzieren.

Abbildung 2: 12-Kanal-O-Band-Wellenlängenplanung

Das Funktionsblockdiagramm des wellenlängenabstimmbaren optischen 25-Gbit/s-O-Band-O-Band-Moduls ist in Abbildung 3 dargestellt. Die abstimmbare optische Komponente des TOSA muss TEC zur Temperaturstabilisierung verwenden und die ausgegebene Wellenlänge durch Ändern der Stromgröße anpassen Quelle auf IP und IF angewendet. PD1 und PD2 werden zur Erfassung des relevanten Photostroms verwendet, und die Ausgangslichtwellenlänge wird durch Stabilisierung des Verhältnisses von PD1 und PD2 fixiert. Das optische Modul kann in SFP28 verpackt werden, und der optische Schnittstellentyp kann je nach Bedarf eine bidirektionale Einzelfaser oder eine bidirektionale Doppelfaser realisieren.

Abbildung 3: Funktionsdiagramm des optischen Moduls

Die Kosten des abstimmbaren optischen Moduls spiegeln sich hauptsächlich in der abstimmbaren optischen DBR-Komponente wider, die mehr als 80 % der Gesamtkosten ausmacht. Es kann in den BOX-Formfaktor und den TO-Koaxial-Formfaktor unterteilt werden. Ersteres bietet eine bessere Hochfrequenzleistung und eine geringere Größe, ist aber teurer. Zu den optischen Modulatoren gehören hauptsächlich EAM-, MZM- und DML-Direktmodulation. Unter diesen hat MZM die höchsten Kosten und EAM die mittleren. Die DML-Direktmodulation hat die niedrigsten Kosten, aber ihre Hochfrequenzleistung ist relativ schlecht und die Qualität des Augendiagramms und die Übertragungsentfernung sind begrenzt.

Kosten sind im 5G-Fronthaul-Bereich ein sensibleres Thema. Unter der Voraussetzung, die Einsatzbedingungen zu erfüllen, ist es äußerst wichtig, die Auswahl technischer Lösungen für das Modul zu optimieren. Wenn man beispielsweise bedenkt, dass der Wellenlängenanpassungsbereich des im O-Band abstimmbaren optischen DBR-Chips etwa zehn Nanometer beträgt, können im Hinblick auf die Wellenlängenplanung 12 Wellenlängenkanäle mit einem Kanalabstand von 400 GHz verwendet werden, um sowohl Anwendungsszenarien als auch Herstellungskosten zu berücksichtigen. Darüber hinaus kann TO-Koaxialgehäuse verwendet werden, um mit der DML-Direktmodulation zusammenzuarbeiten und so die Kosten zu senken.

Das wellenlängenabstimmbare optische O-Band-Modul mit 25 Gbit/s bringt viele technische Schwierigkeiten mit sich, wie z. B. die Entwicklung und Massenproduktion von wellenlängenabstimmbaren Laserchips; Kleinvolumige DBR-Chipverpackung mit Kühlung und optischem Komponentendesign; kostengünstiger DBR-Wellenlängensperr- und optischer Leistungsüberwachungs-, Stabilisierungs- und Abstimmungsmechanismus; die Leistung und Zuverlässigkeit des Pilottonmechanismus; die Entwicklung und Zuverlässigkeit des Kommunikationsprotokolls zwischen optischen End-to-End-Modulen; die Realisierung eines geringen Stromverbrauchs und einer geringen Wärmeableitung des wellenlängenabstimmbaren optischen Moduls mit Industrietemperatur; kostengünstige Batch-Wellenlängenkalibrierung, Test- und Produktionsmethoden für die wellenlängenabstimmbaren optischen Module.

Im Hinblick auf die Anwendungserforschung befindet sich das wellenlängenabstimmbare optische 25-Gbit/s-O-Band-Modul derzeit in der Entwurfs- und Entwicklungsphase. Es wird erwartet, dass es im Jahr 2022 Prototypen und α-Muster produziert. Es wird β-Muster produzieren und die Produktion in kleinem Maßstab im Jahr 2023 realisieren. Die konkrete zukünftige Anwendung wird von der umfassenden Bewertung des Fronthaul-Programms durch die Industrie abhängen.

• Zusammenfassung

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des 5G-Aufbaus in Etappen und der energischen Entwicklung von Rechenzentren und rein optischen Zugangsnetzen entstehen immer wieder neue Anwendungsanforderungen für optische Module, und die optische 5G-Trägernetzwerk-Modultechnologie ist zunehmend in den Fokus der Branche gerückt. Die 5G-Träger-Arbeitsgruppe wird die Zusammenarbeit mit der Industrie weiter stärken, sich auf Konsens konzentrieren und gemeinsam die Forschung, Prüfung und Bewertung von Schlüsseltechnologien für optische 5G-Trägermodule sowie die Formulierung von Standards und Spezifikationen fördern, um dies zu erleichtern gesunde und geordnete Entwicklung der Branche der optischen 5G-Trägermodultechnologie und unterstützen nachdrücklich den 5G-Aufbau.