5G承載光模塊典型應(yīng)用場景及趨勢分析

2019年6月，我國工業(yè)和信息化部向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通和中國廣電4家運營企業(yè)發(fā)放5G商用牌照，標志著我國5G商用正式啟動。2020年3月，5G網(wǎng)絡(luò)被確定為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點之一，進一步促進5G相關(guān)產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。

5G承載網(wǎng)絡(luò)為5G無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接，光模塊是5G承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，近年來隨著速率提升，光模塊在系統(tǒng)設(shè)備中的成本占比不斷攀升，已成為5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵要素之一。相比于4G，5G承載在速率容量、傳輸距離、工作環(huán)境、光纖資源和同步特性等方面都對光模塊提出了新型差異化要求。

5G承載光模塊典型應(yīng)用場景

5G前傳的典型應(yīng)用場景包括光纖直連、波分復用和其他有源傳輸技術(shù)。小規(guī)模集中場景可采用光纖直連方案，包括雙纖雙向和單纖雙向，如圖1（a）所示。光纖直連網(wǎng)絡(luò)簡潔、易于維護、時延較低但消耗大量光纖資源。密集城區(qū)等中等以上規(guī)模集中場景需引入波分復用方案來解決C-RAN（Cloud-Radio Access Network，云無線接入網(wǎng)）模式下的AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）拉遠。WDM方案減少光纖占用、容量大但面臨其他問題如成本增加、鏈路預(yù)算大等，可細分為無源WDM、半有源WDM和有源WDM，如圖1（b）-1（d）所示。

5G部署初期，前傳將以光纖直連和無源WDM方案為主，后續(xù)隨著網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模逐步擴大，尤其是C-RAN小集中和大集中部署模式的規(guī)模應(yīng)用，基于半有源WDM的部署占比將會顯著提升。

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

5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層，接入層和匯聚層將主要采用25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s等速率的灰光或彩光模塊，核心層將較多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的彩光模塊。

5G承載光模塊三大發(fā)展趨勢

目前業(yè)界針對5G承載光模塊提出了多種解決方案，部分方案已逐步成熟并走向規(guī)模應(yīng)用，需要業(yè)界合力推動進一步收斂聚焦。5G承載光模塊發(fā)展呈現(xiàn)出三大演進趨勢。

一是25G前傳灰光模塊基本成熟，彩光模塊呈現(xiàn)多種WDM方案競爭。

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，在光纖資源充裕的場景中，前傳將以光纖直連方式為主，主要采用25Gbit/s灰光模塊?；镜乃纤禄ミB可采用300m雙纖雙向灰光模塊，用于傳輸距離更遠或鏈路損耗更大的AAU與接入機房之間的互連可采用10/15km雙纖雙向或單纖雙向灰光模塊。25Gbit/s雙纖雙向灰光模塊已基本成熟，參考標準包括IEEE802.3-2018和YD/T 3125.2-2019，將優(yōu)先采用超頻方案，PAM4方案取決于配套芯片性能和規(guī)模效應(yīng)。25Gbit/s單纖雙向灰光模塊以波分復用1270/1330nm方案為主，基于NRZ調(diào)制碼型的光模塊產(chǎn)品在10/15km距離規(guī)格已基本成熟，基于PAM4調(diào)制碼型的光模塊處于少量樣品階段，行業(yè)標準YD/T2759.2-2020對NRZ 10/15km和PAM4 10km距離規(guī)格進行了規(guī)范。

前傳彩光模塊考慮到色散問題和成本等因素，出現(xiàn)粗波分復用（CWDM）、中等波分復用（MWDM）、細波分復用（LWDM）和密集波分復用（DWDM）等多種競爭方案，主要占用C波段和O波段。

25Gbit/s CWDM彩光模塊使用ITU-T G.694.2規(guī)范的波長，從1271nm到1611nm，共18個波長，目前從短波長開始前6波（1271nm~1371nm）比較成熟，國內(nèi)已有規(guī)模應(yīng)用。發(fā)送和接收端采用DML（Directly Modulated Laser，直接調(diào)制激光器）和PIN（Positive Intrinsic Negative，P型-本征型-N型）探測器方案，其中前4波可共用數(shù)據(jù)中心100GE CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，成本較低。為滿足工業(yè)級應(yīng)用，AAU側(cè)光模塊需采用帶制冷的DML激光器。中國信通院已牽頭開始25Gbit/s CWDM行業(yè)標準的制定，ITU-T SG15 Q6也已啟動是否基于25Gbit/s 前傳速率修訂G.695 CWDM標準的討論。

25Gbit/s MWDM彩光模塊在CWDM前6波基礎(chǔ)上進行左右偏移擴展為12波，采用非均勻的波長間隔。MWDM方案可重用CWDM方案中DML激光器成熟的設(shè)計經(jīng)驗及工藝控制技術(shù)，與CWDM共外延工藝和芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈。中國移動正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進行MWDM的行業(yè)標準制定，同時在ITU-T和O-RAN中推動國際標準立項，相應(yīng)產(chǎn)品目前處于測試驗證和試商用階段。

25Gbit/s LWDM彩光模塊以IEEE 802.3-2018規(guī)范中400GE LR8的8個波長為基礎(chǔ)，按照800GHz通道間隔等距擴展的方式來實現(xiàn)12個波長。LWDM波長位于O波段，色散代價小，可采用DML激光器和PIN探測器解決10/15km距離傳輸，其中基礎(chǔ)的8個波長可重用100GE LR4和400GE LR8產(chǎn)業(yè)鏈。中國電信正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進行LWDM的行業(yè)標準制定和測試驗證，并在ITU-T推動國際標準立項，目前國內(nèi)已有局部試點應(yīng)用。

根據(jù)ITU-T SG15 2020年9月份全會最新討論進展，預(yù)計將結(jié)合CWDM/MWDM/LWDM的多重立項需求，將立項面向5G前傳的新標準G.owdm，以便開展基于O波段25Gbit/s WDM標準制定，具體參數(shù)細節(jié)后續(xù)開展研究。

25Gbit/s DWDM光模塊基于ITU-T G .698.4標準，采用C波段（1529.55nm~1565.50nm），通道間隔為100GHz時可支持40個波長，大幅提升系統(tǒng)容量、節(jié)約光纖資源，因受色散限制主要采用EML（Electro-absorption modulated laser，電吸收調(diào)制激光器）和APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管）探測器，成本較高。技術(shù)方案方面，25Gbit/s DWDM光模塊包括波長可調(diào)諧與固定波長兩種不同的實現(xiàn)手段。中國聯(lián)通正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進行DWDM的行業(yè)標準制定，同時將在已立項的ITU-T G.698.x系列（G.698.1/G.698.2/G.698.4）修訂標準中增加25Gbit/s速率技術(shù)要求。

二是中回傳光模塊平穩(wěn)發(fā)展，近期將以非相干灰光模塊為主。

接入和匯聚層將主要采用25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等速率的灰光模塊。目前，25Gbit/s雙纖雙向40km光模塊產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，國內(nèi)外標準IEEE 802.3-2018和YD/T 3125.2-2019已經(jīng)發(fā)布。50Gbit/s雙纖雙向和單纖雙向光模塊主要采用25GBaud光芯片和PAM4調(diào)制格式，根據(jù)距離可采用DML或EML激光器。50Gbit/s雙纖雙向光模塊有10km和40km兩種距離規(guī)格，國內(nèi)外標準IEEE 802.3-2018、IEEE 802.3cn-2019和YD/T 3713-2020已經(jīng)發(fā)布。50Gbit/s單纖雙向光模塊的國際標準處于在研階段，有10km、20km、40km三種距離規(guī)格，IEEE 802.3cp D2.1對上下行波長進行了建議；國內(nèi)行業(yè)標準將于2020年下半年征求意見和送審，2021年上半年制定完成。

核心層的典型傳輸距離為40km~80km，核心層將較多采用100Gbit/s、200Gbit/s和400Gbit/s等速率的相干光模塊，隨著硅光和低成本DSP技術(shù)的發(fā)展，低成本相干光模塊被視為新的發(fā)展熱點。

三是光模塊產(chǎn)業(yè)基本準備就緒，新特性測試評估有序進行。

為進一步評估5G承載光模塊發(fā)展水平，促進5G光模塊產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方協(xié)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。相對于首次測評，第二次測評在參與廠商數(shù)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(fā)布或在研的IEEE 802.3標準及草案、CCSA行業(yè)標準及草案、MSA等相關(guān)要求，在光電接口、長期穩(wěn)定性、互通能力、設(shè)備和儀表兼容性方面?zhèn)€別模塊仍存在一些尚待完善的問題。

5G前傳、中回傳對新型光模塊提出了差異化需求，5G承載光模塊多樣化技術(shù)方案并存發(fā)展的態(tài)勢預(yù)計短期內(nèi)仍將持續(xù)，分支過多將帶來重復開發(fā)、資源浪費、市場碎片化等問題，在一定程度上影響產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)模協(xié)調(diào)發(fā)展。為盡可能降低多樣化方案并行帶來的潛在影響，建議5G前傳相關(guān)業(yè)界從部署需求、傳輸性能優(yōu)化、低成本建設(shè)及便捷運維管理、產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展等多方面綜合考慮，從標準層面加強共性技術(shù)協(xié)同推動，統(tǒng)一管控模型及操作管理維護（OAM，Operation Administration and Maintenance）機制，進一步優(yōu)化和完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，使業(yè)界資源得到有序配置，通過規(guī)模效應(yīng)實現(xiàn)成本降低。（本文作者均來自中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所）
責任編輯：tzh