O 5G foi lançado em 2019 e teve um rápido crescimento na Ásia, América do Norte e Europa. A GSMA prevê que as conexões 5G continuarão a crescer nos próximos cinco anos e as conexões chegarão a 500 milhões até 2025.
As operadoras globais investirão cerca de US$ 1.1 trilhão em comunicações móveis entre 2020 e 2025, dos quais cerca de 80% serão gastos em despesas de capital 5G.
Figura 1-2 Despesas de capital em comunicações móveis
2. A interface frontal sem fio 5G requer uma taxa mínima de 25 Gbit/s
A comunicação sem fio 5G requer mais recursos de espectro do que a 4G para banda larga móvel aprimorada (eMBB), comunicação ultraconfiável e de baixa latência (URLLC) e Internet das coisas em massa (mIoT).
Atualmente, o 5G usa um espectro inferior a 6GHz FR1, que suporta uma largura de banda máxima de 100Mbit/s, cinco vezes maior que o 4G LTE. O protocolo Common Public Radio Interface (CPRI) requer pelo menos 100 Gbit/s de canais fronthaul quando houver 64 canais e uma largura de banda de 100 MHz. No entanto, em 2017, a indústria não está preparada para módulos ópticos de 100 Gbit/s. Portanto, o protocolo Enhanced CPRI (eCPRI) foi desenvolvido.
Figura 2-1 Diferentes modos de divisão de eCPRI
O protocolo eCPRI define vários modos de divisão. Interfaces em camadas de protocolo mais altas requerem menor largura de banda de transmissão. No esquema de divisão principal, algumas funções de processamento de sinal da camada física são transmitidas da banda base para o lado da antena, e apenas a taxa de 25 Gbit/s precisa ser obtida da interface fronthaul. Nos últimos anos, a demanda por módulos ópticos de front-haul mainstream evoluiu de 10 Gbit/s na era 4G para 25 Gbit/s na era 5G.
Considerando que as bandas de baixo e médio alcance no espectro sem fio já estão lotadas, o 3GPP alocou bandas de frequência mais altas para o 5G. No entanto, isso resulta em maior perda de sinal. Portanto, a densidade das estações base 5G é maior que a do 4G e os requisitos para módulos ópticos são maiores para garantir uma boa qualidade de comunicação. A LightCounting prevê que os módulos ópticos 25G para fronthaul 5G excederão 50% de todos os módulos ópticos vendidos nos próximos cinco anos.
Figura 2-2 Vendas de módulos ópticos frontais sem fio
Os módulos ópticos 25G são usados principalmente para front-haul sem fio. Portanto, a reutilização de recursos existentes na indústria Ethernet 25GE pode ajudar as operadoras de telecomunicações a reduzir significativamente os custos e aumentar a eficiência das soluções ópticas.
3. Cenário típico de fronthaul sem fio 5G
Arquiteturas típicas para fronthaul sem fio são Distributed RAN (DRAN) ou Centralized RAN (CRAN). No modo CRAN, a BBU está localizada na offgelo. Isso reduz significativamente o espaço e o consumo de energia de equipamentos auxiliares (especialmente condicionadores de ar), resultando em menores CAPEX e OPEX. Além disso, o CBBU constitui um pool de banda base BBU, que pode ser gerenciado centralmente e programado para diferentes necessidades de rede.
Figura 3-1 Sistemas de transporte frontal DRAN e CRAN
Devido à adição de estações base, a construção da rede 5G é muito mais cara que a 4G, e a aquisição de sites é um desafio. Portanto, o CRAN é a primeira escolha para implantação em larga escala.
Figura 3-2 Cenário de implantação de fronthaul 5G
3.2 DRAN
Este é um cenário simples onde o AAU e o DU são implantados a uma distância de 300 km ou menos acima e abaixo da torre, respectivamente. No esquema CRAN, a distância máxima entre as duas unidades é de 10km. Tanto o DRAN quanto o CRAN usam conexões de fibra direta por razões de custo-benefício e manutenção. Nesse caso, é necessário um módulo de luz cinza de 25G.
Figura 3-3 Quatro métodos diferentes de transporte frontal
3.3 ENTALHE
No cenário CRAN, uma conexão de fibra direta requer muitas fibras e cabos. No caso de recursos de fibra insuficientes, o uso de módulos de luz cinza BiDi de 10 km pode reduzir custos, pois exigem metade do número de fibras. Se necessário, os recursos de fibra necessários podem ser ainda mais reduzidos usando equipamentos WDM passivos e WDM semiativos. Neste caso, é necessário um módulo de luz colorida de 25G.
Para uma única macroestação base 5G, um espectro de 100 MHz requer três eCPRI de 25 Gbit/s. Na Ásia, a China Mobile possui 160 MHz de espectro 5G, enquanto a China Telecom e a China Unicom compartilham 200 MHz de espectro 5G. Se a taxa de interface permanecer em 25 Gbit/s, o número de interfaces aumentará de 3 para 6.
Cada estação base macro precisa de seis pares de módulos ópticos 25G para atender aos requisitos de transmissão da interface. Neste caso, você pode usar um conjunto de módulos coloridos de 12 comprimentos de onda (uma fibra por site) ou dois conjuntos de módulos coloridos de 6 comprimentos de onda (duas fibras por site).
Figura 3-4 Duas abordagens diferentes para WDMs passivos de fronthaul 5G
Para resumir, as soluções DRAN e CRAN terão um aumento na demanda por módulos ópticos fronthaul 5G.
4. Diferentes soluções para 25G front-haul
Fundo 4.1
O 5G foi lançado no segundo semestre de 2019 e rapidamente se tornou comercialmente disponível na China. Até o final de fevereiro de 2020, 164,000 estações base 5G foram implantadas. Para lidar com a construção rápida e extensa da estação base, os operadores escolheram módulos coloridos para economizar custos e obter uma comercialização rápida.
Além disso, de acordo com os padrões WDM existentes, diferentes organizações propuseram padrões CWDM, MWDM, LWDM e DWDM. As operadoras da China Mobile também dominam a aquisição direta de módulos ópticos CWDM.
4.2 Tendências Tecnológicas
4.2.1 Reutilize os recursos existentes da indústria 10G/25G
O módulo de luz cinza 25G utiliza os recursos existentes na tecnologia original de 10 Gbit/s:
-Módulo SR de 300m usa laser de emissão de superfície de cavidade vertical de 850nm (VCSEL);
- - O módulo LR de 10 km usa laser de feedback distribuído (DFB) de 1310 nm;
- -O módulo BiDi de 10 km usa um laser DFB (1330 nm upstream, 1270 nm downstream).
- Chips comerciais com esses comprimentos de onda estão prontamente disponíveis. Alguns fornecedores de chips também podem offer chips industriais adequados para aplicações de fronthaul sem fio.
Com base no princípio de reutilização do padrão WDM, a indústria está discutindo várias soluções para módulos de luz colorida 25G. O padrão CWDM é definido em ITU-T G.694.2. Existem 18 módulos CWDM com espaçamento de comprimento de onda de 20nm montados diretamente na DU e AAU e usando um multiplexador/demultiplexador CWDM externo. Em um cenário de fronthaul sem fio com três canais, são necessários seis comprimentos de onda, preferencialmente CWDM 6 ondas (1271, 1291, 1311, 1331, 1351 e 1371 nm).
Como os primeiros quatro comprimentos de onda são os mesmos do DML de 4 ondas CWDM no data center, os fornecedores de chips precisam desenvolver apenas para temperaturas industriais e os dois últimos comprimentos de onda. Para seis canais, são necessários 12 comprimentos de onda. Duas ondas CWDM 6 e duas fibras podem ser selecionadas para transmissão, ou ondas CWDM 12 e uma fibra podem ser selecionadas adicionando os últimos seis comprimentos de onda 1471/1491/1511/1531/1551/1571.
Figura 4-1 comprimento de onda da CWDM
MWDM é um padrão CCSA proposto no final de 2019. No MWDM, cada comprimento de onda padrão das 6 ondas CWDM é estendido por um resfriador termoelétrico (TEC) para obter 12 comprimentos de onda que não são igualmente espaçados.
Figura 4-2 comprimentos de onda do MWDM
Em comparação com o CWDM de 6 ondas, a solução MWDM de 12 ondas requer a adição de TEC ao conjunto óptico e a adição de drivers TEC ao circuito do módulo.
O espaçamento de canal da tecnologia LAN-WDM é de 800 GHz (cerca de 4.4 nm). Mais comprimentos de onda podem ser obtidos na banda O com pouca perda de dispersão. O IEEE 802.3 define a interface 400GE LR8 baseada em LAN-WDM. Os últimos quatro comprimentos de onda são para 100G LR4, portanto, a indústria pode suportar facilmente os últimos quatro comprimentos de onda. Se estendido para 12 comprimentos de onda, o CCSA adicionará quatro comprimentos de onda aos 8 comprimentos de onda LAN-WDM para formar as 12 ondas LWDM. A única diferença entre as ondas LWDM12 e MWDM é o chip óptico.
Figura 4-3 comprimentos de onda do LWDM
A tecnologia DWDM baseada em ITU-T G.698.4 é amplamente utilizada em redes de backbone e redes de área metropolitana. A faixa de comprimento de onda é de 1529 nm a 1567 nm com um espaçamento de cerca de 0.78 nm. O número de comprimentos de onda pode ser 6, 12, 20, 40, 48 ou 96. No entanto, os módulos DWDM são caros e geralmente implantados em áreas com recursos de fibra insuficientes.
Devido ao espaçamento de comprimento de onda estreito, o MWDM requer controladores TEC e chips de comprimento de onda personalizados. A cadeia da indústria de chips ópticos de laser modulado diretamente (DML) subjacente ao LWDM ainda não está madura, o custo do laser modulado de eletroabsorção (EML) é alto e o LWDM requer um controlador TEC. O DWDM requer um controlador TEC e o chip é caro. Apenas as ondas CWDM 6 não requerem controladores TEC e possuem recursos DML abundantes, portanto o CWDM 6 é reconhecido como a solução mais econômica para as operadoras.
4.2.2 Maior distância de transmissão
A distância de transmissão dos módulos ópticos fronthaul sem fio padrão é limitada a 10 km. Com a ampla adoção de implantações de CRAN, podem ser necessárias distâncias de transmissão mais longas em redes fronthaul convergentes. De acordo com a LightCounting, nos próximos 5 anos, 3% de todos os módulos de luz cinza exigirão distâncias de transmissão superiores a 10 km. No entanto, os fornecedores da indústria ainda estão se concentrando em módulos ópticos de 10 km.
A proporção de diferentes tipos de módulos de luz cinza
4.2.3 Formas de módulos ópticos de alta densidade
A capacidade de comunicação Fronthaul precisará ser aumentada gradualmente à medida que o 5G se desenvolver. No entanto, para estações base sem fio, a porta do painel da placa de banda base é fixa. Os fornecedores de equipamentos sem fio precisam encontrar maneiras de melhorar os recursos de recepção e transmissão da porta.
Os módulos ópticos DSFP (Dual Small Form-Factor Pluggable) são uma boa solução. O padrão DSFP lançado em 2018 suporta uma taxa máxima de 100 Gbit/s e é usado principalmente para protocolos Ethernet. Também é adequado para cenários de fronthaul eCPRI sem fio. Os módulos DSFP são estruturalmente compatíveis com os módulos SFP. Através do pacote integrado dentro do módulo DSFP, dois canais de sinal podem ser transmitidos, duplicando assim a capacidade de transmissão e recepção. Atualmente, os módulos 25G SFP são padrão. No entanto, com a crescente demanda por largura de banda fronthaul e o desenvolvimento de chips de banda base no lado BBU, mais módulos DSFP podem ser necessários.
4.2.4 Tecnologia Color-Light Ajustável
O CRAN desempenha um papel maior na implantação da infraestrutura 5G. Até 2020, as três principais operadoras da China prevêem que o CRAN será responsável por 80% da infraestrutura 5G, portanto, a demanda por módulos de luz colorida aumentará. Os módulos CWDM de 6 ondas têm sido amplamente implantados porque são baratos e fáceis de usar. No entanto, a configuração do comprimento de onda requer muito tempo e esforço durante a construção e manutenção das estações base. Portanto, é proposta uma tecnologia de luz colorida DWDM ajustável.
Os sistemas DWDM sintonizáveis têm a mesma faixa de comprimento de onda e espaçamento que os sistemas DWDM fixos. A única diferença é que o módulo DWDM ajustável por comprimento de onda suporta a configuração automática de 12 ou 48 comprimentos de onda. Atualmente, o padrão DWDM ajustável é lançado no CCSA e o padrão ITU-T G.698.x está em revisão. Antes, a tecnologia ajustável DWDM era aplicada às redes de transmissão, mas é muito mais cara que a onda CWDM6. Por isso, a indústria tem trabalhado arduamente para reduzir o custo desta solução.
5. Soluções ópticas sem fio Fronthaul 25G
Os módulos de luz colorida 25G podem ser divididos em módulos 25G CWDM de 6 ondas e módulos 25G DWDM ajustáveis. Os clientes podem escolher entre diferentes opções, dependendo de suas necessidades e orçamento. A gama completa de módulos ópticos fronthaul 25G abrange vários cenários de aplicação DRAN e CRAN.
5.1 Diferentes tipos de módulos ópticos 25G de luz cinza e CWDM de 6 ondas
Existem vários tipos de módulos ópticos de luz cinza 25G e CWDM de 6 ondas:
-25G 300m: interface bidirecional de fibra dupla
-25G 10km: interface bidirecional de fibra dupla
-25G 10km BiDi: interface bidirecional de fibra única
-25G 10km CWDM6-wave: interface bidirecional de fibra dupla; seis módulos por conjunto
Todos os módulos ópticos com comprimentos de onda centrais de 1271/1291/1311/1331/1351/1371nm estão em conformidade com os protocolos SFP28 de SFF-8419 e SFF8472.
As portas elétricas estão em conformidade com CEI-28G-VSR. A fibra duplex 25G 10km e as portas ópticas 25G 10km BiDi estão em conformidade com IEEE 802.3CC 25GBase-LR.
Aqui está o diagrama de blocos funcional abaixo, incluindo DML TOSA, PIN ROSA, CDR de transmissão, driver de laser, LA de recepção, CDR de recepção e controlador.
Figura 5-1 Módulos ópticos de 25 ondas 300G 10m, 6km e CWDM
Figura 5-2 Módulo óptico 25G 10km BiDi
Na direção de transmissão, o CDR realiza a recuperação do clock no sinal elétrico recebido no conector de borda, e o DRV amplifica o sinal. Em seguida, o DRV aciona o DML TOSA para converter o sinal elétrico em um sinal óptico para saída.
Na direção de recepção, o sinal óptico é convertido em sinal elétrico pelo PIN PD, amplificado pelo TIA, e então enviado para o LA. Depois que o CDR executa a recuperação do relógio, o conector de borda executa a saída do sinal. O CWDM de 6 ondas usa um laser DFB não resfriado. Comparado com outras soluções WDM, é mais econômico e com menor consumo de energia. Esta é a solução ideal quando um grande número de comprimentos de onda não é necessário.
5.2 Módulo óptico 25G DWDM e DWDM de 12 ondas sintonizáveis
Existem dois tipos de módulos ópticos 25G DWDM:
-48 comprimentos de onda na banda C são sintonizáveis e suportam transmissão de 10 km
-C-band 12 comprimentos de onda de baixo custo é ajustável e suporta transmissão de 10 km. Ambos estão em conformidade com os protocolos SFF-8419 e SFF-8472. As portas elétricas estão em conformidade com CEI-28G-VSR.
Abaixo está o diagrama de bloco funcional incluindo T-TOSA, PIN ROSA, transmissão CDR, driver de laser, recepção LA, recepção CDR e controlador.
Figura 5-3 Módulo óptico 25G DWDM
Na direção de transmissão, o CDR realiza a recuperação do clock no sinal elétrico recebido no conector de borda, e o DRV amplifica o sinal. Em seguida, o DRV aciona o TTOSA para converter o sinal elétrico em um sinal óptico para saída.
Na direção de recepção, o sinal óptico é convertido em sinal elétrico pelo PIN PD, amplificado pelo TIA, e então enviado para o LA. Depois que o CDR executa a recuperação do relógio, o conector de borda executa a saída do sinal.
Figura 5-4 Sinal Modulado
Conclusão
O padrão eCPRI é exposto na interface 5G fronthaul. A interface fronthaul 25G está em conformidade com o protocolo Ethernet e oferece métodos avançados de operação e manutenção. Além disso, os recursos existentes dos módulos ópticos Ethernet 25G podem ser reutilizados. A interface fronthaul 25G tornou-se um padrão da indústria. À medida que as despesas de capital para a construção da estação base 5G aumentam, as operadoras procuram módulos ópticos fronthaul 25G mais econômicos. Enquanto isso, recursos limitados de fibra óptica impulsionam a demanda por módulos de luz colorida. Após décadas de investimento e inovação no campo da optoeletrônica, a Fiber Mall lançou uma solução completa de módulos ópticos convencionais e WDM de 25G para construir a diversificação da comunicação sem fio 5G.
