從5G承載白皮書看5G對光纖、光模塊和芯片需求

       ICCSZ訊 中國IMT-2020(5G)推進組近期發(fā)布《5G承載網(wǎng)絡架構(gòu)和技術(shù)方案白皮書》，對我國5G承載產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢進行了分析，涉及光纖光纜基礎設施、5G光模塊和芯片、5G承載網(wǎng)絡設備三個方面。

       光纖光纜基礎設施

       白皮書認為，我國運營商經(jīng)過多年網(wǎng)絡建設和優(yōu)化，已形成較為穩(wěn)定的城域光纜網(wǎng)，5G的高速率、低時延等對光纖容量及連接密度提出更高要求，對網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化提出挑戰(zhàn)，光纖基礎設施架構(gòu)、功能、拓撲和光纖類型都將發(fā)生變化。

       光纜網(wǎng)架構(gòu)分為核心層、匯聚層和接入層，其中，接入層由主干光纜、配線光纜和引入光纜構(gòu)成，方便快捷的邊緣接入層有利于低成本、高帶寬業(yè)務的快速接入和開通。為提高基礎資源利用率，城域網(wǎng)將逐漸向一張網(wǎng)絡同時承載多種業(yè)務的方向發(fā)展演進，以實現(xiàn)包括無線、固定寬帶、專線、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等在內(nèi)的綜合業(yè)務承載。

       如圖所示，典型的城域接入層光纜拓撲包括點到點、接入主干鏈和主干環(huán)等。接入主干光纜的典型纖芯數(shù)量為144/288芯，配線段光纜的典型纖芯數(shù)量為12 /24芯?，F(xiàn)階段城域使用的光纖類型主要為G.652光纖。

圖 | 城域接入層光纜典型拓撲

  5G網(wǎng)絡建設初期，前傳以光纖直驅(qū)方式為主，配線光纜壓力尚不明顯，主干光纜面臨較大纖芯壓力，可考慮采用WDM技術(shù)或新建光纜方式進行纖芯擴容。隨著5G網(wǎng)絡發(fā)展演進，配線光纜也將存在擴容需求。

       新型光纖光纜方面，5G帶來海量光纖需求，有限的管道資源內(nèi)布放大量光纖將帶來光纖尺寸和彎曲性能等挑戰(zhàn)，高抗彎光纖、小型化和高密度光纜需求迫切。多模光纖配合多模光模塊可有效降低成本及功耗，更長傳輸距離的新一代多模光纖正在研發(fā)，同時可能出現(xiàn)適用于前傳的單模和多模通用光纖以及多模和單模光纖共纜的新需求。

       此外，充分利用已有FTTH光纖基礎設施資源，實現(xiàn)固定和移動基礎資源共享可大幅節(jié)省投資并加快工程進度。

   5G光模塊和芯片

   面向5G承載，25/50/100Gb/s新型高速光模塊將逐步在前傳、中傳和回傳接入層引入，N×100/200/400Gb/s高速光模塊將在回傳匯聚和核心層引入。5G光模塊在傳輸距離、調(diào)制方式、工作溫度和封裝等方面存在不同方案，需結(jié)合應用場景、成本等因素適需選擇。下表為不同應用場景下光模塊的典型技術(shù)方案。

表 | 5G光模塊典型技術(shù)方案

  5G前傳

       前傳AAU側(cè)光模塊涉及室外應用，需要工業(yè)級(-40~85℃)光模塊。工業(yè)級激光器芯片的主流實現(xiàn)方案有三種：

       方案一“商業(yè)級激光器芯片+制冷封裝”，該方案對芯片要求低，但功耗和成本高；

       方案二“直接采用工業(yè)級激光器芯片”，該方案封裝簡單、功耗和成本低，但25GBaud工業(yè)級激光器芯片工藝實現(xiàn)存在挑戰(zhàn)，供應渠道有限；

       方案三“硅光調(diào)制器+異質(zhì)激光器”，在90~95℃極端高溫環(huán)境存在用武之地。

       另外，5G前傳光纖資源緊張，單纖雙向(Bidi)和多電平調(diào)制(PAM4)技術(shù)具備競爭優(yōu)勢。標準化層面，IEEE802.3cp開始進行25/50Gb/s Bidi標準制定，國內(nèi)正同步開展25Gb/s Bidi光模塊通信行業(yè)標準制定。此外，由于前傳光模塊需求規(guī)模在5G相關(guān)光模塊整體市場中占比較大，主流模塊和設備商也在廣泛嘗試DMT、超頻等其他低成本實現(xiàn)路徑，基本思路都是通過更復雜的電調(diào)制解調(diào)技術(shù)降低光模塊對激光器帶寬和數(shù)量的要求。

  5G中傳和回傳

       中傳和回傳的光模塊應用于散熱條件好的機房環(huán)境，可采用商業(yè)級芯片。80km以下傳輸距離，包括25Gb/s NRZ、50/100/200/400Gb/s PAM4光模塊等方案。目前，高線性度的PAM4電芯片已經(jīng)商用，25/50GBaud高線性度激光器和探測器芯片仍需要進一步的工藝改進。

       5G中傳和回傳也可能采用WDM環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，低成本彩光模塊有待研發(fā)。80km及以上傳輸距離，相干光模塊將成為主流。標準化方面，OIF 400ZR基本方案已確定(64GBaud DP-16QAM)，IEEE802.3b10k已確定80km單載波100/400Gb/s相干光模塊目標。

  5G光模塊對光電芯片的典型需求如下表所示。產(chǎn)業(yè)化方面，國內(nèi)企業(yè)在光模塊層面能夠提供大部分產(chǎn)品，研發(fā)水平緊跟國外領(lǐng)先企業(yè)，但25GBaud及以上速率的核心光電芯片尚處于在研、樣品或空白階段，與領(lǐng)先企業(yè)存在1~2代的技術(shù)差距。

圖 | 5G核心光電子芯片需求

  5G光模塊存在數(shù)千萬量級的巨大需求，更高速率、更長距離、更寬溫度范圍和更低成本的光模塊需求迫切。為支持5G承載技術(shù)及產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)需加快25GBaud及以上速率核心光電子芯片的研發(fā)突破。

  5G承載網(wǎng)絡設備

  5G承載網(wǎng)絡設備形態(tài)雖有所差異，但均呈向多技術(shù)融合發(fā)展趨勢，建議推動新開發(fā)的網(wǎng)絡設備能最大程度兼容不同技術(shù)方案。SPN和IP RAN增強功能方案均基于分組化承載技術(shù)，網(wǎng)絡協(xié)議和設備形態(tài)的融合發(fā)展趨勢日益顯著。分組化承載設備和M-OTN網(wǎng)絡設備大多采用統(tǒng)一信元交換內(nèi)核，L0~L3層應用根據(jù)SDN管控架構(gòu)和應用場景來配置。建議網(wǎng)絡設備商綜合不同技術(shù)方案的共性需求，從降低研發(fā)成本和提升網(wǎng)絡設備普適性的角度考慮，統(tǒng)一開發(fā)新的網(wǎng)絡設備架構(gòu)，共享核心處理芯片、業(yè)務板卡、光模塊和管控平臺，結(jié)合不同運營商的需求差異提供相應的線路板卡，包括支持以太網(wǎng)或FlexE的線路板卡、支持OTUk、OTUCn/FlexO的OTN線路板卡以及支持多波長組網(wǎng)調(diào)度的光層子架等。

  實際上，國際上的許多運營商都有類似PTN、IP RAN和OTN的網(wǎng)絡背景，都有面向5G和綜合業(yè)務承載的網(wǎng)絡演進發(fā)展訴求。SPN和IP RAN增強方案是基于IP/MPLS和電信級以太網(wǎng)增強輕量級TDM技術(shù)的演進思路，目的是解決分組承載網(wǎng)絡如何支持不同類型業(yè)務的帶寬隔離、確定性低時延和網(wǎng)絡硬切片等問題，實現(xiàn)5G和專線等多業(yè)務綜合承載;M-OTN方案是基于傳統(tǒng)OTN增強分組承載技術(shù)并簡化OTN的演進思路，是OTN適應分組業(yè)務發(fā)展趨勢，并重點針對5G前傳、中傳和回傳的低時延等需求而進行技術(shù)方案簡化和演進發(fā)展的產(chǎn)物，目的是解決OTN如何高效承載5G和專線等業(yè)務，并實現(xiàn)應用場景從干線、城域核心網(wǎng)絡逐步向城域匯聚和接入層的延伸。

       總結(jié)與展望

       5G新型業(yè)務特性的引入、無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)和核心網(wǎng)架構(gòu)革新變化等為承載技術(shù)的新一輪快速發(fā)展提供了契機，5G承載網(wǎng)絡呈現(xiàn)出三大性能需求和六大組網(wǎng)功能需求，受業(yè)務特性、運營商技術(shù)架構(gòu)與未來演進思路等多種因素影響， 5G承載呈現(xiàn)多種技術(shù)方案并行發(fā)展的態(tài)勢。從光纖基礎設施、光模塊及芯片以及承載設備的發(fā)展來看，部署更多光纖資源、加速高速率芯片和低成本光模塊研發(fā)、提升承載設備的差異化方案兼容性等至關(guān)重要，同時應遵循固移融合、綜合承載的原則，支撐5G承載網(wǎng)絡實現(xiàn)低成本快速部署。

  “5G商用，承載先行”。隨著5G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試點開展和預商用進程加快，5G承載技術(shù)方案還將繼續(xù)加強融合創(chuàng)新。5G承載工作組將與業(yè)界加強合作，聚焦共識，協(xié)同推動5G承載架構(gòu)、組網(wǎng)方案、共性支撐技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化方案和標準規(guī)范等相關(guān)研究，共同促進5G承載網(wǎng)絡技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展，為后續(xù)5G規(guī)?；渴鹛峁┯辛χ?。