5G及工业级光器件

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       第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术,英文缩写:5G。按照3GPP组织的时间表,R14标准主要开展5G系统框架和关键技术研究;R15满足部分场景的5G需求,开启商用进程;R16则会完成全部标准化工作。三个标准的预计完成时间分别是2017年3月、2018年6月和2019年12月,最终的5G完整标准会在2020年初提交给国际电信联盟(ITU),开始正式商用。

     
       
按照3GPP规划,5G标准分为NSA和SA(Standalone,独立组网)两种。其中,5G NSA组网方式需要使用4G基站和4G核心网,以4G作为控制面的锚点,满足激进运营商利用现有LTE网络资源,实现5G NR(New Ratio)快速部署的需求。

2018年6月14日,3GPP在美国举行全体会议,正式批准冻结第五代移动通信技术标准(5G NR)独立组网(SA)功能。5G NR非独立组网(NSA)标准已于去年12月冻结,至此第一阶段全功能完整版5G标准正式出台,5G商用进入全面冲刺阶段。

       
        
5G网络拟提供业务的主要特征包括大带宽(用户体验速率最高1Gbps)、低时延(1ns)和海量连接(连接密度106/km2),从而对承载网在带宽、容量、时延和组网灵活性方面提出了新的需求。5G基站AAU的基带信号,采用数字方式传输,空口采用eCPRI协议接口,典型速率25.165824Gbps,考虑与4G共站场景,所以需要兼容CPRI option10速率24.33024Gbps。

       
        5G已经来了,作为光通信器件行业的一员,这里来聊聊5G网络中将用到的光器件,它们都是千万级别的海量需求。

光通信器件属于光传输网络中的核心组成,承载着光电转换,光波长的复用解复用,和光功率的分配等关键网络物理层功能。相比于目前的3G 4G网络,5G在无线承载网络中改变最大的在于前传及中传领域,前传是连接基站至DU(Distribute Unit,分布单元,负责处理物理层协议和实时服务),中传是连接DU于 CU (Centralized Unit,集中单元,负责处理非实时协议和服务)。

     
        
无线基站通常安装在通信铁塔或建筑楼顶,风吹日晒的,所以前传中传中用到的光器件,需要满足户外场景使用,最重要的就是器件工作温度要达到工业级要求,-40℃~85℃。顺便提下另一种室内场景,一般是商业级温度的要求,0~70℃。

       
        在前传场景中,绝大部分传输距离要求在10km LR以下,其中5km以下占比约80%,5~10km占比20%。当然,理论值与现网实际应用会有差距,肯定会出现光纤老化链路衰减增大,覆盖区域的距离临界等问题,所以10km以上 的传输距离规格比如20km ER仍然是需要的。在中传场景中,传输距离则要求在10~40km之间,存在工业级与商业级两种工作温度要求。易飞扬公司针对前传和中传应用,已推出或正推出系列光模块解决方案,包含前传的25G LR/ER,25G LR/ER BIDI,25G CWDM/DWDM ER,25G SFP28 TUNABLE,中传回传的100G QSFP28 LR4/4WDM 40,200G QSFP56 LR4等工业级光模块产品。 同时还提供工业级无源类产品5G OMUX, CCWDM, AAWG,其中AAWG产品待工业级芯片成熟后推出。


Figure 1. The data rates and distances of 5G fronthaul and middlehaul 

图1, 5G前传中传的速率与距离

      光模块是光电转换,中间的传输介质是光纤,在光网络中投资最大的永远是光纤资源,所以设备及器件的选择首先要考虑的是光纤。由于政策及人口的因素,中国城市内及大部分区域的光纤资源比较丰富,但中国乡村及国外大部分区域光纤资源是非常紧缺的。光纤资源宝贵,那光模块来省,所以5G前传有三种方案。

       
        一、光纤资源丰富的场景,采用光纤直连,一扇区一光纤(One Fiber One Cell),光模块用25G LR/ER BIDI。一般一个基站有3扇区,BIDI方案只需要三根光纤即可满足一个基站的流量前传,同时有利于时钟的高精度同步。其中下行的波长标准是1310nm还是1330nm还未明确。




Figure 2. The scheme of optical fiber direct connection for 5G fronthaul


图2, 5G前传光纤直连方案


         二、 光纤资源稀缺的场景,这就需要用到波分复用WDM方案了,将一个基站的所有业务波长复用至一根或一对光纤进行回传,节省基站至DU的光纤资源,称为One Fiber One Site (Base-station)(一个基站一根光纤)。这里需要用到大量的彩光模块,给安装、备件和维护带来一些不便,Tunable光模块应用而生。所以这个场景主要用到光模块25G CWDM/DWDM LR/ER,25G SFP28 TUNABLE LR/ER,波长可以是O波段和C波段,以及工业级无源WDM类产品5G OMUX,CCWDM。


Figure 3. Passive WDM scheme for 5G fronthaul


图3, 5G前传无源WDM方案

        当然,更高效回传网络的方式是波分设备直接下沉至基站与DU,即有源WDM方案,可兼容现网2G/3G/4G业务,且可实现更多L3层业务管理和优化功能,当然这会使得CAPEX增大。


       三、 回传主干光纤资源极度缺乏的情况下,需要将多个基站的流量汇聚至一个DU进行回传,称为One Fiber N Sites (Base-station)(N个基站一根主干光纤),这是一个点到多点的WDM无源方案。比如常用的AAWG 40波长,可覆盖6个基站(每个基站3扇区,共18个AAU,20波上行/20波下行)。此拓朴结构符合基于PON的光无源网络,最大限度地利旧现网ODN网络。


      业内目前只有成熟的商业级AWG,工作温度范围为0℃~75℃,在未来WDM-PON网络乃至5G前传解决方案中,AWG工作温度范围需求进一步提升至工业级的-40 ℃~85℃,对有热、无热封装提出更苛刻要求,对芯片级无热AWG要求也进一步提高,仍需业内同仁努力攻破。如工业级AWG仍然不成熟,安装环境又不便满足商业级工作温度,在链路光功率预算可满足时,可考虑使用分光器PLC splitter,Splitter产品目前都可完全满足工业级工作温度的要求。


      P2MP场景主要用到光模块25G CWDM/DWDM LR/ER,25G SFP28 TUNABLE LR/ER,波长可以是O波段和C波段,以及工业级无源WDM类产品5G OMUX,CCWDM,AWG或者PLC Splitter。




Figure 4. The P2PM Passive WDM scheme for 5G fronthaul

图4, 5G前传点到多点无源WDM方案



      5G是通信史上的关键里程碑,市场巨大,挑战甚多,易飞扬将一如既往,不断为客户提供设计创新和方案领先的光互连产品。