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5G前传光模块全面解析

5G前传光模块,构建5G无线通信多样化

蓬勃发展的5G市场

2019年5G推出,在亚洲,北美和欧洲迅速发展。GSMA预测,未来5年5G连接将持续增长。GSMA预计,到2025年,这一数字将达到5亿。

5G连接预测

图1-1 5G连接预测

 

2020年至2025年,全球运营商将在移动通信领域投资约1.1万亿美元,其中约80%将用于5G资本支出。

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图1-2 移动通信中的资本支出

 

5G无线前传接口要求最低速率为25Gbit/s

5G无线通信需要比4G更多的频谱资源,以增强移动宽带(eMBB),超高可靠与低时延通信(URLLC)以及大规模物联网(mMTC)。

当前,5G使用低于6GHz FR1频谱,该频谱支持100Mbit/s的最大带宽,是4G LTE的五倍。当有64个信道且带宽为100MHz时,公共无线电接口(CPRI)协议要求前传信道至少达到100Gbit/s。但是,在2017年,业界尚未为100Gbit/s的光模块做好准备。因此,开发了增强型CPRI(eCPRI)协议。

eCPRI的不同拆分模式

图2-1 eCPRI的不同拆分模式

 

eCPRI协议定义了多种拆分模式。较高协议层的接口需要较低的传输带宽。在主流拆分方案中,一些物理层信号处理功能从基带传输到天线侧,仅需从前传接口获得25Gbit/s的速率。近年来,对主流前传光模块的需求已从4G时代的10Gbit/s演变为5G时代的25Gbit/s。

考虑到无线频谱中的中低频段已经很拥挤,3GPP为5G分配了更高的频段。但是,这导致更高的信号损耗。因此,为了确保良好的通信质量,5G基站密度要比4G更高,以及更高的光模块要求。LightCounting预测,在未来五年内出售的所有光模块中,用于5G前传的25G光模块将超过50%。

无线前传光模块销量

图2-2 无线前传光模块销量

 

25G光模块主要用于无线前传。因此,重用25GE以太网行业中的现有资源可以帮助电信运营商大幅降低成本并提高光学解决方案的效率。

 

典型的5G前传无线场景

无线前传的典型体系结构是分布式RAN(DRAN)或集中式RAN(CRAN)。在CRAN模式下,BBU位于中心办公室中。这显着减少了辅助设备(特别是空调)的空间和功耗,从而降低了资本支出和运营支出。此外,集中式BBU构成了一个BBU基带池,可以对它进行集中管理并针对不同的网络需求进行调度。

DRAN和CRAN前传系统
图3-1 DRAN和CRAN前传系统

 

由于增加了基站,因此5G网络建设的成本比4G高得多,并且获取站点具有挑战性。因此,CRAN是大规模部署的首选。

5G前传部署场景

图3-2 5G前传部署场景

 

3.2 DRAN

这是一个简单的场景,其中AAU和DU分别部署在塔上和塔下300公里或更短的距离处。在CRAN方案中,两个单元之间的最大距离为10km。考虑到成本效益和维护,DRAN和CRAN都使用光纤直连。在这种情况下,需要使用25G灰光模块。

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图3-3 四种不同的前传方法

 

3.3 CRAN

在CRAN场景中,光纤直连需要许多光纤和电缆。在光纤资源不足的情况下,使用10km的双向灰光(BiDi)模块,因为它们需要的光纤数量是原来的一半,因此可以降低成本。如有必要,可以通过使用无源WDM和半有源WDM设备进一步减少所需的光纤资源。在这种情况下,需要使用25G彩光模块。

CRAN

对于单个5G宏基站,一个100MHz频谱需要三个25Gbit/s eCPRI。在中国,中国移动拥有160MHz的5G频谱,而中国电信和中国联通则共有200MHz的5G频谱。如果接口速率保持在25Gbit/s,接口数量将从3增加到6。

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为了满足接口传输要求,每个宏基站需要六对25G光模块。在这种情况下,您可以使用一组12个波长的彩光模块(每个站点一根光纤)或两组6个波长的彩光模块(每个站点两根光纤)。

5G前传无源WDM的两种不同方法

图3-4 5G前传无源WDM的两种不同方法

 

综上所述,DRAN和CRAN方案都将使对5G前传光模块的需求激增。

 

25G前传的不同解决方案

4.1背景

2019年下半年5G发布,并在中国迅速用于商业用途。到2020年2月底,已经部署了164,000个5G基站。为了应对快速而广泛的基站建设,运营商选择了彩光模块,以节省成本并迅速实现商业化。

另外,根据现有的WDM标准,不同的组织提出了CWDM,MWDM,LWDM和DWDM标准。中国移动运营商还主导了CWDM光模块的直接采购。

 

4.2技术趋势

4.2.1重用现有的10G/25G行业资源

25G灰光模块利用原10Gbit/s技术中的现有资源:

  • 300m SR模块使用850nm波长的垂直腔面发射激光器(VCSEL);
  • 10km LR模块使用1310nm波长分布式反馈(DFB)激光器;
  • 10km BiDi模块使用DFB激光(上行1330nm,下行1270 nm)。

具有这些波长的商用芯片很容易获得。一些芯片供应商还可以提供适用于无线前传应用的工业芯片。

基于重用WDM标准的原则,业界正在讨论针对25G彩光模块的各种解决方案。CWDM标准在ITU-T G.694.2中定义。有18个波长间隔为20nm的CWDM模块直接安装在DU和AAU上,并使用外部CWDM多路复用器/解复用器。在具有三个信道的无线前传场景中,需要六个波长,最好是CWDM 6波(1271、1291、1311、1331、1351和1371 nm)。由于前四个波长与数据中心的CWDM 4波DML波长相同,因此芯片供应商仅需要针对工业温度和后两个波长进行开发。对于六个通道,需要12个波长。可以选择两个CWDM6波和两根光纤进行传输,或者可以选择CWDM12波和一根光纤,方法是将最后六个波长1471/1491/1511/1531/1551/1571相加。

CWDM波长

图4-1 CWDM波长

 

MWDM是在2019年底提出的CCSA标准。在MWDM中,通过半导体制冷片(TEC)扩展CWDM6波的每个标准波长,以获得不等间距的12个波长。

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图4-2 MWDM波长

 

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与CWDM6波相比,MWDM12波解决方案需要将TEC添加到光学组件中,并将TEC驱动器添加到模块电路中。

LAN-WDM技术的信道间隔为800GHz(约4.4nm)。在O波段中可以获得更多的波长,而色散损失很小。IEEE802.3基于LAN-WDM定义了400GE LR8接口。最后四个波长用于100G LR4。因此,该行业可以很容易地支持最后四个波长。如果扩展到12个波长,CCSA将在8个LAN-WDM波长上增加四个波长以形成LWDM12波。LWDM12波和MWDM之间的唯一区别是光学芯片。

LWDM波长

图4-3 LWDM波长

 

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DWDM技术基于ITU-T G.698.4,广泛用于骨干网和城域网。波长范围为1529nm至1567nm,间距约为0.78nm。波长的数量可以是6、12、20、40、48或96。但是,DWDM模块价格昂贵,通常部署在光纤资源不足的区域。

DWDM波长

图4-4 DWDM波长

 

由于窄波长间隔,MWDM需要TEC控制器和更可能的定制波长芯片。LWDM底层的直接调制激光(DML)光学芯片的产业链尚不成熟,电吸收调制激光器(EML)的成本很高,并LWDM需要TEC控制器。DWDM芯片价格昂贵,DWDM需要TEC控制器,仅CWDM6波不需要TEC控制器且拥有丰富的DML资源,因此CWDM6被公认为是运营商最具成本效益的解决方案。

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4.2.2更长的传输距离

标准无线前传光模块的传输距离限制为10km。随着CRAN部署的广泛采用,聚合前传网络上可能需要更长的传输距离。根据LightCounting的数据,在未来5年中,所有灰光模块中有3%将需要大于10km的传输距离。但是,行业供应商仍将重点放在10km的光模块上。

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4.2.3高密度光模块形式

随着5G的发展,前传通信容量将需要逐渐增加。但是,对于无线基站,基带板的面板端口是固定的。无线设备供应商需要找到方法来提高端口的接收和传输能力。

双通道小型可插拔(DSFP)光模块是一个很好的解决方案。2018年发布的DSFP标准最大支持100Gbit/s的速率,主要用于以太网协议。它还适用于无线eCPRI前传场景。DSFP模块与SFP模块结构兼容。通过DSFP模块内部的集成封装,可以传输两个信号通道,从而使传输和接收容量增加一倍。当前,25G SFP模块是标准配置。但是,随着对前传带宽的需求增长以及BBU侧基带芯片的发展,可能需要更多的DSFP模块。

 

4.2.4可调彩光技术

CRAN在5G基础架构的部署中发挥了更大的作用。到2020年,中国的三大运营商预计,CRAN将占5G基础设施的80%,因此对彩光模块的需求将会增加。首先,由于CWDM6波模块价格便宜且易于使用,因此已得到广泛部署。然而,在基站的建造和维护过程中,波长配置需要大量的时间和精力。因此,提出了可调谐DWDM彩光技术。

可调谐DWDM系统具有与固定DWDM系统相同的波长范围和间隔。唯一的区别是波长可调DWDM模块支持12或48个波长的自动配置。当前,可调谐DWDM标准在CCSA中启动,并且ITU-T G.698.x标准正在修订中。之前,DWDM可调技术已应用于传输网络,但它比CWDM6波昂贵得多。因此,业界一直在努力降低该解决方案的成本。

 

无线前传25G光学解决方案

25G彩光模块可以分为25G CWDM6波和可调25G DWDM模块。客户可以根据其性能需求和预算选择不同的选项。全系列的前传25G光模块涵盖了各种DRAN和CRAN应用场景。

 

5.1不同类型的25G灰光和CWDM6波光模块

25G灰光和CWDM6波光模块有几种类型:

  • 25G 300m:双纤双向接口
  • 25G 10km:双纤双向接口
  • 25G 10km BiDi:单纤双向接口
  • 25G 10km CWDM6波:双纤双向接口;一组六个模块

中心波长为1271/1291/1311/1331/1351/1371nm的所有光模块均符合SFP28协议SFF-8419和SFF8472。电气端口符合CEI-28G-VSR。25G 10km双芯光纤和25G 10km BiDi光端口符合IEEE 802.3CC 25GBase-LR。

下图显示了功能框图,包括DML、TOSA、PIN ROSA、发送CDR、激光驱动器、接收LA、接收CDR和控制器。

25G 300m/10km和CWDM6波光模块

图5-1 25G 300m/10km和CWDM6波光模块

 

25G 10km BiDi光模块

图5-2 25G 10km BiDi光模块

 

在发送方向上,CDR对边缘连接器接收到的电信号执行时钟恢复,而DRV放大信号。然后,DRV驱动DML TOSA将电信号转换为光信号以进行输出。

在接收方向上,光信号通过PIN PD转换为电信号,由TIA放大,然后发送到LA。CDR执行时钟恢复后,边缘连接器将执行信号输出。CWDM6波使用未冷却的DFB激光器。与其他WDM解决方案相比,它具有更高的成本效益和更低的功耗。在不需要大量波长的情况下,这是理想的解决方案。

 

5.2可调25G DWDM与DWDM12波光模块

25G DWDM光模块有两种:

  • C波段48波长可调,支持10km传输
  • 具有成本效益的C波段12波长可调,支持10km传输两者均符合SFF-8419和SFF-8472协议。电气端口符合CEI-28G-VSR。

下图显示了功能框图,包括TTOSA、PIN ROSA、发送CDR、激光驱动器、接收LA、接收CDR和控制器。

25G DWDM光模块

图5-3 25G DWDM光模块

 

在发送方向上,CDR对边缘连接器接收到的电信号执行时钟恢复,而DRV放大信号。然后,DRV驱动TTOSA将电信号转换为光信号输出。

在接收方向上,光信号通过PIN PD转换为电信号,由TIA放大,然后发送到LA。CDR执行时钟恢复后,边缘连接器将执行信号输出。

调制信号

图5-4 调制信号

 

结论

eCPRI标准阐明了5G前传接口。25G前传接口符合以太网协议,提供丰富的运维方法。另外,可以重复使用25G以太网光模块的现有资源。25G前传接口已成为行业标准。随着用于5G基站建设的资本支出的增加,运营商正在寻找更具成本效益的25G前传光模块。同时,有限的光纤资源推动了对彩光模块的需求。经过数十年在光电领域的投资和创新,易飞扬已推出了25G灰光和彩光模块的完整解决方案,以构建5G无线通信的多样化。

往期回顾:xWDM方案在5G前传中的对比分析

5G前传光模块解决方案对比

5G NSA前传场景有哪些?

运营商引领5G建设,光模块市场量价齐升

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