5G承载光模块发展分析

来源:通信世界全媒体 · 2019-11-08 15:41

  5G技术已经迈入商用化进程,其新型业务特性和更高指标要求对承载网络架构及各层技术方案均提出了新的挑战。光模块是5G网络高速互连的基础组件,在部分设备中的成本占比甚至超过50%~70%,是5G低成本、广覆盖的关键要素之一。由于速率容量、传输距离、工作环境、光纤资源和同步特性等需求的不同,5G前传、中回传对光模块提出差异化要求。光模块应满足更高速率、更长距离、更宽温度范围以及更低成本,目前已出现多种解决方案,种类纷繁复杂,需要业界合力推动进一步收敛聚焦。

  5G承载光模块典型应用场景

  5G前传的典型应用场景包括光纤直连、无源WDM、半有源WDM以及有源WDM等,如图1所示。光纤直连网络简洁、易于维护、时延较低但消耗大量光纤,WDM方案减少光纤占用但面临其他问题如成本增加、有源时需要额外供电等。

  

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  图1 (a)光纤直连 (b)无源WDM (c)半有源WDM (d)有源WDM

  光纤直连场景一般采用25Gbit/s灰光模块,支持双纤双向和单纤双向两种类型,在5G部署短期内为主导方案。随着高频组网以及低频增点等深度覆盖,为充分利用已有光纤资源或解决光纤资源紧张问题,WDM部署将逐渐增加。无源WDM场景主要包括点到点无源WDM和WDM-PON等,采用一对或一根光纤实现多个AAU到DU间的连接,典型需要10Gbit/s或25Gbit/s彩光模块。有源WDM场景在AAU/DU至WDM/OTN/SPN设备间一般需要10Gbit/s或25Gbit/s短距灰光模块,在WDM/OTN/SPN设备间需要N×10/25/50/100Gbit/s等速率的双纤双向或单纤双向彩光模块。半有源场景综合上面两种场景的特点,在DU侧使用有源WDM/OTN/SPN设备,在AAU侧使用无源波分复用器。

  针对AAU全室外应用环境,5G前传应用场景对光模块的典型要求首先是需满足-40℃~+85℃的工业级温度范围以及防尘等环境可靠性要求。另外,5G光模块总需求量预计超过4G,尤其前传光模块可能存在数千万量级的需求,对应的光纤资源的需求也会大大增加,低成本是产业对光模块的主要诉求之一。

  5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层,所需光模块与现有传送网及数据中心使用的光模块技术差异不大,可以通过提升模块速率或WDM的方式来提升承载容量。接入层将主要采用25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s等速率的灰光或彩光模块,汇聚层及以上将较多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的DWDM彩光模块。

  5G承载光模块发展现状

  目前,各类场景下的光模块解决方案涉及的模块类型和接口特性各不相同、种类繁杂。国内外标准化组织国际电联(ITU-T)、电气和电子工程师协会(IEEE)、光互联论坛(OIF)、4WDM等多源协议(MSA)、中国通信标准化协会(CCSA)等都在持续推动各类型模块标准化进程。IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组已组织完成两次多厂商、多类型5G承载光模块测评工作,进一步推动提升5G承载光模块发展水平。

  25G前传灰光模块逐步成熟,彩光模块呈现WDM方案竞争

  前传灰光模块可采用25G波特率或10G波特率两种激光器芯片实现。25G波特率工业级激光器芯片可靠性要求与量产工艺要求较高,市场供应渠道有限。10G波特率工业级激光器芯片能充分利用成熟的供应链,可有效降低光模块成本,目前业界主要有超频、PAM4高阶调制两种实现方案。另外,IEEE 802.3cc已完成25GbE单模光纤接口规范,CCSA也已经发布25Gbit/s双纤双向灰光模块的国内行业标准YD/T 3125.2-2019,25Gbit/s BIDI灰光模块的国内行业标准预计今年内完成。

  前传彩光模块,考虑到其色散问题和成本等因素,出现CWDM、LWDM、MWDM、DWDM等多种竞争方案,主要占用C波段和O波段。从模块的波长调整方式来看,主要分为25Gbit/s固定波长彩光模块以及25Gbit/s可调谐光模块两种。在现阶段,固定波长的应用有两种实施方案,一种是选择6波方式进行建设(CWDM中的6波或LWDM中的4波+CWDM中的2波),另一种方式是考虑到5G与前后代通信的兼容性以及高带宽的应用场景,选择以12波或者更多波长的方式进行建设(MWDM/LWDM/DWDM),其中CWDM和MWDM中的部分波长可共用100G CWDM4产业链,激光器使用DML方案;LWDM可基于100G CWDM4、100G LR4、400G LR8等产业链,部分激光器仍需使用EML方案,但EML价格在前传场景缺乏竞争力,后续需演进为DML方案。

  25Gbit/s可调谐光模块某些场景下会因其组网和维护的便利性替代25Gbit/s固定波长彩光模块,不过其对产品的集成度和功耗要求高,国内供应方正在加快研发进度,预计2020年实现产业化。我国牵头起草发布的ITU-T G.698.4标准(G.Metro)已定义10Gbit/s接入型WDM组网和波长无关、无色化实现机制,目前ITU-T在G.698.x系列标准(G.698.1、G.698.2、G.698.4)针对25G DWDM接口应用也启动了修订,以期统一产业链并进一步降低成本。

  中回传光模块平稳发展,高集成低功耗趋势明显

  接入层主要采用25Gbit/s和50Gbit/s等速率的灰光模块,其中25Gbit/s双纤双向光模块产业链已经成熟,国内外已经发布相关标准,50G PAM4 10km国外也已发布标准,国内标准处于报批阶段,50G PAM4 40km、50G PAM4单纤双向等标准仍在制定中。

  汇聚层主要采用25Gbit/s彩光模块和100Gbit/s等速率的灰光模块。

  核心层及以上将多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的彩光模块。硅光集成芯片规模商用有望使相干技术大批量应用于5G回传光网络,硅光技术+混合集成技术有助于推动相干光模块尺寸、功耗持续降低。

  光模块产业基本准备就绪,新特性测试评估有序进行

  目前正处于5G网络建设的初期阶段,光模块产业基本准备就绪。为进一步评估5G承载光模块发展水平,全力支撑5G商用进程,促进5G光模块产业链相关方协同、合作与交流,IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组已组织完成两次多厂商、多类型5G承载光模块测评工作。相比较于2018年开展的首次测评,2019年开展的第2次测评在参与厂商数量、参测光模块类型、测试项目等方面有明显增加。参测光模块样品整体上满足已发布或在研发的IEEE 802.3标准及草案、CCSA行业标准及草案等相关要求,模块互通能力和设备兼容性相对首次测试已有较明显提升,但在光电接口、长期稳定性、互通能力、设备和仪表兼容性方面个别模块仍存在一些尚待完善的问题。

  总结展望

  5G前传、中回传对新型光模块提出了差异化需求,目前每种应用场景均存在多种光模块技术方案与类型。过多的产品类型容易导致光模块市场碎片化,造成上下游研发、制造与运维等诸多资源浪费。为培育良性的发展模式,5G承载光模块技术方案需进一步求同存异、聚焦收敛,通过对重点技术方案的聚力投入和规模效应来实现成本降低,并需要考虑规避产业链风险,加大扶持国内厂商可以主导的光模块技术产品方向。同时,建议各方多层面协同推动5G承载光模块产品研制、关键技术研究及测试评估、标准规范制定等工作,共同促进5G承载光模块技术与产业健康有序发展。

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