淺談光模塊在5G光傳送網(wǎng)的應用
發(fā)布日期:2019-09-19
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5G分離的RAN構架
相對于4G LTE接入網(wǎng)的BBU和RRU兩級構架，5G RAN將演進為CU、DU 和 AAU三級結(jié)構。
▲RAN功能模塊重構示意圖
CU：原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU（Centralized Unit，集中單元），負責處理非實時協(xié)議和服務。
這樣，RAN分離后，承載網(wǎng)也就分成了三個部分：前傳、中傳和回傳。
相對于4G LTE接入網(wǎng)的BBU和RRU兩級構架，5G RAN將演進為CU、DU 和 AAU三級結(jié)構。
▲RAN功能模塊重構示意圖
CU：原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU（Centralized Unit，集中單元），負責處理非實時協(xié)議和服務。
AAU：BBU的部分物理層處理功能與原RRU合并為AAU （Active Antenna Unit，有源天線處理單元）。
DU：BBU的剩余功能重新定義為DU（Distribute Unit，分布單元），負責處理物理層協(xié)議和實時服務。
這樣，RAN分離后，承載網(wǎng)也就分成了三個部分：前傳、中傳和回傳。
前傳（Fronthaul）：AAU和DU之間。
中傳（Middlehaul）：DU和CU之間。
回傳（Backhaul）：CU 以上。
▲RAN組網(wǎng)架構示意圖
其中，有一種5G部署與4G類似，采用CU和DU合設的方式，只有前傳和回傳，主要為了降低時延，如上圖(b)。
數(shù)據(jù)中心通信光模塊可按照連接類型分為三類：
數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心大型化、扁平化趨勢推動光模塊向兩方面發(fā)展：
數(shù)據(jù)中心大型化趨勢導致傳輸距離需求提升，多模光纖的傳輸距離受限于信號速率的提升，預計將逐漸被單模光纖代替。而光纖鏈路成本由光模塊和光纖兩部分組成，針對不同的距離，也有不同的適用方案。就數(shù)據(jù)中心通信所需的中長距離互聯(lián)而言，有著誕生自MSA的兩種革命性方案：
國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心光模塊的應用有所區(qū)別。
5G承載光模塊應用場景
5G光模塊典型應用場景及需求分析如下表所示。
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▲5G承載光模塊應用場景及需求分析
5G前傳的典型應用場景如下圖所示，包括光纖直連、無源WDM和有源WDM/光傳送網(wǎng)（OTN）/切片分組網(wǎng)（SPN）等。光纖直連場景一般采用25Gb/s灰光模塊，支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型，主要包括300m和10km兩種傳輸距離。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(xiàn)多個AAU到DU間的連接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模塊。有源WDM/OTN場景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設備間一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設備間需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。
▲5G前傳典型應用場景
5G承載光模塊發(fā)展現(xiàn)狀
▲5G前傳光模塊技術現(xiàn)狀
▲5G中回傳光模塊技術現(xiàn)狀
回傳（Backhaul）：CU 以上。
▲RAN組網(wǎng)架構示意圖
其中，有一種5G部署與4G類似，采用CU和DU合設的方式，只有前傳和回傳，主要為了降低時延，如上圖(b)。
光模塊在數(shù)據(jù)中心的應用
現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心已不再僅僅是一座或幾座機房，而是一組數(shù)據(jù)中心集群。為實現(xiàn)各種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和應用市場的正常工作，要求數(shù)據(jù)中心之間協(xié)同運轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)中心之間信息實時海量交互，這就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡需求，光纖通信則成為了實現(xiàn)互聯(lián)的必要手段。
與傳統(tǒng)的電信接入網(wǎng)傳輸設備不同，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)要實現(xiàn)信息量更大、更密集的傳輸，就要要求交換設備擁有更高速率、更低功耗，以及更加小型化。而決定這些性能是否能夠?qū)崿F(xiàn)的一個核心因素，則是光模塊。信息網(wǎng)絡主要以光纖作為傳輸介質(zhì)，但目前計算、分析還必須基于電信號，而光模塊就是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件。
數(shù)據(jù)中心通信光模塊可按照連接類型分為三類：
（1）數(shù)據(jù)中心到用戶，由訪問云端進行瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)電子郵件和視頻流等終端用戶行為產(chǎn)生；
（2）數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，主要用于數(shù)據(jù)復制、軟件和系統(tǒng)升級；
（3）數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，主要用于信息的存儲、生成和挖掘。根據(jù)預測，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信占數(shù)據(jù)中心通信70％以上的比例，數(shù)據(jù)中心建設的大發(fā)展，也就催生了高速光模塊的發(fā)展。
數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心大型化、扁平化趨勢推動光模塊向兩方面發(fā)展：
· 傳輸速率需求提升
· 數(shù)量需求增長
數(shù)據(jù)中心大型化趨勢導致傳輸距離需求提升，多模光纖的傳輸距離受限于信號速率的提升，預計將逐漸被單模光纖代替。而光纖鏈路成本由光模塊和光纖兩部分組成，針對不同的距離，也有不同的適用方案。就數(shù)據(jù)中心通信所需的中長距離互聯(lián)而言，有著誕生自MSA的兩種革命性方案：
· PSM4（Parallel Single Mode 4 lanes）
· CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes）
其中，PSM4光纖使用量是CWDM4的4倍，當鏈路的距離較長時，CWDM4方案成本則相對較低。
國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心光模塊的應用有所區(qū)別。
美國數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換機互連以單模光纖為主，在100G時代廣泛采用CWDM4/PSM4光模塊， 400G時代目前以DR4為主；服務器與交換機互連大多采用電纜DAC。隨著時間的推移和模塊速率的提升，美國數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)方案中多模光纖和直連電纜DAC的比重將越來越低。
中國數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換機互連以多模光纖為主，單模光纖占比逐漸上升。目前國內(nèi)400G的需求很少，在100G時代采用SR4/CWDM4模塊，服務器和交換機之間的互連大多采用有源光纜AOC。
光纖傳送網(wǎng)中的翹楚：CWDM光模塊
CWDM光模塊采用CWDM技術，可以通過外接波分復用器，將不同波長的光信號復合在一起，通過一根光纖進行傳輸，從而節(jié)約光纖資源。同時，接收端需要使用波分解復用器對復光信號進行分解。
CWDM光模塊通常用于CWDM系統(tǒng)內(nèi)，比DWDM光模塊的成本要低，應用也十分廣泛。在一個CWDM系統(tǒng)內(nèi)，CWDM光模塊插在交換機里，用跳線將CWDM光模塊和CWDM分解復用器或OADM光分插復用連接進行工作。
CWDM光模塊在CWDM系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮了巨大的作用，成功解決了光纖傳送網(wǎng)中的問題。
CWDM光模塊有8大優(yōu)勢，總結(jié)如下：
CWDM光模塊有8大優(yōu)勢，總結(jié)如下：
1、對數(shù)據(jù)的“透明”傳輸；
2、超大容量，充分利用光纖巨大的帶寬資源；
3、大大節(jié)省了光纖資源，降低建設成本；
4、高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性以及可靠性；
5、可全光網(wǎng)交換，實現(xiàn)長距離的無電中繼傳輸；
6、簡化的激光器模塊，從而減小了設備的體積，節(jié)約機房空間；
7、光層恢復獨立于業(yè)務和速率，可對數(shù)據(jù)進行有效保護；
8、無需半導體制冷器和溫度控制功能，所以可以明顯減小功耗，僅為DWDM的12.5%。
5G承載光模塊應用場景
5G時代即將到來，為光通信領域帶來無限的商機，基于5G基站的光模塊成為近兩年的研究熱點。5G承載網(wǎng)絡一般分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內(nèi)干線，實現(xiàn)5G業(yè)務的前傳和中回傳功能，其中各層設備之間主要依賴光模塊實現(xiàn)互連。
5G前傳網(wǎng)絡條件下25Gb/s（eCPRI/CPRI）速率模塊以SFP28為主，雙纖雙向、單纖雙向、25G WDM（包含Tunable波長可調(diào)諧）模塊等方案可減少光纖使用量大幅降低建設成本。
中傳可利用現(xiàn)有成熟的25G光器件，采用PAM4技術將光器件帶寬提升一倍；10km和40km傳輸距離將覆蓋90%以上的應用場景，超過80km的傳輸距離則采用相干技術。
5G光模塊典型應用場景及需求分析如下表所示。
-----▲5G承載光模塊應用場景及需求分析
5G前傳的典型應用場景如下圖所示，包括光纖直連、無源WDM和有源WDM/光傳送網(wǎng)（OTN）/切片分組網(wǎng)（SPN）等。光纖直連場景一般采用25Gb/s灰光模塊，支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型，主要包括300m和10km兩種傳輸距離。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(xiàn)多個AAU到DU間的連接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模塊。有源WDM/OTN場景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設備間一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設備間需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。
▲5G前傳典型應用場景
5G前傳應用場景對光模塊的典型要求如下：
（1） 滿足工業(yè)級溫度范圍，可靠性要求高：考慮AAU全室外應用環(huán)境，前傳光模塊需滿足-40℃~+85℃的工業(yè)級溫度范圍，以及防塵等要求。
（2） 低成本：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(shù)千萬量級的需求，低成本是產(chǎn)業(yè)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(xiàn)有傳送網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心使用的光模塊技術差異不大，接入層將主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模塊，匯聚層及以上將較多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模塊。
5G承載光模塊發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外標準化組織國際電聯(lián)（ITU-T）、電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）、光互聯(lián)論壇（OIF）、4WDM等多源協(xié)議（MSA）、中國通信標準化協(xié)會（CCSA）等正在開展5G承載相關的光模塊規(guī)范制定，涉及的模塊類型和接口特性各不相同、種類繁雜。前傳光模塊主要包括25Gb/s和100Gb/s兩大速率類型，支持數(shù)百m到20km的典型傳輸距離，具體技術現(xiàn)狀如表所示。
▲5G前傳光模塊技術現(xiàn)狀
5G中回傳光模塊主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多種速率，典型傳輸距離從幾km到數(shù)百km，支持CPRI、eCPRI、以太網(wǎng)、OTN等多種接口協(xié)議，以及NRZ、PAM4、DMT等調(diào)制格式，具體技術現(xiàn)狀下表所示。
▲5G中回傳光模塊技術現(xiàn)狀