La 5G a été lancée en 2019 et a connu une croissance rapide en Asie, en Amérique du Nord et en Europe. La GSMA prévoit que les connexions 5G continueront de croître au cours des cinq prochaines années et que les connexions atteindront 500 millions d'ici 2025.
Les opérateurs mondiaux investiront environ 1.1 billion de dollars dans les communications mobiles entre 2020 et 2025, dont environ 80 % seront consacrés aux dépenses d'investissement 5G.
Figure 1-2 Dépenses en capital dans les communications mobiles
2. L'interface frontale sans fil 5G nécessite un débit minimum de 25 Gbit/s
La communication sans fil 5G nécessite plus de ressources spectrales que la 4G pour le haut débit mobile amélioré (eMBB), la communication ultra-fiable et à faible latence (URLLC) et l'Internet massif des objets (mIoT).
La 5G utilise un spectre inférieur à 6 GHz FR1 actuellement, qui prend en charge une bande passante maximale de 100 Mbit/s, cinq fois celle de la 4G LTE. Le protocole CPRI (Common Public Radio Interface) nécessite au moins 100 Gbit/s de canaux fronthaul lorsqu'il y a 64 canaux et une bande passante de 100 MHz. Cependant, en 2017, l'industrie n'est pas prête pour les modules optiques 100 Gbit/s. Par conséquent, le protocole Enhanced CPRI (eCPRI) a été développé.
Figure 2-1 Différents modes fractionnés d'eCPRI
Le protocole eCPRI définit plusieurs modes fractionnés. Les interfaces des couches de protocole supérieures nécessitent une bande passante de transmission inférieure. Dans le schéma divisé principal, certaines fonctions de traitement du signal de la couche physique sont transmises de la bande de base au côté antenne, et seul le débit de 25 Gbit/s doit être obtenu à partir de l'interface frontale. Ces dernières années, la demande de modules optiques front-haul grand public est passée de 10 Gbit/s à l'ère 4G à 25 Gbit/s à l'ère 5G.
Considérant que les bandes basses et moyennes du spectre sans fil sont déjà encombrées, le 3GPP a alloué des bandes de fréquences plus élevées pour la 5G. Cependant, cela entraîne une perte de signal plus élevée. Par conséquent, la densité des stations de base 5G est supérieure à celle de la 4G et les exigences en matière de modules optiques sont plus élevées pour assurer une bonne qualité de communication. LightCounting prévoit que les modules optiques 25G pour le fronthaul 5G dépasseront 50 % de tous les modules optiques vendus au cours des cinq prochaines années.
Figure 2-2 Ventes de modules optiques front-haul sans fil
Les modules optiques 25G sont principalement utilisés pour le front-haul sans fil. Par conséquent, la réutilisation des ressources existantes dans l'industrie Ethernet 25GE peut aider les opérateurs de télécommunications à réduire considérablement les coûts et à augmenter l'efficacité des solutions optiques.
3. Scénario typique de liaison sans fil 5G
Les architectures typiques de liaison sans fil sont le RAN distribué (DRAN) ou le RAN centralisé (CRAN). En mode CRAN, la BBU est située dans la centrale offla glace. Cela réduit considérablement l'espace et la consommation d'énergie des équipements auxiliaires (en particulier les climatiseurs), ce qui réduit les CAPEX et OPEX. En outre, CBBU constitue un pool de bande de base BBU, qui peut être géré de manière centralisée et programmé pour différents besoins du réseau.
Figure 3-1 Systèmes front-haul DRAN et CRAN
En raison de l'ajout de stations de base, la construction du réseau 5G est beaucoup plus coûteuse que la 4G, et l'acquisition de sites est difficile. Par conséquent, CRAN est le premier choix pour un déploiement à grande échelle.
Figure 3-2 Scénario de déploiement de liaison 5G
3.2 DRAN
Il s'agit d'un scénario simple où l'AAU et l'UA sont déployés à une distance de 300 km ou moins au-dessus et au-dessous de la tour, respectivement. Dans le schéma CRAN, la distance maximale entre les deux unités est de 10 km. Le DRAN et le CRAN utilisent tous deux des connexions directes par fibre optique pour des raisons de rentabilité et de maintenance. Dans ce cas, un module de lumière grise 25G est requis.
Figure 3-3 Quatre méthodes frontales différentes
3.3 CRAN
Dans le scénario CRAN, une connexion directe par fibre nécessite de nombreuses fibres et câbles. En cas de ressources en fibre insuffisantes, l'utilisation de modules bidi lumière grise de 10 km peut réduire les coûts car ils nécessitent la moitié du nombre de fibres. Si nécessaire, les ressources en fibre nécessaires peuvent être encore réduites en utilisant des équipements WDM passifs et WDM semi-actifs. Dans ce cas, un module de lumière colorée 25G est nécessaire.
Pour une seule station de base macro 5G, un spectre de 100 MHz nécessite trois eCPRI de 25 Gbit/s. En Asie, China Mobile possède 160 MHz de spectre 5G, tandis que China Telecom et China Unicom partagent 200 MHz de spectre 5G. Si le débit d'interface reste à 25Gbit/s, le nombre d'interfaces passera de 3 à 6.
Chaque station de base macro a besoin de six paires de modules optiques 25G pour répondre aux exigences de transmission de l'interface. Dans ce cas, vous pouvez utiliser un ensemble de modules colorés de 12 longueurs d'onde (une fibre par site) ou deux ensembles de modules colorés de 6 longueurs d'onde (deux fibres par site).
Figure 3-4 Deux approches différentes des WDM passifs fronthaul 5G
En résumé, les solutions DRAN et CRAN connaîtront une augmentation de la demande de modules optiques fronthaul 5G.
4. Différentes solutions pour le front-haul 25G
4.1 Contexte
La 5G est sortie au second semestre 2019 et est rapidement devenue disponible dans le commerce en Chine. Fin février 2020, 164,000 5 stations de base XNUMXG avaient été déployées. Pour faire face à la construction rapide et extensive des stations de base, les opérateurs ont choisi des modules colorés pour réduire les coûts et parvenir à une commercialisation rapide.
De plus, selon les normes WDM existantes, différentes organisations ont proposé des normes CWDM, MWDM, LWDM et DWDM. Les opérateurs de China Mobile dominent également l'approvisionnement direct en modules optiques CWDM.
4.2 Tendances technologiques
4.2.1 Réutiliser les ressources existantes de l'industrie 10G/25G
Le module de lumière grise 25G utilise les ressources existantes dans la technologie 10Gbit/s d'origine :
-Le module SR de 300 m utilise un laser à émission de surface à cavité verticale de 850 nm (VCSEL);
- -Le module LR de 10 km utilise un laser à rétroaction distribuée (DFB) de 1310 nm ;
- -Le module BiDi 10 km utilise un laser DFB (1330 nm en amont, 1270 nm en aval).
- Des puces commerciales avec ces longueurs d'onde sont facilement disponibles. Certains fournisseurs de puces peuvent également offpuces industrielles adaptées aux applications de liaison sans fil.
Basé sur le principe de la réutilisation de la norme WDM, l'industrie discute de différentes solutions pour les modules de lumière couleur 25G. La norme CWDM est définie dans ITU-T G.694.2. Il existe 18 modules CWDM avec un espacement de longueur d'onde de 20 nm montés directement sur le DU et l'AAU et utilisant un multiplexeur/démultiplexeur CWDM externe. Dans un scénario de liaison sans fil avec trois canaux, six longueurs d'onde sont requises, de préférence des ondes CWDM 6 (1271, 1291, 1311, 1331, 1351 et 1371 nm).
Étant donné que les quatre premières longueurs d'onde sont les mêmes que celles du DML à 4 ondes CWDM dans le centre de données, les fournisseurs de puces n'ont besoin de se développer que pour les températures industrielles et les deux dernières longueurs d'onde. Pour six canaux, 12 longueurs d'onde sont nécessaires. Deux ondes CWDM 6 et deux fibres peuvent être sélectionnées pour la transmission, ou des ondes CWDM 12 et une fibre peuvent être sélectionnées en ajoutant les six dernières longueurs d'onde 1471/1491/1511/1531/1551/1571.
Figure 4-1 longueur d'onde des CWDM
MWDM est une norme CCSA proposée fin 2019. En MWDM, chaque longueur d'onde standard des ondes CWDM 6 est prolongée par un refroidisseur thermoélectrique (TEC) pour obtenir 12 longueurs d'onde qui ne sont pas également espacées.
Figure 4-2 longueurs d'onde de la MWDM
Par rapport au CWDM 6 ondes, la solution MWDM 12 ondes nécessite l'ajout de TEC à l'ensemble optique et l'ajout de pilotes TEC au circuit du module.
L'espacement des canaux de la technologie LAN-WDM est de 800 GHz (environ 4.4 nm). Plus de longueurs d'onde peuvent être obtenues dans la bande O avec peu de perte de dispersion. IEEE 802.3 définit l'interface 400GE LR8 basée sur LAN-WDM. Les quatre dernières longueurs d'onde sont pour 100G LR4, par conséquent, l'industrie peut facilement prendre en charge les quatre dernières longueurs d'onde. S'il est étendu à 12 longueurs d'onde, CCSA ajoutera quatre longueurs d'onde aux 8 longueurs d'onde LAN-WDM pour former les 12 ondes LWDM. La seule différence entre les ondes LWDM12 et MWDM est la puce optique.
Figure 4-3 longueurs d'onde de la LWDM
La technologie DWDM basée sur ITU-T G.698.4 est largement utilisée dans les réseaux fédérateurs et les réseaux métropolitains. La gamme de longueurs d'onde est de 1529 nm à 1567 nm avec un espacement d'environ 0.78 nm. Le nombre de longueurs d'onde peut être de 6, 12, 20, 40, 48 ou 96. Cependant, les modules DWDM sont coûteux et généralement déployés dans des zones où les ressources en fibre sont insuffisantes.
En raison de l'espacement étroit des longueurs d'onde, MWDM nécessite des contrôleurs TEC et des puces de longueur d'onde personnalisées. La chaîne industrielle des puces optiques laser modulées directement (DML) sous-jacentes au LWDM n'est pas encore mature, le coût du laser modulé par électro-absorption (EML) est élevé et le LWDM nécessite un contrôleur TEC. DWDM nécessite un contrôleur TEC et la puce est chère. Seules les ondes CWDM 6 ne nécessitent pas de contrôleurs TEC et disposent de ressources DML abondantes. CWDM 6 est donc reconnu comme la solution la plus rentable pour les opérateurs.
4.2.2 Distance de transmission plus longue
La distance de transmission des modules optiques fronthaul sans fil standard est limitée à 10 km. Avec l'adoption généralisée des déploiements CRAN, des distances de transmission plus longues peuvent être nécessaires sur les réseaux fronthaul convergés. Selon LightCounting, au cours des 5 prochaines années, 3 % de tous les modules à lumière grise nécessiteront des distances de transmission supérieures à 10 km. Cependant, les fournisseurs de l'industrie se concentrent toujours sur les modules optiques de 10 km.
La proportion de différents types de modules de lumière grise
4.2.3 Formes des modules optiques à haute densité
La capacité de communication frontale devra être progressivement augmentée au fur et à mesure du développement de la 5G. Cependant, pour les stations de base sans fil, le port du panneau de la carte de bande de base est fixe. Les fournisseurs d'équipements sans fil doivent trouver des moyens d'améliorer les capacités de réception et de transmission du port.
Les modules optiques Dual Small Form-Factor Pluggable (DSFP) sont une bonne solution. La norme DSFP publiée en 2018 prend en charge un débit maximal de 100 Gbit/s et est principalement utilisée pour les protocoles Ethernet. Il convient également aux scénarios de liaison sans fil eCPRI. Les modules DSFP sont structurellement compatibles avec les modules SFP. Grâce au boîtier intégré à l'intérieur du module DSFP, deux canaux de signal peuvent être transmis, doublant ainsi la capacité de transmission et de réception. Actuellement, les modules SFP 25G sont standard. Cependant, avec la demande croissante de bande passante frontale et le développement de puces de bande de base du côté BBU, davantage de modules DSFP peuvent être nécessaires.
4.2.4 Technologie de couleur-lumière réglable
Le CRAN joue un rôle plus important dans le déploiement de l'infrastructure 5G. D'ici 2020, les trois principaux opérateurs chinois prévoient que CRAN représentera 80 % de l'infrastructure 5G, de sorte que la demande de modules de lumière couleur augmentera. Les modules CWDM à 6 ondes ont été largement déployés car ils sont peu coûteux et faciles à utiliser. Cependant, la configuration de la longueur d'onde nécessite beaucoup de temps et d'efforts lors de la construction et de la maintenance des stations de base. Par conséquent, une technologie de lumière couleur DWDM accordable est proposée.
Les systèmes DWDM accordables ont la même gamme de longueurs d'onde et le même espacement que les systèmes DWDM fixes. La seule différence est que le module DWDM accordable en longueur d'onde prend en charge la configuration automatique de 12 ou 48 longueurs d'onde. Actuellement, la norme DWDM accordable est lancée dans le CCSA et la norme ITU-T G.698.x est en cours de révision. Auparavant, la technologie accordable DWDM était appliquée aux réseaux de transmission, mais elle est beaucoup plus coûteuse que l'onde CWDM6. Par conséquent, l'industrie a travaillé dur pour réduire le coût de cette solution.
5. Solutions optiques sans fil Fronthaul 25G
Les modules de lumière couleur 25G peuvent être divisés en modules 25G CWDM à 6 ondes et 25G DWDM réglables. Les clients peuvent choisir parmi différentes options en fonction de leurs besoins et de leur budget. La gamme complète de modules optiques fronthaul 25G couvre divers scénarios d'application DRAN et CRAN.
5.1 Différents types de modules optiques à lumière grise 25G et CWDM à 6 ondes
Il existe plusieurs types de modules optiques lumière grise 25G et CWDM 6 ondes :
-25G 300m : interface bidirectionnelle bi-fibre
-25G 10km : interface bi-fibre bidirectionnelle
-25G 10km BiDi : interface bidirectionnelle monofibre
-25G 10km CWDM6-wave : interface bidirectionnelle à double fibre ; six modules par ensemble
Tous les modules optiques avec des longueurs d'onde centrales de 1271/1291/1311/1331/1351/1371nm sont conformes aux protocoles SFP28 de SFF-8419 et SFF8472.
Les ports électriques sont conformes à CEI-28G-VSR. La fibre duplex 25G 10 km et les ports optiques BiDi 25G 10 km sont conformes à la norme IEEE 802.3CC 25GBase-LR.
Voici le schéma fonctionnel ci-dessous, y compris DML TOSA, PIN ROSA, transmission CDR, pilote laser, réception LA, réception CDR et contrôleur.
Figure 5-1 Modules optiques 25G 300 m, 10 km et CWDM à 6 ondes
Figure 5-2 Module optique BiDi 25G 10 km
Dans le sens de l'émission, le CDR effectue une récupération d'horloge sur le signal électrique reçu au niveau du connecteur de bord, et le DRV amplifie le signal. Ensuite, le DRV pilote le DML TOSA pour convertir le signal électrique en un signal optique pour la sortie.
Dans le sens de la réception, le signal optique est converti en un signal électrique par le PIN PD, amplifié par le TIA, puis envoyé au LA. Une fois que le CDR a effectué la récupération d'horloge, le connecteur de bord effectue la sortie du signal. Le CWDM à 6 ondes utilise un laser DFB non refroidi. Comparé à d'autres solutions WDM, il est plus économique et consomme moins d'énergie. C'est la solution idéale lorsqu'un grand nombre de longueurs d'onde n'est pas nécessaire.
5.2 Module optique réglable 25G DWDM et DWDM 12 ondes
Il existe deux types de modules optiques 25G DWDM :
-48 longueurs d'onde en bande C sont réglables et prennent en charge une transmission de 10 km
-La longueur d'onde 12 en bande C économique est réglable et prend en charge une transmission de 10 km. Les deux sont conformes aux protocoles SFF-8419 et SFF-8472. Les ports électriques sont conformes à CEI-28G-VSR.
Vous trouverez ci-dessous le schéma fonctionnel comprenant le T-TOSA, le PIN ROSA, le CDR de transmission, le pilote laser, le LA de réception, le CDR de réception et le contrôleur.
Figure 5-3 Module optique 25G DWDM
Dans le sens de l'émission, le CDR effectue une récupération d'horloge sur le signal électrique reçu au niveau du connecteur de bord, et le DRV amplifie le signal. Ensuite, le DRV pilote le TTOSA pour convertir le signal électrique en un signal optique pour la sortie.
Dans le sens de la réception, le signal optique est converti en un signal électrique par le PIN PD, amplifié par le TIA, puis envoyé au LA. Une fois que le CDR a effectué la récupération d'horloge, le connecteur de bord effectue la sortie du signal.
Conclusion
La norme eCPRI explique l'interface frontale 5G. L'interface frontale 25G est conforme au protocole Ethernet et fournit des méthodes d'exploitation et de maintenance riches. De plus, les ressources existantes des modules optiques Ethernet 25G peuvent être réutilisées. L'interface frontale 25G est devenue un standard de l'industrie. Alors que les dépenses en capital pour la construction de stations de base 5G augmentent, les opérateurs recherchent des modules optiques fronthaul 25G plus rentables. Pendant ce temps, les ressources limitées en fibres optiques stimulent la demande de modules de lumière couleur. Après des décennies d'investissement et d'innovation dans le domaine de l'optoélectronique, Fiber Mall a lancé une solution complète de modules optiques conventionnels et WDM 25G pour construire la diversification de la communication sans fil 5G.
