5G se lanzó en 2019 y ha experimentado un rápido crecimiento en Asia, América del Norte y Europa. La GSMA predice que las conexiones 5G seguirán creciendo durante los próximos cinco años y las conexiones alcanzarán los 500 millones para 2025.
Los operadores globales invertirán alrededor de 1.1 billones de dólares en comunicaciones móviles entre 2020 y 2025, de los cuales alrededor del 80 % se destinará a gastos de capital 5G.
Figura 1-2 Gastos de capital en comunicaciones móviles
2. La interfaz de transmisión frontal inalámbrica 5G requiere una velocidad mínima de 25 Gbit/s
La comunicación inalámbrica 5G requiere más recursos de espectro que 4G para banda ancha móvil mejorada (eMBB), comunicación ultra confiable y de baja latencia (URLLC) e Internet masivo de las cosas (mIoT).
5G utiliza un espectro inferior a 6 GHz FR1 actualmente, que admite un ancho de banda máximo de 100 Mbit/s, cinco veces el de 4G LTE. El protocolo Common Public Radio Interface (CPRI) requiere al menos 100 Gbit/s de canales fronthaul cuando hay 64 canales y un ancho de banda de 100 MHz. Sin embargo, en 2017, la industria no está lista para los módulos ópticos de 100 Gbit/s. Por lo tanto, se desarrolló el protocolo Enhanced CPRI (eCPRI).
Figura 2-1 Diferentes modos de división de eCPRI
El protocolo eCPRI define múltiples modos de división. Las interfaces en capas de protocolo más altas requieren un ancho de banda de transmisión más bajo. En el esquema de división principal, algunas funciones de procesamiento de señales de la capa física se transmiten desde la banda base al lado de la antena, y solo es necesario obtener la tasa de 25 Gbit/s desde la interfaz fronthaul. En los últimos años, la demanda de módulos ópticos de transmisión frontal convencionales ha evolucionado de 10 Gbit/s en la era 4G a 25 Gbit/s en la era 5G.
Teniendo en cuenta que las bandas de rango bajo y medio en el espectro inalámbrico ya están saturadas, 3GPP ha asignado bandas de frecuencia más altas para 5G. Sin embargo, esto da como resultado una mayor pérdida de señal. Por lo tanto, la densidad de las estaciones base 5G es mayor que la de 4G y los requisitos para los módulos ópticos son más altos para garantizar una buena calidad de comunicación. LightCounting predice que los módulos ópticos 25G para fronthaul 5G superarán el 50 % de todos los módulos ópticos vendidos en los próximos cinco años.
Figura 2-2 Ventas de módulos ópticos front-haul inalámbricos
Los módulos ópticos de 25G se utilizan principalmente para el transporte frontal inalámbrico. Por lo tanto, reutilizar los recursos existentes en la industria de Ethernet 25GE puede ayudar a los operadores de telecomunicaciones a reducir significativamente los costos y aumentar la eficiencia de las soluciones ópticas.
3. Escenario típico de fronthaul inalámbrico 5G
Las arquitecturas típicas para fronthaul inalámbrico son RAN distribuida (DRAN) o RAN centralizada (CRAN). En el modo CRAN, la BBU se encuentra en el centro offhielo. Esto reduce significativamente el espacio y el consumo de energía de los equipos auxiliares (especialmente los acondicionadores de aire), lo que da como resultado un menor CAPEX y OPEX. Además, CBBU constituye un grupo de banda base BBU, que se puede administrar y programar de forma centralizada para diferentes necesidades de red.
Figura 3-1 Sistemas front-haul DRAN y CRAN
Debido a la adición de estaciones base, la construcción de la red 5G es mucho más costosa que la 4G y la adquisición de sitios es un desafío. Por lo tanto, CRAN es la primera opción para el despliegue a gran escala.
Figura 3-2 Escenario de implementación de fronthaul 5G
3.2 DRAN
Este es un escenario simple en el que la AAU y la DU se despliegan a una distancia de 300 km o menos por encima y por debajo de la torre, respectivamente. En el esquema CRAN, la distancia máxima entre las dos unidades es de 10 km. Tanto DRAN como CRAN utilizan conexiones directas de fibra por motivos de rentabilidad y mantenimiento. En este caso, se requiere un módulo de luz gris de 25G.
Figura 3-3 Cuatro métodos diferentes de recorrido frontal
3.3 MUESCA
En el escenario CRAN, una conexión de fibra directa requiere muchas fibras y cables. En el caso de recursos de fibra insuficientes, el uso de módulos de luz gris BiDi de 10 km puede reducir los costos porque requieren la mitad de la cantidad de fibras. Si es necesario, los recursos de fibra necesarios se pueden reducir aún más mediante el uso de equipos WDM pasivos y WDM semiactivos. En este caso, se requiere un módulo de luz de color de 25G.
Para una sola estación base macro 5G, un espectro de 100 MHz requiere tres eCPRI de 25 Gbit/s. En Asia, China Mobile posee 160 MHz de espectro 5G, mientras que China Telecom y China Unicom comparten 200 MHz de espectro 5G. Si la tasa de interfaz se mantiene en 25 Gbit/s, el número de interfaces aumentará de 3 a 6.
Cada estación base macro necesita seis pares de módulos ópticos de 25G para cumplir con los requisitos de transmisión de la interfaz. En este caso, puede utilizar un conjunto de módulos de colores de 12 longitudes de onda (una fibra por sitio) o dos conjuntos de módulos de colores de 6 longitudes de onda (dos fibras por sitio).
Figura 3-4 Dos enfoques diferentes para los WDM pasivos de fronthaul 5G
En resumen, tanto las soluciones DRAN como CRAN verán un aumento en la demanda de módulos ópticos 5G fronthaul.
4. Diferentes soluciones para front-haul de 25G
Fondo 4.1
5G se lanzó en la segunda mitad de 2019 y rápidamente estuvo disponible comercialmente en China. A finales de febrero de 2020, se habían desplegado 164,000 5 estaciones base XNUMXG. Para hacer frente a la construcción rápida y extensa de la estación base, los operadores han elegido módulos de colores para ahorrar costos y lograr una comercialización rápida.
Además, de acuerdo con los estándares WDM existentes, diferentes organizaciones han propuesto estándares CWDM, MWDM, LWDM y DWDM. Los operadores de China Mobile también dominan la adquisición directa de módulos ópticos CWDM.
4.2 Tendencias tecnológicas
4.2.1 Reutilizar los recursos industriales 10G/25G existentes
El módulo de luz gris de 25 G utiliza los recursos existentes en la tecnología original de 10 Gbit/s:
-El módulo SR de 300 m utiliza un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) de 850 nm;
- -El módulo LR de 10 km utiliza un láser de retroalimentación distribuida (DFB) de 1310 nm;
- -El módulo BiDi de 10 km utiliza un láser DFB (1330 nm aguas arriba, 1270 nm aguas abajo).
- Los chips comerciales con estas longitudes de onda están fácilmente disponibles. Algunos proveedores de chips también pueden offer chips industriales adecuados para aplicaciones de fronthaul inalámbricas.
Basado en el principio de reutilizar el estándar WDM, la industria está discutiendo varias soluciones para módulos de luz de color de 25G. El estándar CWDM se define en ITU-T G.694.2. Hay 18 módulos CWDM con un espaciado de longitud de onda de 20 nm montados directamente en la DU y la AAU y utilizando un multiplexor/desmultiplexor CWDM externo. En un escenario de fronthaul inalámbrico con tres canales, se requieren seis longitudes de onda, preferiblemente CWDM 6 ondas (1271, 1291, 1311, 1331, 1351 y 1371 nm).
Dado que las primeras cuatro longitudes de onda son las mismas que las del DML de 4 ondas CWDM en el centro de datos, los proveedores de chips solo necesitan desarrollar para temperaturas industriales y las dos últimas longitudes de onda. Para seis canales, se requieren 12 longitudes de onda. Se pueden seleccionar dos ondas CWDM 6 y dos fibras para la transmisión, o se pueden seleccionar ondas CWDM 12 y una fibra sumando las últimas seis longitudes de onda 1471/1491/1511/1531/1551/1571.
Figura 4-1 longitud de onda de las CWDM
MWDM es un estándar CCSA propuesto a fines de 2019. En MWDM, cada longitud de onda estándar de las 6 ondas CWDM se extiende mediante un enfriador termoeléctrico (TEC) para obtener 12 longitudes de onda que no están igualmente espaciadas.
Figura 4-2 longitudes de onda del mwdm
En comparación con el CWDM de 6 ondas, la solución de 12 ondas de MWDM requiere la adición de TEC al ensamblaje óptico y la adición de controladores TEC al circuito del módulo.
El espacio entre canales de la tecnología LAN-WDM es de 800 GHz (alrededor de 4.4 nm). Se pueden obtener más longitudes de onda en la banda O con poca pérdida de dispersión. IEEE 802.3 define la interfaz 400GE LR8 basada en LAN-WDM. Las últimas cuatro longitudes de onda son para 100G LR4, por lo tanto, la industria puede admitir fácilmente las últimas cuatro longitudes de onda. Si se amplía a 12 longitudes de onda, CCSA agregará cuatro longitudes de onda a las 8 longitudes de onda LAN-WDM para formar las 12 ondas LWDM. La única diferencia entre las ondas LWDM12 y MWDM es el chip óptico.
Figura 4-3 longitudes de onda de la LWDM
La tecnología DWDM basada en ITU-T G.698.4 se usa ampliamente en redes troncales y redes de área metropolitana. El rango de longitud de onda es de 1529nm a 1567nm con una separación de aproximadamente 0.78 nm. La cantidad de longitudes de onda puede ser 6, 12, 20, 40, 48 o 96. Sin embargo, los módulos DWDM son costosos y generalmente se implementan en áreas con recursos de fibra insuficientes.
Debido al estrecho espacio de longitud de onda, MWDM requiere controladores TEC y chips de longitud de onda personalizados. La cadena industrial de chips ópticos de láser modulado directamente (DML) subyacente a LWDM aún no está madura, el costo del láser modulado por electroabsorción (EML) es alto y LWDM requiere un controlador TEC. DWDM requiere un controlador TEC y el chip es caro. Solo las ondas CWDM 6 no requieren controladores TEC y tienen abundantes recursos DML, por lo que CWDM 6 es reconocida como la solución más rentable para los operadores.
4.2.2 Mayor distancia de transmisión
La distancia de transmisión de los módulos ópticos fronthaul inalámbricos estándar está limitada a 10 km. Con la adopción generalizada de las implementaciones de CRAN, es posible que se requieran distancias de transmisión más largas en las redes fronthaul convergentes. Según LightCounting, en los próximos 5 años, el 3 % de todos los módulos de luz gris requerirán distancias de transmisión superiores a 10 km. Sin embargo, los proveedores de la industria todavía se están enfocando en módulos ópticos de 10 km.
La proporción de diferentes tipos de módulos de luz gris.
4.2.3 Formas de módulos ópticos de alta densidad
La capacidad de comunicación de fronthaul deberá aumentar gradualmente a medida que se desarrolle 5G. Sin embargo, para las estaciones base inalámbricas, el puerto del panel de la placa de banda base es fijo. Los proveedores de equipos inalámbricos deben encontrar formas de mejorar las capacidades de recepción y transmisión del puerto.
Los módulos ópticos dobles de factor de forma pequeño conectable (DSFP) son una buena solución. El estándar DSFP lanzado en 2018 admite una velocidad máxima de 100 Gbit/s y se utiliza principalmente para protocolos Ethernet. También es adecuado para escenarios de fronthaul eCPRI inalámbricos. Los módulos DSFP son estructuralmente compatibles con los módulos SFP. A través del paquete integrado dentro del módulo DSFP, se pueden transmitir dos canales de señal, duplicando así la capacidad de transmisión y recepción. Actualmente, los módulos SFP de 25G son estándar. Sin embargo, con la creciente demanda de ancho de banda de fronthaul y el desarrollo de chips de banda base en el lado de BBU, es posible que se requieran más módulos DSFP.
4.2.4 Tecnología de luz de color ajustable
CRAN juega un papel más importante en el despliegue de la infraestructura 5G. Para 2020, los tres principales operadores de China predicen que CRAN representará el 80 % de la infraestructura 5G, por lo que aumentará la demanda de módulos de luz de color. Los módulos CWDM de 6 ondas se han implementado ampliamente porque son económicos y fáciles de usar. Sin embargo, la configuración de la longitud de onda requiere mucho tiempo y esfuerzo durante la construcción y el mantenimiento de las estaciones base. Por lo tanto, se propone una tecnología de luz de color DWDM sintonizable.
Los sistemas DWDM sintonizables tienen el mismo rango de longitud de onda y espaciado que los sistemas DWDM fijos. La única diferencia es que el módulo DWDM ajustable en longitud de onda admite la configuración automática de 12 o 48 longitudes de onda. Actualmente, el estándar sintonizable DWDM se lanza en CCSA y el estándar ITU-T G.698.x está en revisión. Anteriormente, la tecnología sintonizable DWDM se ha aplicado a las redes de transmisión, pero es mucho más costosa que la onda CWDM6. Por lo tanto, la industria ha estado trabajando duro para reducir el costo de esta solución.
5. Soluciones ópticas inalámbricas Fronthaul 25G
Los módulos de luz de color 25G se pueden dividir en módulos 25G CWDM de 6 ondas y módulos 25G DWDM ajustables. Los clientes pueden elegir entre diferentes opciones dependiendo de sus necesidades y presupuesto. La gama completa de módulos ópticos fronthaul 25G cubre varios escenarios de aplicación DRAN y CRAN.
5.1 Diferentes tipos de módulos ópticos de luz gris 25G y CWDM de 6 ondas
Hay varios tipos de módulos ópticos de luz gris 25G y CWDM de 6 ondas:
-25G 300m: interfaz bidireccional de doble fibra
-25G 10km: interfaz bidireccional de doble fibra
-25G 10km BiDi: interfaz bidireccional de fibra única
-25G 10km CWDM6-wave: interfaz bidireccional de doble fibra; seis módulos por juego
Todos los módulos ópticos con longitudes de onda centrales de 1271/1291/1311/1331/1351/1371nm cumplen con los protocolos SFP28 de SFF-8419 y SFF8472.
Los puertos eléctricos cumplen con CEI-28G-VSR. Los puertos ópticos 25G 10km BiDi de fibra dúplex y 25G 10km cumplen con IEEE 802.3CC 25GBase-LR.
Aquí está el diagrama de bloques funcional a continuación, que incluye DML TOSA, PIN ROSA, transmisión de CDR, controlador de láser, recepción de LA, recepción de CDR y controlador.
Figura 5-1 Módulos ópticos de 25 ondas 300G 10 m, 6 km y CWDM
Figura 5-2 Módulo óptico 25G 10km BiDi
En la dirección de transmisión, el CDR realiza la recuperación del reloj en la señal eléctrica recibida en el conector de borde y el DRV amplifica la señal. Luego, el DRV impulsa el DML TOSA para convertir la señal eléctrica en una señal óptica para la salida.
En la dirección de recepción, la señal óptica es convertida en una señal eléctrica por el PIN PD, amplificada por el TIA y luego enviada a LA. Después de que el CDR realiza la recuperación del reloj, el conector de borde realiza la salida de la señal. CWDM de 6 ondas utiliza un láser DFB no refrigerado. En comparación con otras soluciones WDM, es más rentable y tiene un menor consumo de energía. Esta es la solución ideal cuando no se requiere una gran cantidad de longitudes de onda.
5.2 Módulo óptico sintonizable 25G DWDM y DWDM de 12 ondas
Hay dos tipos de módulos ópticos DWDM de 25G:
-48 longitudes de onda en banda C son sintonizables y admiten transmisión de 10 km
-La rentable banda C de 12 longitudes de onda es sintonizable y admite transmisión de 10 km. Ambos cumplen con los protocolos SFF-8419 y SFF-8472. Los puertos eléctricos cumplen con CEI-28G-VSR.
A continuación se muestra el diagrama de bloques funcional que incluye T-TOSA, PIN ROSA, transmisión de CDR, controlador de láser, recepción de LA, recepción de CDR y controlador.
Figura 5-3 Módulo óptico 25G DWDM
En la dirección de transmisión, el CDR realiza la recuperación del reloj en la señal eléctrica recibida en el conector de borde y el DRV amplifica la señal. Luego, el DRV impulsa el TTOSA para convertir la señal eléctrica en una señal óptica para la salida.
En la dirección de recepción, la señal óptica es convertida en una señal eléctrica por el PIN PD, amplificada por el TIA y luego enviada a LA. Después de que el CDR realiza la recuperación del reloj, el conector de borde realiza la salida de la señal.
Figura 5-4 Señal modulada
Conclusión
El estándar eCPRI expone la interfaz fronthaul 5G. La interfaz fronthaul 25G se ajusta al protocolo Ethernet y proporciona métodos completos de operación y mantenimiento. Además, se pueden reutilizar los recursos existentes de los módulos ópticos Ethernet 25G. La interfaz fronthaul 25G se ha convertido en un estándar de la industria. A medida que aumentan los gastos de capital para la construcción de estaciones base 5G, los operadores buscan módulos ópticos fronthaul 25G más rentables. Mientras tanto, los recursos limitados de fibra óptica impulsan la demanda de módulos de luz de color. Después de décadas de inversión e innovación en el campo de la optoelectrónica, Fiber Mall ha lanzado una solución completa de módulos ópticos 25G convencionales y WDM para construir la diversificación de la comunicación inalámbrica 5G.
