5G wurde 2019 eingeführt und hat in Asien, Nordamerika und Europa ein schnelles Wachstum erlebt. Die GSMA prognostiziert, dass 5G-Verbindungen in den nächsten fünf Jahren weiter wachsen und die Verbindungen bis 500 2025 Millionen erreichen werden.
Globale Betreiber werden zwischen 1.1 und 2020 etwa 2025 Billionen US-Dollar in die mobile Kommunikation investieren, von denen etwa 80 % für 5G-Investitionen ausgegeben werden.
Abbildung 1-2 Investitionen im Mobilfunk
2. Die drahtlose 5G-Front-Haul-Schnittstelle erfordert eine Mindestrate von 25 Gbit/s
Die drahtlose 5G-Kommunikation erfordert mehr Frequenzressourcen als 4G für erweitertes mobiles Breitband (eMBB), ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC) und Massive Internet of Things (mIoT).
5G verwendet derzeit ein Spektrum unter 6 GHz FR1, das eine maximale Bandbreite von 100 Mbit/s unterstützt, das Fünffache von 4G LTE. Das Common Public Radio Interface (CPRI)-Protokoll erfordert mindestens 100 Gbit/s Fronthaul-Kanäle, wenn 64 Kanäle und eine Bandbreite von 100 MHz vorhanden sind. 2017 ist die Industrie jedoch noch nicht bereit für optische 100-Gbit/s-Module. Daher wurde das Enhanced CPRI (eCPRI)-Protokoll entwickelt.
Abbildung 2-1 Verschiedene Split-Modi von eCPRI
Das eCPRI-Protokoll definiert mehrere Split-Modi. Schnittstellen auf höheren Protokollschichten erfordern eine geringere Übertragungsbandbreite. Beim Mainstream-Split-Schema werden einige Signalverarbeitungsfunktionen der physikalischen Schicht vom Basisband zur Antennenseite übertragen, und nur die 25-Gbit/s-Rate muss von der Fronthaul-Schnittstelle bezogen werden. In den letzten Jahren hat sich die Nachfrage nach optischen Mainstream-Fronthaul-Modulen von 10 Gbit/s im 4G-Zeitalter auf 25 Gbit/s im 5G-Zeitalter entwickelt.
In Anbetracht dessen, dass die unteren und mittleren Bänder im drahtlosen Spektrum bereits überfüllt sind, hat 3GPP höhere Frequenzbänder für 5G zugewiesen. Dies führt jedoch zu einem höheren Signalverlust. Daher ist die Dichte von 5G-Basisstationen höher als die von 4G, und die Anforderungen an optische Module sind höher, um eine gute Kommunikationsqualität zu gewährleisten. LightCounting prognostiziert, dass optische 25G-Module für 5G-Fronthaul in den nächsten fünf Jahren 50 % aller verkauften optischen Module übersteigen werden.
Abbildung 2-2 Verkauf von drahtlosen optischen Fronthaul-Modulen
Optische 25G-Module werden hauptsächlich für drahtloses Fronthaul verwendet. Daher kann die Wiederverwendung vorhandener Ressourcen in der 25GE-Ethernet-Industrie Telekommunikationsbetreibern helfen, die Kosten erheblich zu senken und die Effizienz optischer Lösungen zu steigern.
3. Typisches 5G-Wireless-Fronthaul-Szenario
Typische Architekturen für Wireless Fronthaul sind Distributed RAN (DRAN) oder Centralized RAN (CRAN). Im CRAN-Modus befindet sich die BBU in der Mitte offEis. Dies reduziert den Platz- und Stromverbrauch von Zusatzgeräten (insbesondere Klimaanlagen) erheblich, was zu niedrigeren CAPEX und OPEX führt. Darüber hinaus stellt CBBU einen BBU-Basisbandpool dar, der zentral verwaltet und für unterschiedliche Netzwerkanforderungen geplant werden kann.
Abbildung 3-1 DRAN- und CRAN-Fronthaul-Systeme
Aufgrund der Hinzufügung von Basisstationen ist der Aufbau von 5G-Netzen viel teurer als 4G, und der Erwerb von Standorten ist eine Herausforderung. Daher ist CRAN die erste Wahl für den groß angelegten Einsatz.
Abbildung 3-2 5G-Fronthaul-Bereitstellungsszenario
3.2 DRAN
Dies ist ein einfaches Szenario, bei dem die AAU und DU in einer Entfernung von 300 km oder weniger über bzw. unter dem Turm eingesetzt werden. Beim CRAN-Schema beträgt die maximale Entfernung zwischen den beiden Einheiten 10 km. Sowohl DRAN als auch CRAN verwenden aus Gründen der Kosteneffizienz und Wartung direkte Glasfaserverbindungen. In diesem Fall ist ein 25G-Graulichtmodul erforderlich.
Abbildung 3-3 Vier verschiedene Fronthaul-Methoden
3.3 KERBE
Im CRAN-Szenario erfordert eine direkte Glasfaserverbindung viele Fasern und Kabel. Bei unzureichenden Faserressourcen kann der Einsatz von 10km BiDi Graulichtmodulen die Kosten senken, da sie die Hälfte der Faseranzahl benötigen. Bei Bedarf können die benötigten Glasfaserressourcen durch den Einsatz von passiven WDM- und semiaktiven WDM-Geräten weiter reduziert werden. In diesem Fall wird ein 25G-Farblichtmodul benötigt.
Für eine einzelne 5G-Makro-Basisstation erfordert ein 100-MHz-Spektrum drei 25-Gbit/s-eCPRI. In Asien besitzt China Mobile 160 MHz 5G-Spektrum, während sich China Telecom und China Unicom 200 MHz 5G-Spektrum teilen. Bleibt die Schnittstellenrate bei 25Gbit/s, erhöht sich die Anzahl der Schnittstellen von 3 auf 6.
Jede Makro-Basisstation benötigt sechs Paare optischer 25G-Module, um die Anforderungen an die Schnittstellenübertragung zu erfüllen. In diesem Fall können Sie einen Satz farbiger 12-Wellenlängen-Module (eine Faser pro Standort) oder zwei Sätze farbiger 6-Wellenlängen-Module (zwei Fasern pro Standort) verwenden.
Abbildung 3-4 Zwei unterschiedliche Ansätze für passive 5G-Fronthaul-WDMs
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl DRAN- als auch CRAN-Lösungen einen Anstieg der Nachfrage nach optischen 5G-Fronthaul-Modulen verzeichnen werden.
4. Verschiedene Lösungen für 25G-Fronthaul
4.1 Hintergrund
5G wurde in der zweiten Hälfte des Jahres 2019 veröffentlicht und wurde in China schnell kommerziell verfügbar. Bis Ende Februar 2020 wurden 164,000 5G-Basisstationen installiert. Um den schnellen und umfangreichen Bau von Basisstationen bewältigen zu können, haben sich die Betreiber für farbige Module entschieden, um Kosten zu sparen und eine schnelle Kommerzialisierung zu erreichen.
Zusätzlich haben gemäß den bestehenden WDM-Standards verschiedene Organisationen CWDM-, MWDM-, LWDM- und DWDM-Standards vorgeschlagen. China Mobile-Betreiber dominieren auch die direkte Beschaffung von optischen CWDM-Modulen.
4.2 Technologietrends
4.2.1 Wiederverwendung vorhandener 10G/25G-Branchenressourcen
Das 25G-Graulichtmodul nutzt die vorhandenen Ressourcen in der ursprünglichen 10Gbit/s-Technologie:
-300 m SR-Modul verwendet 850 nm Vertical-Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL);
- -10 km LR-Modul verwendet 1310-nm-DFB-Laser (Distributed Feedback);
- -Das 10 km BiDi-Modul verwendet einen DFB-Laser (1330 nm stromaufwärts, 1270 nm stromabwärts).
- Kommerzielle Chips mit diesen Wellenlängen sind ohne weiteres erhältlich. Einige Chiplieferanten können das auch offer Industriechips, die für drahtlose Fronthaul-Anwendungen geeignet sind.
Basierend auf dem Prinzip der Wiederverwendung des WDM-Standards diskutiert die Industrie verschiedene Lösungen für 25G-Farblichtmodule. Der CWDM-Standard ist in ITU-T G.694.2 definiert. Es gibt 18 CWDM-Module mit einem Wellenlängenabstand von 20 nm, die direkt auf der DU und der AAU montiert sind und einen externen CWDM-Multiplexer/Demultiplexer verwenden. In einem drahtlosen Fronthaul-Szenario mit drei Kanälen sind sechs Wellenlängen erforderlich, vorzugsweise CWDM 6 Wellen (1271, 1291, 1311, 1331, 1351 und 1371 nm).
Da die ersten vier Wellenlängen die gleichen sind wie die des CWDM 4-Wellen-DML im Rechenzentrum, müssen Chiphersteller nur für industrielle Temperaturen und die letzten beiden Wellenlängen entwickeln. Für sechs Kanäle werden 12 Wellenlängen benötigt. Zwei CWDM 6 Wellen und zwei Fasern können für die Übertragung ausgewählt werden, oder CWDM 12 Wellen und eine Faser können ausgewählt werden, indem die letzten sechs Wellenlängen 1471/1491/1511/1531/1551/1571 hinzugefügt werden.
Abbildung 4-1 Wellenlänge dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. CWDM
MWDM ist ein CCSA-Standard, der Ende 2019 vorgeschlagen wurde. Bei MWDM wird jede Standardwellenlänge der CWDM 6-Wellen durch einen thermoelektrischen Kühler (TEC) erweitert, um 12 Wellenlängen zu erhalten, die nicht gleichmäßig beabstandet sind.
Abbildung 4-2 Wellenlängen der MWDM
Im Vergleich zum CWDM 6-Wellen erfordert die MWDM 12-Wellen-Lösung das Hinzufügen von TEC zur optischen Baugruppe und das Hinzufügen von TEC-Treibern zum Modulschaltkreis.
Der Kanalabstand der LAN-WDM-Technologie beträgt 800 GHz (etwa 4.4 nm). Im O-Band können mit geringem Dispersionsverlust mehr Wellenlängen erhalten werden. IEEE 802.3 definiert die 400GE LR8-Schnittstelle basierend auf LAN-WDM. Die letzten vier Wellenlängen sind für 100G LR4, daher kann die Industrie die letzten vier Wellenlängen problemlos unterstützen. Bei einer Erweiterung auf 12 Wellenlängen fügt CCSA den 8 LAN-WDM-Wellenlängen vier Wellenlängen hinzu, um die 12 LWDM-Wellen zu bilden. Der einzige Unterschied zwischen LWDM12-Wellen und MWDM ist der optische Chip.
Abbildung 4-3 Wellenlängen der LWDM
Die auf ITU-T G.698.4 basierende DWDM-Technologie wird häufig in Backbone-Netzwerken und Stadtnetzen verwendet. Der Wellenlängenbereich beträgt 1529 nm bis 1567 nm mit einem Abstand von etwa 0.78 nm. Die Anzahl der Wellenlängen kann 6, 12, 20, 40, 48 oder 96 betragen. DWDM-Module sind jedoch teuer und werden normalerweise in Gebieten mit unzureichenden Glasfaserressourcen eingesetzt.
Aufgrund des engen Wellenlängenabstands erfordert MWDM TEC-Controller und benutzerdefinierte Wellenlängenchips. Die Industriekette der dem LWDM zugrunde liegenden optischen Chips mit direkt moduliertem Laser (DML) ist noch nicht ausgereift, die Kosten des elektroabsorptionsmodulierten Lasers (EML) sind hoch, und LWDM erfordert einen TEC-Controller. DWDM erfordert einen TEC-Controller, und der Chip ist teuer. Nur CWDM 6-Wellen erfordern keine TEC-Controller und verfügen über reichlich DML-Ressourcen, sodass CWDM 6 als die kostengünstigste Lösung für Betreiber anerkannt ist.
4.2.2 Längere Übertragungsdistanz
Die Übertragungsreichweite von standardmäßigen optischen Fronthaul-Modulen ist auf 10 km begrenzt. Mit der weit verbreiteten Einführung von CRAN-Bereitstellungen können längere Übertragungsentfernungen in konvergierten Fronthaul-Netzwerken erforderlich sein. Laut LightCounting werden in den nächsten 5 Jahren 3 % aller Graulichtmodule Übertragungsstrecken von mehr als 10 km benötigen. Die Zulieferer der Industrie konzentrieren sich jedoch immer noch auf optische 10-km-Module.
Der Anteil verschiedener Arten von Graulichtmodulen
4.2.3 Formen von optischen Modulen hoher Dichte
Die Fronthaul-Kommunikationskapazität muss mit der Entwicklung von 5G schrittweise erhöht werden. Bei drahtlosen Basisstationen ist der Bedienfeldanschluss der Basisbandplatine jedoch festgelegt. Anbieter von drahtlosen Geräten müssen Wege finden, um die Empfangs- und Sendefähigkeiten des Ports zu verbessern.
Dual Small Form-Factor Pluggable (DSFP) optische Module sind eine gute Lösung. Der 2018 veröffentlichte DSFP-Standard unterstützt eine maximale Rate von 100 Gbit/s und wird hauptsächlich für Ethernet-Protokolle verwendet. Es eignet sich auch für drahtlose eCPRI-Fronthaul-Szenarien. DSFP-Module sind strukturell kompatibel mit SFP-Modulen. Durch das integrierte Paket im DSFP-Modul können zwei Signalkanäle übertragen werden, wodurch die Sende- und Empfangskapazität verdoppelt wird. Derzeit sind 25G-SFP-Module Standard. Mit der wachsenden Nachfrage nach Fronthaul-Bandbreite und der Entwicklung von Basisband-Chips auf der BBU-Seite können jedoch mehr DSFP-Module erforderlich sein.
4.2.4 Anpassbare Farblicht-Technologie
CRAN spielt eine größere Rolle beim Einsatz der 5G-Infrastruktur. Bis 2020 prognostizieren die drei großen Betreiber Chinas, dass CRAN 80 % der 5G-Infrastruktur ausmachen wird, sodass die Nachfrage nach Farblichtmodulen steigen wird. CWDM-6-Wellen-Module sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und einfach zu verwenden sind. Die Wellenlängenkonfiguration erfordert jedoch viel Zeit und Mühe während des Baus und der Wartung von Basisstationen. Daher wird eine abstimmbare DWDM-Farblichttechnologie vorgeschlagen.
Abstimmbare DWDM-Systeme haben den gleichen Wellenlängenbereich und -abstand wie feste DWDM-Systeme. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das wellenlängenabstimmbare DWDM-Modul die automatische Konfiguration von 12 oder 48 Wellenlängen unterstützt. Derzeit wird der abstimmbare DWDM-Standard in CCSA eingeführt und der ITU-T G.698.x-Standard wird überarbeitet. Früher wurde die abstimmbare DWDM-Technologie auf die Übertragungsnetze angewendet, sie ist jedoch viel teurer als die CWDM6-Welle. Daher hat die Industrie hart daran gearbeitet, die Kosten dieser Lösung zu senken.
5. Drahtlose optische 25G-Fronthaul-Lösungen
25G-Farblichtmodule können in 25G-CWDM-6-Wellen- und einstellbare 25G-DWDM-Module unterteilt werden. Kunden können je nach Bedarf und Budget aus verschiedenen Optionen wählen. Die gesamte Palette der optischen Fronthaul-25G-Module deckt verschiedene DRAN- und CRAN-Anwendungsszenarien ab.
5.1 Verschiedene Arten von optischen 25G-Graulicht- und CWDM-6-Wellen-Modulen
Es gibt verschiedene Arten von optischen 25G-Graulicht- und CWDM-6-Wellen-Modulen:
-25G 300m: Bidirektionale Dual-Fiber-Schnittstelle
-25G 10km: Bidirektionale Dual-Fiber-Schnittstelle
-25G 10km BiDi: bidirektionale Einzelfaser-Schnittstelle
-25G 10km CWDM6-Welle: bidirektionale Dual-Fiber-Schnittstelle; sechs Module pro Set
Alle optischen Module mit zentralen Wellenlängen von 1271/1291/1311/1331/1351/1371 nm entsprechen den SFP28-Protokollen von SFF-8419 und SFF8472.
Elektrische Anschlüsse entsprechen CEI-28G-VSR. Die 25G 10km Duplex-Glasfaser und die 25G 10km BiDi optischen Ports entsprechen IEEE 802.3CC 25GBase-LR.
Hier ist das Funktionsblockdiagramm unten, einschließlich DML TOSA, PIN ROSA, Sende-CDR, Lasertreiber, Empfangs-LA, Empfangs-CDR und Controller.
Abbildung 5-1 25G 300 m, 10 km und CWDM 6-Wellen-Optikmodule
Abbildung 5-2 25G 10km BiDi optisches Modul
In der Senderichtung führt der CDR eine Taktrückgewinnung an dem am Randverbinder empfangenen elektrischen Signal durch, und der DRV verstärkt das Signal. Dann steuert der DRV den DML TOSA an, um das elektrische Signal in ein optisches Signal für die Ausgabe umzuwandeln.
In Empfangsrichtung wird das optische Signal vom PIN PD in ein elektrisches Signal umgewandelt, vom TIA verstärkt und dann zum LA gesendet. Nachdem der CDR eine Taktwiederherstellung durchführt, führt der Randverbinder eine Signalausgabe durch. CWDM 6-Wave verwendet einen ungekühlten DFB-Laser. Im Vergleich zu anderen WDM-Lösungen ist es kostengünstiger und hat einen geringeren Stromverbrauch. Dies ist die ideale Lösung, wenn nicht viele Wellenlängen benötigt werden.
5.2 Abstimmbares optisches 25G-DWDM- und DWDM-12-Wellen-Modul
Es gibt zwei Arten von optischen 25G-DWDM-Modulen:
-48 Wellenlängen im C-Band sind abstimmbar und unterstützen eine 10-km-Übertragung
-Kostengünstige C-Band 12-Wellenlänge ist abstimmbar und unterstützt 10 km Übertragung. Beide entsprechen den Protokollen SFF-8419 und SFF-8472. Elektrische Anschlüsse entsprechen CEI-28G-VSR.
Unten ist das Funktionsblockdiagramm einschließlich T-TOSA, PIN ROSA, Sende-CDR, Lasertreiber, Empfangs-LA, Empfangs-CDR und Controller.
Abbildung 5-3 Optisches 25G-DWDM-Modul
In der Senderichtung führt der CDR eine Taktrückgewinnung an dem am Randverbinder empfangenen elektrischen Signal durch, und der DRV verstärkt das Signal. Dann steuert das DRV den TTOSA an, um das elektrische Signal in ein optisches Signal zur Ausgabe umzuwandeln.
In Empfangsrichtung wird das optische Signal vom PIN PD in ein elektrisches Signal umgewandelt, vom TIA verstärkt und dann zum LA gesendet. Nachdem der CDR eine Taktwiederherstellung durchführt, führt der Randverbinder eine Signalausgabe durch.
Abbildung 5-4 Moduliertes Signal
Zusammenfassung
Der eCPRI-Standard erläutert die 5G-Fronthaul-Schnittstelle. Die 25G-Fronthaul-Schnittstelle entspricht dem Ethernet-Protokoll und bietet umfassende Betriebs- und Wartungsmethoden. Darüber hinaus können vorhandene Ressourcen von optischen 25G-Ethernet-Modulen wiederverwendet werden. Die 25G-Fronthaul-Schnittstelle ist zum Industriestandard geworden. Da die Investitionsausgaben für den Bau von 5G-Basisstationen steigen, suchen die Betreiber nach kostengünstigeren optischen 25G-Fronthaul-Modulen. Unterdessen treiben begrenzte Glasfaserressourcen die Nachfrage nach Farblichtmodulen voran. Nach jahrzehntelangen Investitionen und Innovationen im Bereich der Optoelektronik hat Fiber Mall eine Komplettlösung aus konventionellen 25G- und optischen WDM-Modulen auf den Markt gebracht, um die Diversifizierung der drahtlosen 5G-Kommunikation aufzubauen.
