文章目錄[隱藏]
蓬勃發(fā)展的5G市場
2019年5G推出，在亞洲，北美和歐洲迅速發(fā)展。GSMA預(yù)測，未來5年5G連接將持續(xù)增長。GSMA預(yù)計(jì)，到2025年，這一數(shù)字將達(dá)到5億。
圖1-1 5G連接預(yù)測
2020年至2025年，全球運(yùn)營商將在移動(dòng)通信領(lǐng)域投資約1.1萬億美元，其中約80％將用于5G資本支出。
圖1-2 移動(dòng)通信中的資本支出
5G無線前傳接口要求最低速率為25Gbit/s
5G無線通信需要比4G更多的頻譜資源，以增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB），超高可靠與低時(shí)延通信（URLLC）以及大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）。
當(dāng)前，5G使用低于6GHz FR1頻譜，該頻譜支持100Mbit/s的最大帶寬，是4G LTE的五倍。當(dāng)有64個(gè)信道且?guī)挒?00MHz時(shí)，公共無線電接口（CPRI）協(xié)議要求前傳信道至少達(dá)到100Gbit/s。但是，在2017年，業(yè)界尚未為100Gbit/s的光模塊做好準(zhǔn)備。因此，開發(fā)了增強(qiáng)型CPRI（eCPRI）協(xié)議。
圖2-1 eCPRI的不同拆分模式
eCPRI協(xié)議定義了多種拆分模式。較高協(xié)議層的接口需要較低的傳輸帶寬。在主流拆分方案中，一些物理層信號處理功能從基帶傳輸?shù)教炀€側(cè)，僅需從前傳接口獲得25Gbit/s的速率。近年來，對主流前傳光模塊的需求已從4G時(shí)代的10Gbit/s演變?yōu)?G時(shí)代的25Gbit/s。
考慮到無線頻譜中的中低頻段已經(jīng)很擁擠，3GPP為5G分配了更高的頻段。但是，這導(dǎo)致更高的信號損耗。因此，為了確保良好的通信質(zhì)量，5G基站密度要比4G更高，以及更高的光模塊要求。LightCounting預(yù)測，在未來五年內(nèi)出售的所有光模塊中，用于5G前傳的25G光模塊將超過50％。
圖2-2 無線前傳光模塊銷量
25G光模塊主要用于無線前傳。因此，重用25GE以太網(wǎng)行業(yè)中的現(xiàn)有資源可以幫助電信運(yùn)營商大幅降低成本并提高光學(xué)解決方案的效率。
典型的5G前傳無線場景
無線前傳的典型體系結(jié)構(gòu)是分布式RAN（DRAN）或集中式RAN（CRAN）。在CRAN模式下，BBU位于中心辦公室中。這顯著減少了輔助設(shè)備（特別是空調(diào)）的空間和功耗，從而降低了資本支出和運(yùn)營支出。此外，集中式BBU構(gòu)成了一個(gè)BBU基帶池，可以對它進(jìn)行集中管理并針對不同的網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行調(diào)度。
圖3-1 DRAN和CRAN前傳系統(tǒng)
由于增加了基站，因此5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本比4G高得多，并且獲取站點(diǎn)具有挑戰(zhàn)性。因此，CRAN是大規(guī)模部署的首選。
圖3-2 5G前傳部署場景
3.2 DRAN
這是一個(gè)簡單的場景，其中AAU和DU分別部署在塔上和塔下300m或更短的距離處。在CRAN方案中，兩個(gè)單元之間的最大距離為10km。考慮到成本效益和維護(hù)，DRAN和CRAN都使用光纖直連。在這種情況下，需要使用25G灰光模塊。
圖3-3 四種不同的前傳方法
3.3 CRAN
在CRAN場景中，光纖直連需要許多光纖和電纜。在光纖資源不足的情況下，使用10km的雙向灰光（BiDi）模塊，因?yàn)樗鼈冃枰墓饫w數(shù)量是原來的一半，因此可以降低成本。如有必要，可以通過使用無源WDM和半有源WDM設(shè)備進(jìn)一步減少所需的光纖資源。在這種情況下，需要使用25G彩光模塊。
對于單個(gè)5G宏基站，一個(gè)100MHz頻譜需要三個(gè)25Gbit/s eCPRI。在中國，中國移動(dòng)擁有160MHz的5G頻譜，而中國電信和中國聯(lián)通則共有200MHz的5G頻譜。如果接口速率保持在25Gbit/s，接口數(shù)量將從3增加到6。
為了滿足接口傳輸要求，每個(gè)宏基站需要六對25G光模塊。在這種情況下，您可以使用一組12個(gè)波長的彩光模塊（每個(gè)站點(diǎn)一根光纖）或兩組6個(gè)波長的彩光模塊（每個(gè)站點(diǎn)兩根光纖）。
圖3-4 5G前傳無源WDM的兩種不同方法
綜上所述，DRAN和CRAN方案都將使對5G前傳光模塊的需求激增。
25G前傳的不同解決方案
4.1背景
2019年下半年5G發(fā)布，并在中國迅速用于商業(yè)用途。到2020年2月底，已經(jīng)部署了164,000個(gè)5G基站。為了應(yīng)對快速而廣泛的基站建設(shè)，運(yùn)營商選擇了彩光模塊，以節(jié)省成本并迅速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
另外，根據(jù)現(xiàn)有的WDM標(biāo)準(zhǔn)，不同的組織提出了CWDM，MWDM，LWDM和DWDM標(biāo)準(zhǔn)。中國移動(dòng)運(yùn)營商還主導(dǎo)了CWDM光模塊的直接采購。
4.2技術(shù)趨勢
4.2.1重用現(xiàn)有的10G/25G行業(yè)資源
25G灰光模塊利用原10Gbit/s技術(shù)中的現(xiàn)有資源：
- 300m SR模塊使用850nm波長的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）；
- 10km LR模塊使用1310nm波長分布式反饋（DFB）激光器；
- 10km BiDi模塊使用DFB激光（上行1330nm，下行1270 nm）。
具有這些波長的商用芯片很容易獲得。一些芯片供應(yīng)商還可以提供適用于無線前傳應(yīng)用的工業(yè)芯片。
基于重用WDM標(biāo)準(zhǔn)的原則，業(yè)界正在討論針對25G彩光模塊的各種解決方案。CWDM標(biāo)準(zhǔn)在ITU-T G.694.2中定義。有18個(gè)波長間隔為20nm的CWDM模塊直接安裝在DU和AAU上，并使用外部CWDM多路復(fù)用器/解復(fù)用器。在具有三個(gè)信道的無線前傳場景中，需要六個(gè)波長，最好是CWDM 6波（1271、1291、1311、1331、1351和1371 nm）。由于前四個(gè)波長與數(shù)據(jù)中心的CWDM 4波DML波長相同，因此芯片供應(yīng)商僅需要針對工業(yè)溫度和后兩個(gè)波長進(jìn)行開發(fā)。對于六個(gè)通道，需要12個(gè)波長?？梢赃x擇兩個(gè)CWDM6波和兩根光纖進(jìn)行傳輸，或者可以選擇CWDM12波和一根光纖，方法是將最后六個(gè)波長1471/1491/1511/1531/1551/1571相加。
圖4-1 CWDM波長
MWDM是在2019年底提出的CCSA標(biāo)準(zhǔn)。在MWDM中，通過半導(dǎo)體制冷片（TEC）擴(kuò)展CWDM6波的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長，以獲得不等間距的12個(gè)波長。
圖4-2 MWDM波長
與CWDM6波相比，MWDM12波解決方案需要將TEC添加到光學(xué)組件中，并將TEC驅(qū)動(dòng)器添加到模塊電路中。
LAN-WDM技術(shù)的信道間隔為800GHz（約4.4nm）。在O波段中可以獲得更多的波長，而色散損失很小。IEEE802.3基于LAN-WDM定義了400GE LR8接口。最后四個(gè)波長用于100G LR4。因此，該行業(yè)可以很容易地支持最后四個(gè)波長。如果擴(kuò)展到12個(gè)波長，CCSA將在8個(gè)LAN-WDM波長上增加四個(gè)波長以形成LWDM12波。LWDM12波和MWDM之間的唯一區(qū)別是光學(xué)芯片。
圖4-3 LWDM波長
DWDM技術(shù)基于ITU-T G.698.4，廣泛用于骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)。波長范圍為1529nm至1567nm，間距約為0.78nm。波長的數(shù)量可以是6、12、20、40、48或96。但是，DWDM模塊價(jià)格昂貴，通常部署在光纖資源不足的區(qū)域。
圖4-4 DWDM波長
由于窄波長間隔，MWDM需要TEC控制器和更可能的定制波長芯片。LWDM底層的直接調(diào)制激光（DML）光學(xué)芯片的產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，電吸收調(diào)制激光器（EML）的成本很高，并LWDM需要TEC控制器。DWDM芯片價(jià)格昂貴，DWDM需要TEC控制器，僅CWDM6波不需要TEC控制器且擁有豐富的DML資源，因此CWDM6被公認(rèn)為是運(yùn)營商最具成本效益的解決方案。
4.2.2更長的傳輸距離
標(biāo)準(zhǔn)無線前傳光模塊的傳輸距離限制為10km。隨著CRAN部署的廣泛采用，聚合前傳網(wǎng)絡(luò)上可能需要更長的傳輸距離。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，在未來5年中，所有灰光模塊中有3％將需要大于10km的傳輸距離。但是，行業(yè)供應(yīng)商仍將重點(diǎn)放在10km的光模塊上。
4.2.3高密度光模塊形式
隨著5G的發(fā)展，前傳通信容量將需要逐漸增加。但是，對于無線基站，基帶板的面板端口是固定的。無線設(shè)備供應(yīng)商需要找到方法來提高端口的接收和傳輸能力。
雙通道小型可插拔（DSFP）光模塊是一個(gè)很好的解決方案。2018年發(fā)布的DSFP標(biāo)準(zhǔn)最大支持100Gbit/s的速率，主要用于以太網(wǎng)協(xié)議。它還適用于無線eCPRI前傳場景。DSFP模塊與SFP模塊結(jié)構(gòu)兼容。通過DSFP模塊內(nèi)部的集成封裝，可以傳輸兩個(gè)信號通道，從而使傳輸和接收容量增加一倍。當(dāng)前，25G SFP模塊是標(biāo)準(zhǔn)配置。但是，隨著對前傳帶寬的需求增長以及BBU側(cè)基帶芯片的發(fā)展，可能需要更多的DSFP模塊。
4.2.4可調(diào)彩光技術(shù)
CRAN在5G基礎(chǔ)架構(gòu)的部署中發(fā)揮了更大的作用。到2020年，中國的三大運(yùn)營商預(yù)計(jì)，CRAN將占5G基礎(chǔ)設(shè)施的80％，因此對彩光模塊的需求將會增加。首先，由于CWDM6波模塊價(jià)格便宜且易于使用，因此已得到廣泛部署。然而，在基站的建造和維護(hù)過程中，波長配置需要大量的時(shí)間和精力。因此，提出了可調(diào)諧DWDM彩光技術(shù)。
可調(diào)諧DWDM系統(tǒng)具有與固定DWDM系統(tǒng)相同的波長范圍和間隔。唯一的區(qū)別是波長可調(diào)DWDM模塊支持12或48個(gè)波長的自動(dòng)配置。當(dāng)前，可調(diào)諧DWDM標(biāo)準(zhǔn)在CCSA中啟動(dòng)，并且ITU-T G.698.x標(biāo)準(zhǔn)正在修訂中。之前，DWDM可調(diào)技術(shù)已應(yīng)用于傳輸網(wǎng)絡(luò)，但它比CWDM6波昂貴得多。因此，業(yè)界一直在努力降低該解決方案的成本。
無線前傳25G光學(xué)解決方案
25G彩光模塊可以分為25G CWDM6波和可調(diào)25G DWDM模塊。客戶可以根據(jù)其性能需求和預(yù)算選擇不同的選項(xiàng)。全系列的前傳25G光模塊涵蓋了各種DRAN和CRAN應(yīng)用場景。
5.1不同類型的25G灰光和CWDM6波光模塊
25G灰光和CWDM6波光模塊有幾種類型：
- 25G 300m：雙纖雙向接口
- 25G 10km：雙纖雙向接口
- 25G 10km BiDi：單纖雙向接口
- 25G 10km CWDM6波：雙纖雙向接口；一組六個(gè)模塊
中心波長為1271/1291/1311/1331/1351/1371nm的所有光模塊均符合SFP28協(xié)議SFF-8419和SFF8472。電氣端口符合CEI-28G-VSR。25G 10km雙芯光纖和25G 10km BiDi光端口符合IEEE 802.3CC 25GBase-LR。
下圖顯示了功能框圖，包括DML、TOSA、PIN ROSA、發(fā)送CDR、激光驅(qū)動(dòng)器、接收LA、接收CDR和控制器。
圖5-1 25G 300m/10km和CWDM6波光模塊
圖5-2 25G 10km BiDi光模塊
在發(fā)送方向上，CDR對邊緣連接器接收到的電信號執(zhí)行時(shí)鐘恢復(fù)，而DRV放大信號。然后，DRV驅(qū)動(dòng)DML TOSA將電信號轉(zhuǎn)換為光信號以進(jìn)行輸出。
在接收方向上，光信號通過PIN PD轉(zhuǎn)換為電信號，由TIA放大，然后發(fā)送到LA。CDR執(zhí)行時(shí)鐘恢復(fù)后，邊緣連接器將執(zhí)行信號輸出。CWDM6波使用未冷卻的DFB激光器。與其他WDM解決方案相比，它具有更高的成本效益和更低的功耗。在不需要大量波長的情況下，這是理想的解決方案。
5.2可調(diào)25G DWDM與DWDM12波光模塊
25G DWDM光模塊有兩種：
- C波段48波長可調(diào)，支持10km傳輸
- 具有成本效益的C波段12波長可調(diào)，支持10km傳輸兩者均符合SFF-8419和SFF-8472協(xié)議。電氣端口符合CEI-28G-VSR。
下圖顯示了功能框圖，包括TTOSA、PIN ROSA、發(fā)送CDR、激光驅(qū)動(dòng)器、接收LA、接收CDR和控制器。
圖5-3 25G DWDM光模塊
在發(fā)送方向上，CDR對邊緣連接器接收到的電信號執(zhí)行時(shí)鐘恢復(fù)，而DRV放大信號。然后，DRV驅(qū)動(dòng)TTOSA將電信號轉(zhuǎn)換為光信號輸出。
在接收方向上，光信號通過PIN PD轉(zhuǎn)換為電信號，由TIA放大，然后發(fā)送到LA。CDR執(zhí)行時(shí)鐘恢復(fù)后，邊緣連接器將執(zhí)行信號輸出。
圖5-4 調(diào)制信號
結(jié)論
eCPRI標(biāo)準(zhǔn)闡明了5G前傳接口。25G前傳接口符合以太網(wǎng)協(xié)議，提供豐富的運(yùn)維方法。另外，可以重復(fù)使用25G以太網(wǎng)光模塊的現(xiàn)有資源。25G前傳接口已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著用于5G基站建設(shè)的資本支出的增加，運(yùn)營商正在尋找更具成本效益的25G前傳光模塊。同時(shí)，有限的光纖資源推動(dòng)了對彩光模塊的需求。經(jīng)過數(shù)十年在光電領(lǐng)域的投資和創(chuàng)新，易飛揚(yáng)已推出了25G灰光和彩光模塊的完整解決方案，以構(gòu)建5G無線通信的多樣化。
往期回顧：xWDM方案在5G前傳中的對比分析