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5G承載光模塊發展分析

作者:中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部 劉璐 吳冰冰 責任編輯:田小夢 2019.11.08 08:13 來源:通信世界全媒體

通信世界網消息(CWW)5G技術已經邁入商用化進程,其新型業務特性和更高指標要求對承載網絡架構及各層技術方案均提出了新的挑戰。光模塊是5G網絡高速互連的基礎組件,在部分設備中的成本占比甚至超過50%~70%,是5G低成本、廣覆蓋的關鍵要素之一。由于速率容量、傳輸距離、工作環境、光纖資源和同步特性等需求的不同,5G前傳、中回傳對光模塊提出差異化要求。光模塊應滿足更高速率、更長距離、更寬溫度范圍以及更低成本,目前已出現多種解決方案,種類紛繁復雜,需要業界合力推動進一步收斂聚焦。

5G承載光模塊典型應用場景

5G前傳的典型應用場景包括光纖直連、無源WDM、半有源WDM以及有源WDM等,如圖1所示。光纖直連網絡簡潔、易于維護、時延較低但消耗大量光纖,WDM方案減少光纖占用但面臨其他問題如成本增加、有源時需要額外供電等。

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圖1  (a)光纖直連 (b)無源WDM (c)半有源WDM (d)有源WDM

光纖直連場景一般采用25Gbit/s灰光模塊,支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型,在5G部署短期內為主導方案。隨著高頻組網以及低頻增點等深度覆蓋,為充分利用已有光纖資源或解決光纖資源緊張問題,WDM部署將逐漸增加。無源WDM場景主要包括點到點無源WDM和WDM-PON等,采用一對或一根光纖實現多個AAU到DU間的連接,典型需要10Gbit/s或25Gbit/s彩光模塊。有源WDM場景在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設備間一般需要10Gbit/s或25Gbit/s短距灰光模塊,在WDM/OTN/SPN設備間需要N×10/25/50/100Gbit/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。半有源場景綜合上面兩種場景的特點,在DU側使用有源WDM/OTN/SPN設備,在AAU側使用無源波分復用器。

針對AAU全室外應用環境,5G前傳應用場景對光模塊的典型要求首先是需滿足-40℃~+85℃的工業級溫度范圍以及防塵等環境可靠性要求。另外,5G光模塊總需求量預計超過4G,尤其前傳光模塊可能存在數千萬量級的需求,對應的光纖資源的需求也會大大增加,低成本是產業對光模塊的主要訴求之一。

5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層,所需光模塊與現有傳送網及數據中心使用的光模塊技術差異不大,可以通過提升模塊速率或WDM的方式來提升承載容量。接入層將主要采用25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s等速率的灰光或彩光模塊,匯聚層及以上將較多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的DWDM彩光模塊。

5G承載光模塊發展現狀

目前,各類場景下的光模塊解決方案涉及的模塊類型和接口特性各不相同、種類繁雜。國內外標準化組織國際電聯(ITU-T)、電氣和電子工程師協會(IEEE)、光互聯論壇(OIF)、4WDM等多源協議(MSA)、中國通信標準化協會(CCSA)等都在持續推動各類型模塊標準化進程。IMT-2020(5G)推進組5G承載工作組已組織完成兩次多廠商、多類型5G承載光模塊測評工作,進一步推動提升5G承載光模塊發展水平。

25G前傳灰光模塊逐步成熟,彩光模塊呈現WDM方案競爭

前傳灰光模塊可采用25G波特率或10G波特率兩種激光器芯片實現。25G波特率工業級激光器芯片可靠性要求與量產工藝要求較高,市場供應渠道有限。10G波特率工業級激光器芯片能充分利用成熟的供應鏈,可有效降低光模塊成本,目前業界主要有超頻、PAM4高階調制兩種實現方案。另外,IEEE 802.3cc已完成25GbE單模光纖接口規范,CCSA也已經發布25Gbit/s雙纖雙向灰光模塊的國內行業標準YD/T 3125.2-2019,25Gbit/s BIDI灰光模塊的國內行業標準預計今年內完成。

前傳彩光模塊,考慮到其色散問題和成本等因素,出現CWDM、LWDM、MWDM、DWDM等多種競爭方案,主要占用C波段和O波段。從模塊的波長調整方式來看,主要分為25Gbit/s固定波長彩光模塊以及25Gbit/s可調諧光模塊兩種。在現階段,固定波長的應用有兩種實施方案,一種是選擇6波方式進行建設(CWDM中的6波或LWDM中的4波+CWDM中的2波),另一種方式是考慮到5G與前后代通信的兼容性以及高帶寬的應用場景,選擇以12波或者更多波長的方式進行建設(MWDM/LWDM/DWDM),其中CWDM和MWDM中的部分波長可共用100G CWDM4產業鏈,激光器使用DML方案;LWDM可基于100G CWDM4、100G LR4、400G LR8等產業鏈,部分激光器仍需使用EML方案,但EML價格在前傳場景缺乏競爭力,后續需演進為DML方案。

25Gbit/s可調諧光模塊某些場景下會因其組網和維護的便利性替代25Gbit/s固定波長彩光模塊,不過其對產品的集成度和功耗要求高,國內供應方正在加快研發進度,預計2020年實現產業化。我國牽頭起草發布的ITU-T G.698.4標準(G.Metro)已定義10Gbit/s接入型WDM組網和波長無關、無色化實現機制,目前ITU-T在G.698.x系列標準(G.698.1、G.698.2、G.698.4)針對25G DWDM接口應用也啟動了修訂,以期統一產業鏈并進一步降低成本。

中回傳光模塊平穩發展,高集成低功耗趨勢明顯

接入層主要采用25Gbit/s和50Gbit/s等速率的灰光模塊,其中25Gbit/s雙纖雙向光模塊產業鏈已經成熟,國內外已經發布相關標準,50G PAM4 10km國外也已發布標準,國內標準處于報批階段,50G PAM4 40km、50G PAM4單纖雙向等標準仍在制定中。

匯聚層主要采用25Gbit/s彩光模塊和100Gbit/s等速率的灰光模塊。

核心層及以上將多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的彩光模塊。硅光集成芯片規模商用有望使相干技術大批量應用于5G回傳光網絡,硅光技術+混合集成技術有助于推動相干光模塊尺寸、功耗持續降低。

光模塊產業基本準備就緒,新特性測試評估有序進行

目前正處于5G網絡建設的初期階段,光模塊產業基本準備就緒。為進一步評估5G承載光模塊發展水平,全力支撐5G商用進程,促進5G光模塊產業鏈相關方協同、合作與交流,IMT-2020(5G)推進組5G承載工作組已組織完成兩次多廠商、多類型5G承載光模塊測評工作。相比較于2018年開展的首次測評,2019年開展的第2次測評在參與廠商數量、參測光模塊類型、測試項目等方面有明顯增加。參測光模塊樣品整體上滿足已發布或在研發的IEEE 802.3標準及草案、CCSA行業標準及草案等相關要求,模塊互通能力和設備兼容性相對首次測試已有較明顯提升,但在光電接口、長期穩定性、互通能力、設備和儀表兼容性方面個別模塊仍存在一些尚待完善的問題。

總結展望

5G前傳、中回傳對新型光模塊提出了差異化需求,目前每種應用場景均存在多種光模塊技術方案與類型。過多的產品類型容易導致光模塊市場碎片化,造成上下游研發、制造與運維等諸多資源浪費。為培育良性的發展模式,5G承載光模塊技術方案需進一步求同存異、聚焦收斂,通過對重點技術方案的聚力投入和規模效應來實現成本降低,并需要考慮規避產業鏈風險,加大扶持國內廠商可以主導的光模塊技術產品方向。同時,建議各方多層面協同推動5G承載光模塊產品研制、關鍵技術研究及測試評估、標準規范制定等工作,共同促進5G承載光模塊技術與產業健康有序發展。


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