5G был запущен в 2019 году и быстро растет в Азии, Северной Америке и Европе. GSMA прогнозирует, что количество подключений 5G будет продолжать расти в течение следующих пяти лет, и к 500 году количество подключений достигнет 2025 миллионов.
Глобальные операторы инвестируют около 1.1 трлн долларов в мобильную связь в период с 2020 по 2025 год, из которых около 80% будут потрачены на капиталовложения в 5G.
Рисунок 1-2 Капитальные затраты на мобильную связь
2. Беспроводной передний интерфейс 5G требует минимальной скорости 25 Гбит/с.
Беспроводная связь 5G требует больше ресурсов спектра, чем 4G, для расширенной мобильной широкополосной связи (eMBB), сверхнадежной связи с малой задержкой (URLLC) и массового Интернета вещей (mIoT).
В настоящее время 5G использует спектр ниже 6 ГГц FR1, который поддерживает максимальную пропускную способность 100 Мбит/с, что в пять раз больше, чем у 4G LTE. Протокол Common Public Radio Interface (CPRI) требует не менее 100 Гбит/с передних каналов при наличии 64 каналов и полосы пропускания 100 МГц. Однако в 2017 году отрасль не готова к оптическим модулям 100 Гбит/с. Поэтому был разработан протокол Enhanced CPRI (eCPRI).
Рисунок 2-1 Различные режимы разделения eCPRI
Протокол eCPRI определяет несколько режимов разделения. Интерфейсы на более высоких уровнях протокола требуют меньшей полосы пропускания. В основной схеме разделения некоторые функции обработки сигналов физического уровня передаются из основной полосы частот на сторону антенны, и от переднего интерфейса требуется получить только скорость 25 Гбит/с. В последние годы потребность в основных оптических модулях для фронтальных сетей выросла с 10 Гбит/с в эпоху 4G до 25 Гбит/с в эпоху 5G.
Учитывая, что диапазоны низких и средних частот в беспроводном спектре уже переполнены, 3GPP выделила более высокие полосы частот для 5G. Однако это приводит к более высоким потерям сигнала. Поэтому плотность базовых станций 5G выше, чем у 4G, и требования к оптическим модулям выше для обеспечения хорошего качества связи. LightCounting прогнозирует, что оптические модули 25G для фронтальных сетей 5G превысят 50% всех оптических модулей, проданных в ближайшие пять лет.
Рис. 2-2 Продажи беспроводных передних оптических модулей
Оптические модули 25G в основном используются для беспроводной связи. Таким образом, повторное использование существующих ресурсов в отрасли 25GE Ethernet может помочь операторам связи значительно снизить затраты и повысить эффективность оптических решений.
3. Типичный сценарий беспроводной сети 5G Fronthaul
Типичными архитектурами для беспроводного переднего соединения являются распределенная RAN (DRAN) или централизованная RAN (CRAN). В режиме CRAN блок BBU располагается в центральном offлед. Это значительно сокращает пространство и энергопотребление вспомогательного оборудования (особенно кондиционеров), что приводит к снижению капитальных и эксплуатационных расходов. Кроме того, CBBU представляет собой пул базовых полос BBU, которым можно централизованно управлять и планировать для различных потребностей сети.
Рис. 3-1 Передние системы DRAN и CRAN
Из-за добавления базовых станций строительство сети 5G обходится намного дороже, чем 4G, а приобретение площадок затруднено. Таким образом, CRAN — лучший выбор для крупномасштабного развертывания.
Рис. 3-2 Сценарий развертывания 5G Fronthaul
3.2 ДРАН
Это простой сценарий, когда AAU и DU развернуты на расстоянии до 300 км выше и ниже башни соответственно. В схеме CRAN максимальное расстояние между двумя блоками составляет 10 км. И DRAN, и CRAN используют прямые оптоволоконные соединения из соображений экономичности и технического обслуживания. В этом случае требуется модуль серого света 25G.
Рис. 3-3. Четыре различных метода прямой передачи
3.3 ВЫРЕЗКА
В сценарии CRAN для прямого оптоволоконного соединения требуется много волокон и кабелей. В случае нехватки оптоволоконных ресурсов использование 10-километровых модулей BiDi серого света может снизить затраты, поскольку для них требуется вдвое меньше волокон. При необходимости требуемые ресурсы оптоволокна могут быть дополнительно сокращены за счет использования оборудования пассивного WDM и полуактивного WDM. В этом случае требуется модуль цветного света 25G.
Для одной макробазовой станции 5G для одного спектра 100 МГц требуется три eCPRI со скоростью 25 Гбит/с. В Азии China Mobile владеет 160 МГц спектра 5G, а China Telecom и China Unicom делят 200 МГц спектра 5G. Если скорость интерфейса останется на уровне 25 Гбит/с, количество интерфейсов увеличится с 3 до 6.
Каждой макробазовой станции требуется шесть пар оптических модулей 25G для удовлетворения требований к передаче интерфейса. В этом случае можно использовать набор 12-волновых цветных модулей (по одному волокну на сайт) или два набора 6-волновых цветных модулей (по два волокна на сайт).
Рис. 3-4. Два разных подхода к пассивным WDM-модулям 5G Fronthaul.
Подводя итог, можно сказать, что в решениях DRAN и CRAN возникнет всплеск спроса на передние оптические модули 5G.
4. Различные решения для фронтальной сети 25G.
История 4.1
5G был выпущен во второй половине 2019 года и быстро стал коммерчески доступным в Китае. К концу февраля 2020 года было развернуто 164,000 5 базовых станций XNUMXG. Чтобы справиться с быстрым и обширным строительством базовых станций, операторы выбрали цветные модули, чтобы сократить расходы и добиться быстрой коммерциализации.
Кроме того, в соответствии с существующими стандартами WDM различные организации предложили стандарты CWDM, MWDM, LWDM и DWDM. Операторы мобильной связи Китая также доминируют в прямых закупках оптических модулей CWDM.
Технологические тенденции 4.2 года
4.2.1 Повторное использование существующих отраслевых ресурсов 10G/25G
Модуль серого света 25G использует существующие ресурсы оригинальной технологии 10 Гбит/с:
-300-метровый модуль SR использует 850-нм поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL);
- - Модуль LR 10 км использует лазер с распределенной обратной связью (DFB) 1310 нм;
- - В модуле BiDi на 10 км используется лазер DFB (1330 нм вверх по течению, 1270 нм вниз по потоку).
- Коммерческие чипы с такими длинами волн легко доступны. Некоторые поставщики микросхем также могут offпромышленные чипы, подходящие для беспроводных передовых приложений.
Основываясь на принципе повторного использования стандарта WDM, в отрасли обсуждаются различные решения для цветно-световых модулей 25G. Стандарт CWDM определен в ITU-T G.694.2. Имеется 18 модулей CWDM с разносом длин волн 20 нм, установленных непосредственно на DU и AAU и использующих внешний мультиплексор/демультиплексор CWDM. В сценарии беспроводной прямой передачи с тремя каналами требуется шесть длин волн, предпочтительно 6 волн CWDM (1271, 1291, 1311, 1331, 1351 и 1371 нм).
Поскольку первые четыре длины волны такие же, как у 4-волнового DML CWDM в центре обработки данных, производителям микросхем необходимо разрабатывать только для промышленных температур и последних двух длин волн. Для шести каналов требуется 12 длин волн. Для передачи можно выбрать две волны CWDM 6 и два волокна или можно выбрать 12 волн CWDM и одно волокно, добавив последние шесть длин волн 1471/1491/1511/1531/1551/1571.
Рисунок 4-1 Длина волны CWDM
MWDM — это стандарт CCSA, предложенный в конце 2019 года. В MWDM каждая стандартная длина волны волн CWDM 6 расширяется с помощью термоэлектрического охладителя (TEC) для получения 12 длин волн, расположенных неравномерно друг от друга.
Рисунок 4-2 Длина волны МВДМ
По сравнению с 6-волновым CWDM, 12-волновое решение MWDM требует добавления TEC в оптическую сборку и добавления драйверов TEC в схему модуля.
Разнос каналов технологии LAN-WDM составляет 800 ГГц (около 4.4 нм). Больше длин волн можно получить в O-диапазоне с небольшими дисперсионными потерями. IEEE 802.3 определяет интерфейс 400GE LR8 на основе LAN-WDM. Последние четыре длины волны предназначены для 100G LR4, поэтому промышленность может легко поддерживать последние четыре длины волны. При расширении до 12 длин волн CCSA добавит четыре длины волны к 8 длинам волн LAN-WDM, чтобы сформировать волны LWDM 12. Единственная разница между волнами LWDM12 и MWDM заключается в оптическом чипе.
Рисунок 4-3 длины волн LWDM
Технология DWDM на основе ITU-T G.698.4 широко используется в магистральных сетях и городских сетях. Диапазон длин волн составляет от 1529 до 1567 нм с шагом около 0.78 нм. Количество длин волн может быть 6, 12, 20, 40, 48 или 96. Однако модули DWDM дороги и обычно размещаются в районах с недостатком оптоволоконных ресурсов.
Из-за узкого интервала между длинами волн для MWDM требуются контроллеры TEC и специализированные чипы длины волны. Промышленная цепочка оптических чипов лазера с прямой модуляцией (DML), лежащая в основе LWDM, еще не созрела, стоимость лазера с электроабсорбционной модуляцией (EML) высока, а LWDM требует контроллера TEC. Для DWDM требуется контроллер TEC, а чип стоит дорого. Только волны CWDM 6 не требуют контроллеров TEC и имеют богатые ресурсы DML, поэтому CWDM 6 признан наиболее экономичным решением для операторов.
4.2.2 Увеличенное расстояние передачи
Дальность передачи стандартных беспроводных оптических модулей Fronthaul ограничена 10 км. С широким внедрением развертываний CRAN в конвергентных передних сетях могут потребоваться более длинные расстояния передачи. По данным LightCounting, в ближайшие 5 лет 3% всех модулей серого света потребуют расстояния передачи более 10 км. Тем не менее, отраслевые поставщики по-прежнему сосредоточены на 10-километровых оптических модулях.
Доля различных типов серо-светлых модулей
4.2.3 Формы оптических модулей высокой плотности
По мере развития 5G необходимо будет постепенно увеличивать пропускную способность связи Fronthaul. Однако для беспроводных базовых станций порт панели основной полосы частот является фиксированным. Поставщики беспроводного оборудования должны найти способы улучшить приемо-передающие возможности порта.
Двойные оптические модули Small Form-Factor Pluggable (DSFP) — хорошее решение. Стандарт DSFP, выпущенный в 2018 году, поддерживает максимальную скорость 100 Гбит/с и в основном используется для протоколов Ethernet. Он также подходит для беспроводных сценариев eCPRI fronthaul. Модули DSFP структурно совместимы с модулями SFP. Через интегрированный пакет внутри модуля DSFP можно передавать два сигнальных канала, что удваивает пропускную способность передачи и приема. В настоящее время модули 25G SFP являются стандартными. Однако в связи с растущим спросом на пропускную способность переднего участка и развитием чипов основной полосы частот на стороне BBU может потребоваться больше модулей DSFP.
4.2.4 Технология регулируемого цвета и света
CRAN играет большую роль в развертывании инфраструктуры 5G. К 2020 году три основных оператора Китая прогнозируют, что на CRAN будет приходиться 80% инфраструктуры 5G, поэтому спрос на цветные световые модули будет расти. 6-волновые модули CWDM получили широкое распространение, поскольку они недороги и просты в использовании. Однако конфигурация длины волны требует много времени и усилий при строительстве и обслуживании базовых станций. Поэтому предлагается настраиваемая технология цветного света DWDM.
Перестраиваемые системы DWDM имеют тот же диапазон длин волн и интервал между ними, что и фиксированные системы DWDM. Единственное отличие состоит в том, что модуль DWDM с перестройкой длины волны поддерживает автоматическую настройку 12 или 48 длин волн. В настоящее время в CCSA запущен настраиваемый стандарт DWDM, а стандарт ITU-T G.698.x находится на стадии пересмотра. Ранее в сетях передачи применялась настраиваемая технология DWDM, но она намного дороже, чем волна CWDM6. Поэтому промышленность прилагает все усилия, чтобы снизить стоимость этого решения.
5. Оптические решения Wireless Fronthaul 25G
Модули цветного света 25G можно разделить на 25-волновые модули 6G CWDM и регулируемые модули 25G DWDM. Клиенты могут выбирать из различных вариантов в зависимости от своих потребностей и бюджета. Полный спектр оптических модулей 25G Fronthaul охватывает различные сценарии применения DRAN и CRAN.
5.1 Различные типы 25G серого света и 6-волновых оптических модулей CWDM
Существует несколько типов оптических модулей серого света 25G и 6-волновых CWDM:
-25G 300 м: двунаправленный интерфейс с двумя оптоволоконными кабелями
-25G 10 км: двунаправленный интерфейс с двумя оптоволоконными кабелями
-25G 10km BiDi: одноволоконный двунаправленный интерфейс
-25G 10 км CWDM6-wave: двухволоконный двунаправленный интерфейс; шесть модулей в комплекте
Все оптические модули с центральной длиной волны 1271/1291/1311/1331/1351/1371 нм соответствуют протоколам SFP28 SFF-8419 и SFF8472.
Электрические порты соответствуют CEI-28G-VSR. Дуплексное оптоволокно 25G 10 км и оптические порты BiDi 25G 10 км соответствуют стандарту IEEE 802.3CC 25GBase-LR.
Ниже приведена функциональная блок-схема, включающая DML TOSA, PIN ROSA, передающий CDR, лазерный драйвер, принимающий LA, принимающий CDR и контроллер.
Рисунок 5-1 25G 300 м, 10 км и 6-волновые оптические модули CWDM
Рисунок 5-2 Оптический модуль 25G 10 км BiDi
В направлении передачи CDR выполняет восстановление тактовой частоты электрического сигнала, полученного на краевом разъеме, а DRV усиливает сигнал. Затем DRV управляет DML TOSA для преобразования электрического сигнала в оптический сигнал для вывода.
В направлении приема оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал ПИН-ФД, усиливается ТИА и затем отправляется в ЛА. После того, как CDR выполняет восстановление тактовой частоты, пограничный разъем выполняет вывод сигнала. В 6-волновом CWDM используется неохлаждаемый лазер DFB. По сравнению с другими решениями WDM это более экономично и потребляет меньше энергии. Это идеальное решение, когда не требуется большое количество длин волн.
5.2 Перестраиваемый 25-волновой оптический модуль DWDM 12G и DWDM
Существует два типа оптических модулей 25G DWDM:
-48 длин волн в C-диапазоне настраиваются и поддерживают передачу на 10 км
- Экономичная 12-волновая длина волны C-диапазона настраивается и поддерживает передачу на 10 км. Оба соответствуют протоколам SFF-8419 и SFF-8472. Электрические порты соответствуют CEI-28G-VSR.
Ниже представлена функциональная блок-схема, включающая T-TOSA, PIN ROSA, передающий CDR, драйвер лазера, принимающий LA, принимающий CDR и контроллер.
Рисунок 5-3 Оптический модуль 25G DWDM
В направлении передачи CDR выполняет восстановление тактовой частоты электрического сигнала, полученного на краевом разъеме, а DRV усиливает сигнал. Затем DRV управляет TTOSA для преобразования электрического сигнала в оптический сигнал для вывода.
В направлении приема оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал ПИН-ФД, усиливается ТИА и затем отправляется в ЛА. После того, как CDR выполняет восстановление тактовой частоты, пограничный разъем выполняет вывод сигнала.
Рисунок 5-4 Модулированный сигнал
Заключение
Стандарт eCPRI подробно описывает интерфейс 5G Fronthaul. Интерфейс 25G Fronthaul соответствует протоколу Ethernet и предлагает разнообразные методы эксплуатации и обслуживания. Кроме того, можно повторно использовать существующие ресурсы оптических модулей 25G Ethernet. Интерфейс 25G Fronthaul стал отраслевым стандартом. По мере увеличения капитальных затрат на строительство базовых станций 5G операторы ищут более экономичные передние оптические модули 25G. Между тем, ограниченные ресурсы оптического волокна стимулируют спрос на цветные световые модули. После десятилетий инвестиций и инноваций в области оптоэлектроники компания Fiber Mall запустила комплексное решение, состоящее из обычных и оптических модулей 25G и WDM, для диверсификации беспроводной связи 5G.
