从5G承载白皮书看5G对光纤、光模块和芯片需求

       ICCSZ讯 中国IMT-2020(5G)推进组近期发布《5G承载网络架构和技术方案白皮书》，对我国5G承载产业发展趋势进行了分析，涉及光纤光缆基础设施、5G光模块和芯片、5G承载网络设备三个方面。

       光纤光缆基础设施

       白皮书认为，我国运营商经过多年网络建设和优化，已形成较为稳定的城域光缆网，5G的高速率、低时延等对光纤容量及连接密度提出更高要求，对网络拓扑优化提出挑战，光纤基础设施架构、功能、拓扑和光纤类型都将发生变化。

       光缆网架构分为核心层、汇聚层和接入层，其中，接入层由主干光缆、配线光缆和引入光缆构成，方便快捷的边缘接入层有利于低成本、高带宽业务的快速接入和开通。为提高基础资源利用率，城域网将逐渐向一张网络同时承载多种业务的方向发展演进，以实现包括无线、固定宽带、专线、数据中心互联等在内的综合业务承载。

       如图所示，典型的城域接入层光缆拓扑包括点到点、接入主干链和主干环等。接入主干光缆的典型纤芯数量为144/288芯，配线段光缆的典型纤芯数量为12 /24芯。现阶段城域使用的光纤类型主要为G.652光纤。

图 | 城域接入层光缆典型拓扑

  5G网络建设初期，前传以光纤直驱方式为主，配线光缆压力尚不明显，主干光缆面临较大纤芯压力，可考虑采用WDM技术或新建光缆方式进行纤芯扩容。随着5G网络发展演进，配线光缆也将存在扩容需求。

       新型光纤光缆方面，5G带来海量光纤需求，有限的管道资源内布放大量光纤将带来光纤尺寸和弯曲性能等挑战，高抗弯光纤、小型化和高密度光缆需求迫切。多模光纤配合多模光模块可有效降低成本及功耗，更长传输距离的新一代多模光纤正在研发，同时可能出现适用于前传的单模和多模通用光纤以及多模和单模光纤共缆的新需求。

       此外，充分利用已有FTTH光纤基础设施资源，实现固定和移动基础资源共享可大幅节省投资并加快工程进度。

   5G光模块和芯片

   面向5G承载，25/50/100Gb/s新型高速光模块将逐步在前传、中传和回传接入层引入，N×100/200/400Gb/s高速光模块将在回传汇聚和核心层引入。5G光模块在传输距离、调制方式、工作温度和封装等方面存在不同方案，需结合应用场景、成本等因素适需选择。下表为不同应用场景下光模块的典型技术方案。

表 | 5G光模块典型技术方案

  5G前传

       前传AAU侧光模块涉及室外应用，需要工业级(-40~85℃)光模块。工业级激光器芯片的主流实现方案有三种：

       方案一“商业级激光器芯片+制冷封装”，该方案对芯片要求低，但功耗和成本高；

       方案二“直接采用工业级激光器芯片”，该方案封装简单、功耗和成本低，但25GBaud工业级激光器芯片工艺实现存在挑战，供应渠道有限；

       方案三“硅光调制器+异质激光器”，在90~95℃极端高温环境存在用武之地。

       另外，5G前传光纤资源紧张，单纤双向(Bidi)和多电平调制(PAM4)技术具备竞争优势。标准化层面，IEEE802.3cp开始进行25/50Gb/s Bidi标准制定，国内正同步开展25Gb/s Bidi光模块通信行业标准制定。此外，由于前传光模块需求规模在5G相关光模块整体市场中占比较大，主流模块和设备商也在广泛尝试DMT、超频等其他低成本实现路径，基本思路都是通过更复杂的电调制解调技术降低光模块对激光器带宽和数量的要求。

  5G中传和回传

       中传和回传的光模块应用于散热条件好的机房环境，可采用商业级芯片。80km以下传输距离，包括25Gb/s NRZ、50/100/200/400Gb/s PAM4光模块等方案。目前，高线性度的PAM4电芯片已经商用，25/50GBaud高线性度激光器和探测器芯片仍需要进一步的工艺改进。

       5G中传和回传也可能采用WDM环网结构，低成本彩光模块有待研发。80km及以上传输距离，相干光模块将成为主流。标准化方面，OIF 400ZR基本方案已确定(64GBaud DP-16QAM)，IEEE802.3b10k已确定80km单载波100/400Gb/s相干光模块目标。

  5G光模块对光电芯片的典型需求如下表所示。产业化方面，国内企业在光模块层面能够提供大部分产品，研发水平紧跟国外领先企业，但25GBaud及以上速率的核心光电芯片尚处于在研、样品或空白阶段，与领先企业存在1~2代的技术差距。

图 | 5G核心光电子芯片需求

  5G光模块存在数千万量级的巨大需求，更高速率、更长距离、更宽温度范围和更低成本的光模块需求迫切。为支持5G承载技术及产业健康发展，国内企业需加快25GBaud及以上速率核心光电子芯片的研发突破。

  5G承载网络设备

  5G承载网络设备形态虽有所差异，但均呈向多技术融合发展趋势，建议推动新开发的网络设备能最大程度兼容不同技术方案。SPN和IP RAN增强功能方案均基于分组化承载技术，网络协议和设备形态的融合发展趋势日益显著。分组化承载设备和M-OTN网络设备大多采用统一信元交换内核，L0~L3层应用根据SDN管控架构和应用场景来配置。建议网络设备商综合不同技术方案的共性需求，从降低研发成本和提升网络设备普适性的角度考虑，统一开发新的网络设备架构，共享核心处理芯片、业务板卡、光模块和管控平台，结合不同运营商的需求差异提供相应的线路板卡，包括支持以太网或FlexE的线路板卡、支持OTUk、OTUCn/FlexO的OTN线路板卡以及支持多波长组网调度的光层子架等。

  实际上，国际上的许多运营商都有类似PTN、IP RAN和OTN的网络背景，都有面向5G和综合业务承载的网络演进发展诉求。SPN和IP RAN增强方案是基于IP/MPLS和电信级以太网增强轻量级TDM技术的演进思路，目的是解决分组承载网络如何支持不同类型业务的带宽隔离、确定性低时延和网络硬切片等问题，实现5G和专线等多业务综合承载;M-OTN方案是基于传统OTN增强分组承载技术并简化OTN的演进思路，是OTN适应分组业务发展趋势，并重点针对5G前传、中传和回传的低时延等需求而进行技术方案简化和演进发展的产物，目的是解决OTN如何高效承载5G和专线等业务，并实现应用场景从干线、城域核心网络逐步向城域汇聚和接入层的延伸。

       总结与展望

       5G新型业务特性的引入、无线接入网结构和核心网架构革新变化等为承载技术的新一轮快速发展提供了契机，5G承载网络呈现出三大性能需求和六大组网功能需求，受业务特性、运营商技术架构与未来演进思路等多种因素影响， 5G承载呈现多种技术方案并行发展的态势。从光纤基础设施、光模块及芯片以及承载设备的发展来看，部署更多光纤资源、加速高速率芯片和低成本光模块研发、提升承载设备的差异化方案兼容性等至关重要，同时应遵循固移融合、综合承载的原则，支撑5G承载网络实现低成本快速部署。

  “5G商用，承载先行”。随着5G现网规模试点开展和预商用进程加快，5G承载技术方案还将继续加强融合创新。5G承载工作组将与业界加强合作，聚焦共识，协同推动5G承载架构、组网方案、共性支撑技术、产业化方案和标准规范等相关研究，共同促进5G承载网络技术和产业的有序发展，为后续5G规模化部署提供有力支撑。