Rede portadora 5G: suas tendências de tecnologia de módulos ópticos

Em 2019, a tecnologia de comunicação móvel (5G) de quinta geração foi offcialmente lançado para uso comercial. Em 2020, redes 5G e data centers foram identificados como os principais conteúdos da construção de novas infraestruturas. Em 2021, o mundo aumentou a construção de redes 5G e redes ópticas gigabit para enriquecer os cenários de aplicação. 5G, data centers, redes de acesso totalmente ópticas e outras tecnologias e indústrias relacionadas estão se desenvolvendo rapidamente. Os módulos ópticos são os blocos de construção básicos das redes portadoras 5G, interconexão de data centers e redes de acesso totalmente ópticas, cuja principal função é realizar a conversão bidirecional entre luz e eletricidade. Nos últimos anos, com o aumento gradual da velocidade, o custo dos módulos ópticos nos equipamentos do sistema continuou aumentando. Os transceptores ópticos tornaram-se o elemento-chave da alta largura de banda, ampla cobertura, baixo custo e baixo consumo de energia em vários campos de aplicação.

• Requisitos da rede portadora 5G para módulos ópticos 

O módulo óptico front-haul é uma parte importante do portador físico do link CPRI que conecta a unidade de banda base (BBU) e a unidade de rádio remota (RRU)/unidade de antena ativa (AAU). De 1.25 Gb/s na era 2G para 2.5 Gb/s na era 3G, e depois para 6/10 Gb/s na era 4G, a taxa de módulos ópticos do portador continuou a evoluir e as distâncias de transmissão incluem principalmente 300m, 1.4km e 10km. Com o advento da era 5G, o número de antenas AAU aumentou 8 vezes de 8T/8R para 64T/64R, e a largura de banda da interface aérea aumentou de 20MHz para 100MHz. Se o esquema de segmentação CPRI for mantido, o requisito de largura de banda aumentará em 40 vezes de 10 Gb/s para 400 Gb/s.

Para reduzir a pressão da largura de banda, a indústria adota a solução de segmentação eCPRI e implanta parte da BBU na AAU, reduzindo assim o requisito de largura de banda entre a BBU e a AAU. Tomando a largura de banda de interface aérea de 100 MHz e 64T/64R como exemplo, o requisito de largura de banda para uma interface única de 5G front-haul caiu para 25Gb/s, o que pode ser efetivamente suportado pela multiplexação da cadeia industrial de Ethernet madura.

No estágio inicial da implantação do 5G, as operadoras centralizarão o BBU para reduzir os requisitos de recursos das salas de equipamentos, alcançando assim uma implantação rápida e em escala. No entanto, o cenário da rede de acesso de rádio centralizada (CRAN) consome muito da fibra do backbone. A indústria, portanto, propõe CWDM de 6 comprimentos de onda, LWDM/MWDM de 12 comprimentos de onda, DWDM de 48 comprimentos de onda e outras soluções WDM baseadas em 25 Gb/s para convergir e economizar recursos de fibra.

Com a evolução do 5G, as versões subsequentes (Rel 17/Rel 18) se concentrarão em sub 10GHz, comprimento de onda milimétrico e outras bandas de frequência. Se o número de antenas e a largura de banda da interface aérea forem aumentados, 50 Gb/s e módulos ópticos de taxa mais alta serão necessários para atender aos requisitos de largura de banda de front-hauls.

Figura 1: Evolução dos requisitos do portador de fronthaul 5G

Atualmente, a indústria está explorando ativamente as soluções de módulos ópticos fronthaul, de alta velocidade e econômicos de próxima geração que podem atender aos requisitos de temperatura da classe industrial de front-haul e garantir confiabilidade a longo prazo por mais de dez anos. Os requisitos potenciais são mostrados na Tabela 1.

tabela 1: Demanda potencial para o novo fronthaul 5G módulos ópticos

As camadas de acesso midhaul e backhaul 5G são geralmente dominadas por uma topologia em anel, e os requisitos típicos de largura de banda da rede de acesso de rádio distribuído (DRAN) são: 10/25/50 Gb/s; Os requisitos típicos de largura de banda CRAN são 50/100 Gb/s. Com o amadurecimento crescente de 400Gb / s Soluções técnicas de módulos ópticos de 30/40 km e a evolução dos módulos ópticos de 800 Gb/s, o próximo estágio dos módulos ópticos de midhaul e backhaul 5G enfrentará mais opções de novas soluções.

mesa 2: Demanda potencial para o novo 5G médioarrastamento e backhaul módulos ópticos

A longo prazo, com o avanço contínuo da pesquisa de tecnologia 6G e exploração de aplicativos, a capacidade de fronthaul 6G pode ser bastante aprimorada. O 6G será ainda mais integrado à computação em nuvem, big data e inteligência artificial, e haverá uma grande melhoria na dimensão e amplitude das conexões sem fio, que podem suportar transmissão de vídeo de largura de banda ultra alta, IoT industrial de latência ultrabaixa ( Internet das coisas), a interconexão do ar, espaço e terra e outros cenários de aplicação.

O desempenho do sistema precisa suportar taxa de pico de 1 Tb/s e taxa de experiência do usuário de 1 Gb/s, latência ultrabaixa de 0.1 ms e comunicação de alta velocidade, utilização de espectro ultra-alta, etc. demanda de transmissão da rede de acesso sem fio 5G pode ser aumentada em cem vezes. Considerando novos requisitos, como a integração de ar, espaço e solo, espera-se que a capacidade de fronthaul precise ser aumentada em dezenas de vezes.

• Soluções técnicas de módulos ópticos 5G e hotspots de padronização

Módulo óptico ajustável em comprimento de onda de 25 Gb/s

(1) banda C

Os cenários de aplicação de módulos ópticos sintonizáveis ​​de comprimento de onda de banda C de 25 Gb/s são baseados principalmente em fronthaul de 5G. Os cenários de aplicação da rede metropolitana (MAN) adotam principalmente uma taxa de 10 Gb/s, e a viabilidade de evolução para uma taxa de 25 Gb/s será discutida em um futuro próximo. O módulo óptico ajustável em comprimento de onda de 25 Gb/s precisa suportar a função de adaptação automática de comprimento de onda, que pode ser realizada através do mecanismo de canal de mensagem especificado em ITU-T G.698.4.

Existem muitos esquemas de implementação para tecnologia de comprimento de onda ajustável, incluindo matriz de feedback distribuído (DFB), reflexão de Bragg distribuída (DBR), DBR supermodo digital (DS DBR), laser tipo Y de grade modulada (ramificação MG-Y), grade de amostragem DBR (SG DBR), laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL), laser de cavidade externa (ECL), cavidade de micro-anel óptico de silício e cavidade de acoplamento em forma de V, etc. Esses esquemas adotam principalmente controle de temperatura, controle de corrente e mecânica ao controle. A comparação técnica é mostrada na Tabela 3.

Tabela 3: Comparação de técnicas de ajuste de comprimento de onda

Em termos de faixa de sintonia de comprimento de onda, ela pode ser dividida em banda C totalmente sintonizável e banda C de banda estreita parcialmente sintonizável; Em termos de formato de modulação, pode ser dividido em tecnologia de comprimento de onda ajustável baseada em EML e MZM. É conveniente para a EA obter integração monolítica com chip a laser, e o MZM pode atingir uma taxa de extinção mais alta e pode ser controlado de forma flexível.

Em termos de esquema de recebimento, ele pode ser dividido em recebimento de PIN e recebimento de APD; No aspecto dos tipos de interface de módulo óptico, ele pode ser dividido em bidirecional de fibra única e bidirecional de fibra dupla, usando diferentes DWDM MUX/DEMUX.

Em termos de padronização, os padrões da indústria para módulos ópticos DWDM de 25Gb/s e requisitos técnicos do sistema DWDM N×25Gb/s já estão em processo de aprovação e serão divulgados em breve. A série internacional de padrões ITU-T G.698.x está sendo revisada. Atualmente, os principais parâmetros, como excursão de espectro e ondulações, estão em discussão, e a revisão da norma deverá ser concluída em 2022.

Em termos de implantação de aplicativos, muitos fabricantes como Nokia, Ericsson, Samsung, HW, ZTE, II-VI e FiberMall podem fornecer amostras de módulos ópticos sintonizáveis ​​de comprimento de onda de banda C de 25 Gb/s. O 25Gb / s O DWDM de front-haul desses fabricantes de equipamentos coletados e testados em laboratórios está sendo testado atualmente na rede existente.

(2) banda O

O módulo óptico ajustável em comprimento de onda de banda O de 25 Gb/s é usado principalmente no Fronthaul 5G campo. O planejamento de comprimento de onda de 12 canais é mostrado na Figura 2. Os comprimentos de onda de intervalo são reservados entre os canais 1 ~ 6 e os canais 7 ~ 12, o que é propício para o isolamento dos canais uplink e downlink. O espaçamento de 400 GHz pode reduzir bastante a dificuldade de fabricação em comparação com o espaçamento de 100/50 GHz usado pelo DWDM.

Figura 2: planejamento de comprimento de onda da banda O de 12 canais

O diagrama de bloco funcional do módulo óptico ajustável de comprimento de onda de banda O de 25 Gb/s é mostrado na Figura 3. O componente óptico ajustável do TOSA precisa usar TEC para estabilização de temperatura e ajustar a saída de comprimento de onda alterando o tamanho da corrente fonte aplicada a IP e IF. PD1 e PD2 são usados ​​para detectar a fotocorrente relevante, e o comprimento de onda da luz de saída é bloqueado pela estabilização da relação de PD1 e PD2. O módulo óptico pode ser embalado em SFP28, e o tipo de interface óptica pode realizar bidirecional de fibra única ou bidirecional de fibra dupla de acordo com as necessidades.

Figura 3: Diagrama Funcional do Módulo Óptico

O custo do módulo óptico ajustável se reflete principalmente no componente óptico DBR ajustável, que responde por mais de 80% do custo total. Ele pode ser dividido no fator de forma BOX e no fator de forma coaxial TO. O primeiro tem melhor desempenho de alta frequência e tamanho menor, mas custo mais alto. Os moduladores ópticos incluem principalmente a modulação direta EAM, MZM e DML. Dentre eles, o MZM tem o maior custo e o EAM o médio. A modulação direta DML tem o custo mais baixo, mas seu desempenho de alta frequência é relativamente ruim, e a qualidade do diagrama de olho e a distância de transmissão são limitadas.

O custo é um tópico mais sensível no campo de fronthaul 5G. Sob a premissa de atender às condições de aplicação, é de extrema importância otimizar a seleção de soluções técnicas para o módulo. Por exemplo, em termos de planejamento de comprimento de onda, considerando que a faixa de ajuste de comprimento de onda do chip óptico DBR sintonizável em banda O é de cerca de dez nanômetros, 12 canais de comprimento de onda com espaçamento de canal de 400 GHz podem ser usados ​​para levar em consideração cenários de aplicação e custos de fabricação. Além disso, a embalagem coaxial TO pode ser usada para cooperar com a modulação direta DML para reduzir custos.

O módulo óptico ajustável em comprimento de onda de banda O de 25 Gb/s envolve muitas dificuldades técnicas, como o desenvolvimento e a produção em massa de chips de laser ajustáveis ​​em comprimento de onda; embalagem de matriz DBR de pequeno volume com refrigeração e design de componentes ópticos; bloqueio de comprimento de onda DBR de baixo custo e monitoramento de potência óptica, estabilização, mecanismo de ajuste; o desempenho e a confiabilidade do mecanismo de tom piloto; o desenvolvimento e confiabilidade do protocolo de comunicação entre módulos ópticos fim-a-fim; a realização de baixo consumo de energia e dissipação de calor do módulo óptico ajustável em comprimento de onda com temperatura industrial; calibração de comprimento de onda em lote de baixo custo, testes e métodos de produção para os módulos ópticos ajustáveis ​​por comprimento de onda.

Em termos de exploração de aplicativos, o módulo óptico ajustável de comprimento de onda de banda O de 25 Gb/s está atualmente em fase de projeto e desenvolvimento. Espera-se que produza protótipos e amostras α em 2022. Produzirá amostras β e realizará sua produção em pequena escala em 2023. A aplicação específica no futuro dependerá da avaliação abrangente da indústria do programa fronthaul.

• Resumo

Com o avanço contínuo da construção 5G em etapas e o desenvolvimento vigoroso de data centers e redes de acesso totalmente ópticas, novos requisitos de aplicação para módulos ópticos continuam a surgir, e a tecnologia de módulo óptico de rede portadora 5G tem se tornado cada vez mais o foco da indústria. O grupo de trabalho de suporte 5G continuará a fortalecer a cooperação com a indústria, focar no consenso e promover conjuntamente a pesquisa, teste e avaliação das principais tecnologias para módulos ópticos de suporte 5G e a formulação de padrões e especificações, de modo a facilitar a desenvolvimento saudável e ordenado da indústria de tecnologia de módulo óptico de portador 5G e apoiar fortemente a construção 5G.