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55G承载光模块白皮书光模

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一、5G承载光模块应用场景及发展现状

1 5G承载光模块需求分析

目前,5G频谱的中低频段(6GHz以下)与高频段(6GHz以上)正协同推进。全球在3400- 3800MHz中低频段共识度较高,多国已开展该频段全部或部分频谱的许可准备或首批许可。在高 频段方面,美国、韩国进展较快,其他多个国家也正在积极论证或公开征求意见。我国三大运营 商和中国广电已获得全国范围5G中低频段频率使用许可,中国广电与中国移动将共建共享703-743 MHz、758-798MHz共80MHz频谱带宽,中国移动获得2515-2675MHz、4800-4900MHz 共260MHz频谱带宽,中国电信获得3400-3500MHz共100MHz频谱带宽,中国联通获得3500- 3600MHz共100MHz频谱带宽,中国电信与中国联通将共建共享200MHz频谱带宽。5G时代面临更高 的建网投资和更快的建网挑战,我国运营商正加强合作,开展5G网络的共建共享工作。在高频段方 面,2017年6月我国发布了关于在毫米波频段规划5G系统使用频率的公开征求意见函;2020年4月, 工业和信息化部部分关于推动5G加快发展的通知,将适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划。

5G承载网络是为5G无线接入网和核心网提供网络连接的基础网络,具备灵活调度、组网保护和 管理控制等功能,以及带宽、时延、同步和可靠性等方面的性能保障。5G承载网络架构可以划分为 城域接入层、城域汇聚和核心层,以实现5G前传、中传和回传功能,如图1所示。

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4G基站基带处理单元(BBU)与远端射频单元(RRU)之间主要基于10Gb/s及以下速率的通用 公共无线接口(CPRI)接口,5G基站由于频谱带宽显著增加、基站处理功能重新分割等因素,将采用 基于25Gb/s速率的演进型CPRI(eCPRI)接口来满足分布单元(DU)与有源天线处理单元(AAU)之间的前传需求,25Gb/s成为5G前传光模块的典型速率。对于100MHz频谱宽度、S111、64T64R站 型,通常需要3个25Gb/s eCPRI接口,160MHz频谱宽度和共建共享模式下的200MHz频谱宽度通常需 要6个25Gb/s eCPRI接口。5G建设初期,无线接入网通常采用分布式无线接入网(DRAN)和集中式 无线接入网(CRAN)小集中模式;5G建设中后期,无线接入网将以CRAN为主,从小集中向大集中演进。 

截止2020年6月底,全国范围内已建设开通5G基站超过40万个,未来5G建设将持续投入,为达到与4G相同的覆盖能力,预计5G基站整体建设规模将达到数百万站,带来千万量级的前传光模块需求。

2 5G承载光模块应用场景

5G前传的典型应用场景包括光纤直连、波分复用和其他有源传输技术。小规模集中场景可采用 光纤直连方案,包括双纤双向和单纤双向,如图2a)所示,无需额外的传输设备,具备低延时、低成本优势,但对光纤资源消耗较大。在密集城区等中等以上规模集中场景,需引入波分复用方案来解决 CRAN模式下的AAU拉远。波分复用技术可以在单根光纤复用多个波长,整体优势是容量大、节省光纤资源,缺点是成本高、链路预算大,又可细分为无源WDM、半有源WDM和有源WDM。无源WDM方案中,光模块位于AAU和DU设备,通过无源波分复用/解复用器件进行合分波,如图2 b)所示,该方案无需额外供电,但管理维护能力较弱。有源WDM方案在AAU侧和DU侧均采用有源设备进行业务接入和传输,如图2c)所示,该方案传输设备与无线设备管理界面清晰,支持完善的管理维护能力,但考虑到AAU侧的工作环境、室外设备供电等情况,成本较高,并存在时延和同步方面的QoS风险。半有源WDM方案在AAU侧使用无源波分复用器以简化部署难度并降低成本,DU侧使用有源设备通过光模块调顶等方式实现运维管理,如图2 d)所示,该方案综合了无源和有源方案的特点,是当前业界研究重点,产品研发和标准化工作正在积极推进。

 

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5G部署初期,前传将以光纤直连和无源WDM方案为主,后续随着网络部署规模逐步扩大,尤其是CRAN小集中和大集中部署模式的规模应用,基于半有源WDM的部署占比将会显著提升。

5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层,接入层和汇聚层将主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模块,核心层及以上将较多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的彩光模块。

3 5G承载光模块发展现状

5G前传光模块涉及室外应用,需满足工业级温度范围和高可靠性要求,同时,由于基站数量庞大,还需满足运维管理简单和低成本。业界正在广泛开展5G前传光模块的技术研究与标准制定,涉及的模块类型和接口特性各不相同,除双纤双向方案外,出现了单纤双向(BiDi)和WDM技术方案。

5G前传光模块的典型技术方案如表1所示。

5G中回传光模块的典型技术方案如表2所示。

 

整体来看,5G承载光模块类型仍然较多,随着光器件芯片技术、标准和应用需求的发展,光模块类型可能会进一步收敛。

前传光模块关键技术方案光模块关键技术方案

1 25Gb/s灰光模块

5G网络建设初期,在光纤资源充裕的场景中,前传将以光纤直连方式为主,主要采用25Gb/s灰光 模块。基站的塔上塔下互连可采用300m双纤双向灰光模块,用于传输距离更远或链路损耗更大的AAU与接入机房之间的互连可采用10/15km双纤双向或单纤双向灰光模块。

25Gb/s双纤双向灰光模块已基本成熟,参考标准包括IEEE802.3-2018和YD/T 3125.2-2019。从技术方案来看,可采用25GBaud或10GBaud两种激光器芯片来实现,25GBaud工业级激光器芯片可靠性与量产工艺要求较高,市场供应渠道有限;10GBaud工业级激光器芯片可充分利用成熟的供应链,有效降低光模块成本,目前业界主要有超频、PAM4高阶调制两种实现方案。超频方案根据不同传输距离可采用FP(300m)或DFB(10km/15km)激光器芯片,目前均已成熟。PAM4方案采用的配套电芯片已有相关样品,目前处于光模块关键参数测试验证阶段,使用效果和综合成本有待进一步评估。综上,25Gb/s双纤双向灰光模块将优先采用超频方案,PAM4方案取决于配套芯片性能和规模效应。

25Gb/s单纤双向灰光模块以波分复用1270/1330nm方案为主,基于NRZ调制码型的光模块产品在10/15km距离规格已基本成熟,基于PAM4调制码型的光模块处于少量样品阶段,行业标准YD/T2759.2-2020对NRZ 10/15km和PAM4 10km距离规格进行了规范。由于BiDi方案具有节省50%光纤资源、时延对称性等优势,在5G前传网络光纤直驱场景中将发挥重要作用。

2 25Gb/s彩光模块

5G网络建设中后期,随着高频组网及低频增点等深度覆盖,为充分利用已有光纤资源,波分复用的部署规模将逐步扩大,25Gb/s WDM方案成为业界研究热点,目前存在粗波分复用(CWDM)、中等波分复用(MWDM)、细波分复用(LWDM)和密集波分复用(DWDM)四种25Gb/s彩光模块方案。针对100M频谱带宽的S111站型,单个基站通常需要6波25Gb/s;针对160M/200M频谱带宽的S111站型,单个基站通常需要12波25Gb/s。同时,考虑与4G共站,还存在25Gb/s与10Gb/s不同速率的波分复用需求,本白皮书重点关注6波和12波25Gb/s技术方案。

CWDM:CWDM彩光模块使用ITU-T G.694.2规范的波长,从1271nm到1611nm,通道间隔20nm,共18个波长。在25Gb/s CWDM光模块实际应用中,由于长波长色散代价较大,目前从短波长开始前6波(1271nm~1371nm)成熟可用,发送和接收端采用DML激光器和PIN探测器方案,其中前4波可共用数据中心100GE CWDM4产业链,成本较低。中间6波(1391nm~1491nm)由于早期受光纤水峰效应的影响,激光器产业链相对空白。后6波(1511nm~1611nm)受色散限制需使用EML激光器或APD探测器来保证链路功率预算,成本较高。综上,25Gb/s CWDM彩光模块可很好地满足6波需求,国内已有规模应用,为满足工业级应用,AAU侧光模块需采用带制冷的DML激光器。国际标准方面,ITU-T SG15 Q6 已启动是否开展基于25Gb/s CWDM技术标准修订的讨论。

MWDM:25Gb/s MWDM彩光模块在CWDM前6波基础上进行左右偏移扩展为12波,采用非均匀的波长间隔,波长具体信息见图3。MWDM方案可重用CWDM方案中DML激光器成熟的设计经验及工艺控制技术,通过调整光栅参数实现波长偏移,与CWDM共外延工艺和芯片制造产业链。中国移动正在组织产业链上下游进行MWDM的行业标准制定,同时在ITU-T和O-RAN推动国际标准立项,相应产品目前处于测试验证和试商用阶段。2019年11月,华为、中兴、中信科三家设备厂商在中国移动全球合作伙伴大会上进行了Open-WDM/MWDM系统展示。2019年11月,中国移动启动MWDM等实验室测试,预计将于2020年8月底完成十余家设备商、模块商支持OAM的MWDM光模块异厂家互通测试。2020年5月至今,甘肃移动、云南移动、福建移动、湖南移动等十余个省份已开通基于半有源 MWDM的 5G 前传商用网络。

LWDM:25Gb/s LWDM彩光模块以IEEE 802.3-2018规范中400GE LR8的8个波长为基础,按照800GHz通道间隔等距扩展的方式来实现12个波长,波长具体信息见图3。LWDM波长位于O波段,色散代价小,可采用DML激光器和PIN探测器解决10/15km距离传输,其中基础的8个波长可重用100GE LR4和400GE LR8产业链。中国电信正在组织产业链上下游进行LWDM的行业标准制定和测试验证,并在ITU-T推动国际标准立项,目前国内已有少量试点应用。

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DWDM:25Gb/s DWDM光模块基于ITU-T G.698.4标准,采用C波(1529.55nm~1565.50nm)通道间隔为100GHz时可支持40个波长,大幅提升系统容量、节约光纤资源,受色散限制主要采用EML激光器和APD探测器,成本较高。技术方案方面,25Gb/s DWDM光模块包括两种不同的实现手段,一是采用波长可调谐光模块,该方案具有端口无关、波长自适应特 性等优点,一种光模块可满足不同应用场景需求,但成本较高、实现难度较大。目前全波段可调谐光 模块处于量产阶段,同时,业界正在积极研发低成本的窄带可调光模块,目前处于小批量样品验证阶段。二是采用固定波长光模块,波长识别和管理繁琐,整体运行维护较复杂。中国联通正在组织产业链上下游进行DWDM的行业标准制定,并将在已立项的ITU-T G.698.x系列(G.698.1/G.698.2/ G.698.4)修订标准中增加25Gb/s速率。

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调顶技术用于实现光模块的管理维护,主要有幅度调制和频率调制两种技术方案。幅度调制方案实现相对简单,典型调制深度小于5%、调顶代价小于0.5dB,采用曼彻斯特编码,部分场景中还可以结合不同的载频来标识波长。频率调制接收灵敏度相比幅度调制有显著提升、调顶代价更低,但技术难度较高。现阶段,为尽快在5G前传光模块中实现调顶功能、推进产业化应用,调顶技术将主要采用幅度调制,并将频率调制作为可选方案。

以上WDM彩光模块技术方案各有优缺点,共性特性主要包括采用了25Gb/s传输速率、10km量级传输距离、优选单纤双向和半有源工作方式、增加在线维护管理机制等,但在传输容量、光模块及合分波器件中心波长、波长是否可调、管控开销实现机制等方面仍存在典型差异,呈现多种方案并行发展、产业化能力同步推进的态势。2019年底,中国通信标准化协会(CCSA)已对4种25Gb/s WDM系统及彩光模块进行了行业标准立项,2020-2021年将进行标准制定工作,预计2021年上半年整体制定完成。

中回传光模块关键技术方案光模块关键技术方案

 

5G中回传覆盖城域接入、汇聚与核心层,主要采用提升模块速率或波分复用等方式提升承载容量,典型速率包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s,传输距离从十几km到上百km,近期将以非相干灰光模块为主,同时积极推动低成本相干彩光模块的研发进度。接入和汇聚层将主要采用25Gb/s、50Gb/s和100Gb/s等速率的灰光模块。目前,25Gb/s双纤双向40km光模块产业链已经成熟,国内外标准IEEE802.3-2018和YD/T 3125.2-2019已经发布。50Gb/s双纤双向和单纤双向光模块主要采用25GBaud光芯片和PAM4调制格式,根据距离可采用DML或EML激光器。50Gb/s双纤双向光模块有10km和40km两种距离规格,国内外标准IEEE802.3-2018、IEEE802.3cn-2019和YD/T 3713-2020已经发布。50Gb/s单纤双向光模块的国际标准处于在研阶段有10km、20km、40km三种距离规格,IEEE802.3cp D2.1对上下行波长的建议如表3所示;国内行业标准将于2020年下半年征求意见和送审,2021年上半年制定完成。

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核心层的典型传输距离为40km~80km,核心层将较多采用100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s等速率的相干光模块,随着硅光和低成本DSP技术的发展,低成本相干光模块被视为新的发展热点。中回传光模块的技术方案细节,参见2019年发布的第一版《5G承载光模块白皮书》。

5G承载光模块产业发展分析

1 光模块及芯片产业化水平

国内外光模块厂商围绕5G应用积极开展5G承载光模块研发,目前的产品化能力如表4所示。

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5G承载光模块所使用的核心光芯片及电芯片,业界领先厂商的产业化能力如表5所示,国内目前整体上仍处于研发、样品或小批量阶段。

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2 光模块产业化能力测评

考虑到5G部署应用需求的紧迫性,为加速推动5G承载光模块核心技术研发,验证5G承载光模块技术方案设计,支撑国内外标准制定,推进5G承载光模块产业发展,5G承载工作组于2019年组织开展了第二次多厂家、多类型的5G承载光模块测试验证工作。光迅、海信、旭创、华工正源、新易盛、Finisar、Lumentum、索尔思、易飞扬、优博创、易锐、台达共12家国内外光模块厂商参加了测试,中国信息通信研究院承担具体测评工作,运营商中国移动、中国电信、中国联通,系统设备商华为、中兴、中信科,仪表商Keysight、VIAVI、VeEX对测试提供了大力支持。本次参测的光模块包括10Gb/s可调80km、25Gb/s BiDi 15km、25Gb/s BiDi 20km、25Gb/s LAN-WDM 10km、25Gb/s LWDM 20km、25Gb/s LWDM 40km、25Gb/s DWDM 10km、25Gb/s可调10km、50Gb/s PAM4 10km、50Gb/s PAM4 40km、50Gb/s PAM4 BiDi 10km、单波 100Gb/s 10km等12种类型,如表6所示。

 

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测评项目主要包括光接口关键参数、电接口关键参数、长期误码性能和丢包率、仪表环境下的异厂家互通和传输性能、系统设备兼容性、系统设备环境下的多厂家互通等,如图5所示。

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从测评结果来看,参测光模块样品在光电接口关键参数方面基本满足已发布或在研的IEEE802.3、多源协议(MSA)和CCSA行业标准相关要求,个别样品存在发送功率偏低、光调制幅度(OMA)偏低、消光比低、发射机色散眼图闭合(TDECQ)过大或在短压力型随机码(SSPRQ)码型条件下不可测、接收光反射不达标、压力灵敏度不达标、眼高偏低和仪表兼容性(激光器不可控制、仪表死机、与仪表适配器尺寸不匹配、在部分端口高误码、需修改寄存器内容才可兼容)等问题。在长期误码性能和丢包率测试中,25Gb/s光模块采用eCPRI业务分别在仪表前向纠错(FEC)开启和关闭的条件下进行了24小时长期测试,模块发送和接收端口间串连相应规格的光纤和可调光衰减器。个别模块出现高误码,其他大部分光模块可实现24小时无丢包无误码传输。(1)25Gb/s BiDi 15/20km光模块:收发端口间总衰减量(光纤+可调光衰)可达11.1~18.9dB(FEC开启)和7.0~15.8(FEC关闭)。(2)25Gb/s LWDM光模块:具有10/20/40km不同规格,在标称距离规格光纤和4端口合分波器所带来的衰减外,还具备9.2~15.2dB(FEC开启)和4.6~9.5dB(FEC关闭)的衰减余量。(3)25Gb/s DWDM 10km光模块:收发总衰减量(光纤+合分波器+可调光衰)为22.1~23.9dB(FEC开启)和16.4~18.4(FEC关闭),色散代价为1.63~3.85dB。(4)25Gb/s 10km波长可调谐光模块:共两只测试样品,分别支持1328.28nm、1328.87nm、1329.46nm、1330.05nm、1330.64nm、1331.23nm 6个波长通道可调谐和1331.82nm、1332.41nm、1333.00nm、1333.60nm、1334.19nm、1334.78nm 6个波长通道可调谐,传输性能与25Gb/s LWDM 10km规格光模块接近。(5)50Gb/s 10km光模块:收发端口间总衰减量(光纤+可调光衰)为11.7~15.8dB(FEC开启)。(6)50Gb/s 40km光模块:总衰减量(光纤+可调光衰)为20.9~25.0dB(FEC开启)。(7)50Gb/s BiDi 10km光模块:总衰减量(光纤+可调光衰)为11.0~14.8dB(FEC开启)。(8)100Gb/s 10km光模块:收发总衰减量(光纤+可调光衰)为11.6dB(模块内部FEC开启)。(9)10Gb/s 80km光模块:收发总衰减量(光纤+合分波器+可调光衰)为21.9~23.2dB(FEC关闭)。

从仪表环境异厂家互通测试结果来看:(1)25Gb/s BiDi 15/20km光模块:不同厂商的光模块波长方案统一,均为1330nm/1270nm,如图6(a)所示配置,在仪表开启FEC模式下,可实现总衰减量(光纤+可调光衰)为10.8~19.4dB的异厂家光模块互通传输;在仪表关闭FEC模式下,1对光模块组合无法互通,其他组合可实现总衰减量(光纤+可调光衰)为10.9~15.5dB的异厂家光模块互通传输。(2)50Gb/s 10/40km光模块:如图6(b)所示配置,在仪表开启FEC模式下,50Gb/s 10km光模块可 实现总衰减量(10km光纤+可调光衰)为10.5~15.9dB的异厂家光模块互通传输;50Gb/s 40km光模块在仪表开启FEC模式下,可实现总衰减量(40km光纤+可调光衰)为20.1~24.3dB的异厂家光模块互通传输。(3)50Gb/s BiDi 10km光模块:如图6(c)所示配置,在仪表开启FEC模式下,可实现总衰减量(10km光纤+可调光衰)为12.0~15.8dB的异厂家光模块互通传输,部分样品需进行极性翻转设置。

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在仪表环境WDM光模块混合传输方面,不同波长和厂商的25Gb/s LWDM光模块经过合分波器(光迅,通道插损0.8~1.5dB)及20km光纤可进行混合传输,6小时内无误码。不同波长和厂商的25Gb/s DWDM光模块经过合分波器及10km光纤可进行混合传输,24小时内无误码。不同波长相同厂商的10Gb/s DWDM可调光模块经过合分波器及80km光纤可进行混合传输,24小时内无误码。在设备环境的兼容性和互通测试方面,大部分参测样品可被不同设备商的SPN设备识别、支DDM光功率上报、激光器开启和关闭等操作,个别样品存在无法工作、光功率不上报等问题。如图7所示配置,在设备环境关闭或开启FEC模式下,大部分光模块可实现多厂家互通,少数光模块存在互通问题。由于厂家数量少或波长不一致等原因,无法进行异厂家互通测试的100Gb/s 10km、25Gb/sLWDM、25Gb/s DWDM、10Gb/s 80km光模块,可在设备环境下实现同厂家光模块互通传输。

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综上,参测光模块样品整体上满足已发布或在研的IEEE 802.3标准及草案、CCSA行业标准及草案、多源协议MSA等相关要求,在光电接口、长期稳定性、互通能力、设备和仪表兼容性方面个别模块仍存在一些尚待完善的问题。50Gb/s PAM4光模块互通能力、与仪表和设备兼容性相对首次测试已有较明显提升,50Gb/s 40km压力灵敏度、SSPRQ码型条件下的TDECQ需进一步评估。通过本次测试,多种5G承载光模块的功能性能得到了充分验证,相关结果将进一步推动5G承载光模块产业链成熟,为我国5G商用奠定良好基础。

3 光模块产业发展建议

5G对光模块高性能、低成本的需求持续存在,技术创新和产业链聚集是两大有效手段,产业链上下游、业界各方需形成合力,在评估实际应用场景与传输距离需求的基础上,建立合理化、通用化和国产化产业链,并从标准规范、测试验证和评价机制等层面推动聚焦。

5G网络建设的快速推进为光模块市场带来了机遇和活力,5G承载光模块多样化技术方案并存发展的态势预计短期内仍将持续,分支过多将带来重复开发、资源浪费、市场碎片化等问题,在一定程度上影响产业链的规模协调发展。为尽可能降低多样化方案并行带来的潜在影响,建议5G前传相关业界从部署需求、传输性能优化、低成本建设及便捷运维管理、产业链良性发展等多方面综合考虑,从标准层面加强共性技术协同推动,统一管控模型及操作管理维护(OAM)机制,进一步优化和完善产业发展格局,使业界资源得到有序配置,通过规模效应实现成本降低。

5G承载光模块及芯片的自主创新发展需要产业生态的改善,建议业界进一步完善评价机制,通过公平、公正、公开的测试验证平台,有效评估各类5G承载光模块技术方案的可行性、可靠稳定性、互通性和兼容性等关键问题,指导业界进行关键技术开发和产品性能的改进。

总结与展望总结与展望

 

5G更高性能要求和无线侧系统的更新换代对承载网提出新型挑战,光模块作为承载网络的基础构 成单元,已成为5G低成本、广覆盖的关键要素。技术创新和产业链聚集是5G承载光模块实现高性能、低成本的有效策略,面向5G承载多样化应用场景,业界对5G光模块技术方案进行了广泛研究、提出了多种规格和新型解决方案,为产业链提供了新的发展方向,但多样化的光模块解决方案同时也将导致重复开发、资源浪费和市场碎片化等问题,产业链上下游和业界各方需加强合作、聚焦共识,从核心技术突破、标准规范制订、测试验证评估等多方面协同推动5G承载光模块的健康有序发展。

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来源:中国信通院

2020年9月11日 14:58
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