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高质量光模块承载5G新基建

来源 : www.penghaida.com   发布时间 : 2022/2/26 23:36:00

2020年3月4日,在中央政治局常务委员会召开的会议上,强调要加快推进国家规划已明确的重大工程和基础设施建设,要加快5G、数据中心等新型基础设施建设进度。

和铁路、公路、桥梁、水利工厂等传统基建不同,“新基建”是指在科技端发力的新型基础设施建设,更能体现数字经济特征,能够更好推动中国经济转型升级,为经济增长提供新的动力。“新基建”主要包括5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网七大领域。

5G逐步商用可以有力的推动工业互联网、人工智能、物联网等新技术、新应用的迅速发展,5G应用的广泛发展能提高人的生活水平,增加生活中的便利,提高幸福指数。2020年全国将建设开通完成55万个5G基站。截至2月底,我国80%的5G建设按计划实施。中国移动5G基站数已经超过8万个,2020年“建设30万个5G基站,5G覆盖全国地级以上城市”的目标不变。中国电信和中国联通表示,力争在2020年上半年完成47个地市、10万个5G基站的共同建设任务,其中,中国联通计划2020年实现全国所有地市5G 覆盖。目前,中国电信与中国联通已经在全国31个省开通5G共建共享,在全国50多个城市实现5G正式商用。

移动通信技术更迭推动光模块的发展

光是移动通信的重要组成部分,光中的光模块的作用是光电转换,在发送端把电信号转换成光信号,通过光纤传送后,接收端再把光信号转换成电信号,故光模块是移动通信高速互联的基础组件。

3G时代移动互联网的接入需求推动运营商在骨干网层面将原来2G的10G DWDM系统升级为40G DWDM/OTN系统,接入侧采用BBU+RRU光纤拉远的模式,这些变化使得3G对光模块产生了需求。2012年始,大规模LTE建设,移动回传开始从3G采用的TDM时分复用技术向基于分组技术的PTN/IPRAN转变,前传速率升级到10G,骨干网速率从40G迈向100G,从而产生更高速率光模块的需求。

2019年5G牌照下发,光模块又迎来了新的发展机遇。例如,根据目前各运营商的传输规划方案,前传光模块速率主要集中在25Gb/s,由于前传所需光模块与AAU数量强关联,所以25G光模块的需求非常明确,预计5G前传将为25G光模块带来千万数量级的规模需求。在双纤双向的5G前传光纤直驱方案中,DU与AAU直接相连,耗费光纤资源较多,适合在光纤资源充足的场合使用。为节省光纤资源,5G前传的光纤直驱方案可以引入单纤双向(BiDi)光模块,单只BiDi光模块的成本要比普通灰光模块要略高,但考虑到节省一半的光纤数和光模块数,故此方案会大量应用于纤芯资源紧张的D-RAN和C-RAN场景。

5G承载网有大带宽、低时延、高精度同步等诉求,光模块作为运营商中的关键纽带有以下特点:应用范围广、故障直接影响业务、速率越高影响范围越大。运营商的特征对光模块提出了较高的要求:环境适配要求高、可靠性要求高、模块质量寿命要求高、低成本、低耗、易用性要求高等。例如,应用于电信领域的100G光模块需要满足0~70℃/-40~85℃的工作温度要求,而IDC中使用的100G光模块的工作温度则为15~55℃。电信领域的光模块的高性能依托于气密封装工艺、温度控制等技术,保障激光器在各种环境下的稳定工作。

5G中的光模块

当前的无线通信,除了终端到基站天线是“无线”形态,天线之后的通信链路全部是光纤。5G时代,代际升级所带来的速率的大幅提升,以及低时延、大规模接入的特点带动了接入网、城域网、骨干网的全面覆盖和性能升级,推动着光纤通信的技术进步和产业发展。故5G的需求将为光模块市场注入新的动力并进一步增大该细分市场的空间。

5G承载转发面组网架构

来源:IMT-2020(5G)推进组《5G承载架构和技术方案》2018

5G承载分层组网架构和接口分析

来源:I MT-2020(5G)推进组《5 G承载架构和技术方案》2 018

从5G承载架构可以看出,光模块是高速互联的基础组件,其应用覆盖范围从接入层到主干网。应用于5G的光模块种类主要有:

前传场景:100m,300m,10km,15km,20km;eCPRI/CPRI

25Gb/s SFP28,25Gb/s BiDi SFP28

25Gb/s CWDM/LAN-WDM SFP28

25Gb/s DWDM/tunable DWDM SFP28

100Gb/s 4WDM QSFP28

100/200Gb/s Duplex/BiDi QSFP28/CFP2

中回传场景:10km,40km,80km+;Ethernet/OTN

25Gb/s SFP28,25Gb/s DWDM SFP28

50Gb/s PAM4 Duplex/BiDi QSFP28/SFP56

100GbE QSFP28, 200GbE QSFP56

200GbE, 400GbE, QSFP-DD/OSFP

100/200/400Gb/s 相干DWDM, CFP2-DCO

100Gb/s 非相干DWDM, QSFP28

(1)前传:

5G前传方案分为光纤直驱和WDM两类,其中光纤直驱包括传统方式(Duplex)和BiDi方式,WDM则有多种方案。

光纤直驱方式的优势为方案成熟、产业链成熟、工程建设简单、便于维护,面临的挑战是纤芯占用较多,例如一个基站Duplex方式需要占用12芯,BiDi方式需要占用6芯,优选BiDi方式,光纤占用减半。

采用WDM方式的优势为节省光纤资源,面临的挑战是成本控制、产业链及方案成熟度不及光纤直驱方式。另外,有源及半有源WDM方式可以提高运维效率,无源WDM方式则会增加运维成本。

前传方案

光模块需求

其他设备

光纤资源

建设成本

维护成本

光纤直驱

25G SFP28

12 根

25G SFP28 BiDi

6 根

有源 WDM

25G SFP28光模块

N ×50G光模块 +OTN传输设备

1 根

●●

无源 WDM

25G SFP28 CWDM/LWDM光模块

CWDM/LWDM合分波器

2 根/1根

●●

●●●

25G SFP28 DWDM可调谐模块

DWDM合分波器

1 根

●●●

●●

此表仅供参考

(2)中传:

基于收敛能的前提下,5G初期接入段可采用10G或25G速率的光模块,比如采用10G SR(300m、VCSEL激光器、MMF)、10G或25G LR(10km、DFB激光器、F)等。5G中回传覆盖城域网的接入层、汇聚层与核心层,若DU/CU合设,则不需要中传光模块。中传回所需光模块的技术要求与现有传送网及数据中心使用的光模块差异不大,但由于承载带宽需求增加、传输融合扁平化和城域网WDM/OTN下沉延伸,光模块的速率要求将有所提升,接入层25Gb,核心汇聚层100G将成为主流,部分热点区域核心汇聚甚至将达到400G的需求。

(3)回传:

传统的回传技术主要有两种:无线回传,光纤回传。国外运营商绝大部分都是选用无线回传,但在中国刚好相反,仅在少数应急场景才动用无线回传。从国情和现有光纤覆盖情况来看,这是非常合理的。在5G时代,高密集组网的需求下,微波回传与光纤回传混合使用也可能在以后的建设中出现。

在光纤回传方案里,5G初期核心汇聚层可采用100G速率的光模块,比如采用100G SR4(100m、VCSEL激光器、MMF-MPO)、100G P4(500m、DFB激光器、F-MPO)或100G CWDM4(2km、DFB激光器、F-LC)等。在城域层面,根据需要传输的距离不同,可采用100G ER4、100G PAM4或基于相干技术的100G光模块。

泰尔实验室光模块能力

泰尔实验室围绕光模块进行了多年的能力建设,拥有优质的环境、先进的设备和专业的队伍,具备比较全面的能力。

全面的能力

泰尔实验室具备较为全面的光模块能力,可以提供光电性能、可靠性、电磁兼容、业务承载等项目的服务。

先进的设备

泰尔实验室具有多套专业的光模块设备,包括光电性能设备、协议分析设备、可靠性设备、电磁兼容设备等,95% 以上采用进口设备,性能优异,确保结果的精确度。

优质的环境

泰尔实验室建成了470 ㎡的十万级无尘检测室,可为光模块提供优质的环境。一方面可保证光模块在“ 无尘” 环境下进行,避免灰尘对结果的影响;另一方面可保证稳定适宜的温湿度环境(温度:20 ~26 ℃,湿度:30% ~70%RH ),能够有效防止电荷积聚,避免对光模块造成ESD 损伤。

专业的队伍

泰尔实验室检测人员长期从事光模块工作,跟踪参与光模块标准化工作,具备专业的光模块能力,能够提供专业的方案。

泰尔实验室将以专业的水平、全面的能力服务光模块产业,全面保障光通信质量,助力新基建快速发展。

业务联系人: 刘德强

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