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浅谈光模块在5G光传送网的应用

发布日期:2019-09-19 点击次数:26
5G分离的RAN构架

相对于4G LTE接入网的BBU和RRU两级构架,5G RAN将演进为CU、DU 和 AAU三级结构。

▲RAN功能模块重构示意图

CU:原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU(Centralized Unit,集中单元),负责处理非实时协议和服务。
AAU:BBU的部分物理层处理功能与原RRU合并为AAU (Active Antenna Unit,有源天线处理单元)。
DU:BBU的剩余功能重新定义为DU(Distribute Unit,分布单元),负责处理物理层协议和实时服务。

这样,RAN分离后,承载网也就分成了三个部分:前传、中传和回传。
前传(Fronthaul):AAU和DU之间。
中传(Middlehaul):DU和CU之间。
回传(Backhaul):CU 以上。


▲RAN组网架构示意图

其中,有一种5G部署与4G类似,采用CU和DU合设的方式,只有前传和回传,主要为了降低时延,如上图(b)。


光模块在数据中心的应用

现在的数据中心已不再仅仅是一座或几座机房,而是一组数据中心集群。为实现各种互联网业务和应用市场的正常工作,要求数据中心之间协同运转。数据中心之间信息实时海量交互,这就产生了数据中心互联网络需求,光纤通信则成为了实现互联的必要手段。
与传统的电信接入网传输设备不同,数据中心互联要实现信息量更大、更密集的传输,就要要求交换设备拥有更高速率、更低功耗,以及更加小型化。而决定这些性能是否能够实现的一个核心因素,则是光模块。信息网络主要以光纤作为传输介质,但目前计算、分析还必须基于电信号,而光模块就是实现光电转换的核心器件。

数据中心通信光模块可按照连接类型分为三类:
(1)数据中心到用户,由访问云端进行浏览网页、收发电子邮件和视频流等终端用户行为产生;
(2)数据中心互联,主要用于数据复制、软件和系统升级;
(3)数据中心内部,主要用于信息的存储、生成和挖掘。根据预测,数据中心内部通信占数据中心通信70%以上的比例,数据中心建设的大发展,也就催生了高速光模块的发展。

数据流量持续增长,数据中心大型化、扁平化趋势推动光模块向两方面发展:
· 传输速率需求提升
· 数量需求增长

数据中心大型化趋势导致传输距离需求提升,多模光纤的传输距离受限于信号速率的提升,预计将逐渐被单模光纤代替。而光纤链路成本由光模块和光纤两部分组成,针对不同的距离,也有不同的适用方案。就数据中心通信所需的中长距离互联而言,有着诞生自MSA的两种革命性方案:
· PSM4(Parallel Single Mode 4 lanes)
· CWDM4(Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes)
其中,PSM4光纤使用量是CWDM4的4倍,当链路的距离较长时,CWDM4方案成本则相对较低。

国内外数据中心光模块的应用有所区别。
美国数据中心内部交换机互连以单模光纤为主,在100G时代广泛采用CWDM4/PSM4光模块, 400G时代目前以DR4为主;服务器与交换机互连大多采用电缆DAC。随着时间的推移和模块速率的提升,美国数据中心内部互联方案中多模光纤和直连电缆DAC的比重将越来越低。
中国数据中心内部交换机互连以多模光纤为主,单模光纤占比逐渐上升。目前国内400G的需求很少,在100G时代采用SR4/CWDM4模块,服务器和交换机之间的互连大多采用有源光缆AOC。

光纤传送网中的翘楚:CWDM光模块
CWDM光模块采用CWDM技术,可以通过外接波分复用器,将不同波长的光信号复合在一起,通过一根光纤进行传输,从而节约光纤资源。同时,接收端需要使用波分解复用器对复光信号进行分解。
CWDM光模块通常用于CWDM系统内,比DWDM光模块的成本要低,应用也十分广泛。在一个CWDM系统内,CWDM光模块插在交换机里,用跳线将CWDM光模块和CWDM分解复用器或OADM光分插复用连接进行工作。
CWDM光模块在CWDM系统内发挥了巨大的作用,成功解决了光纤传送网中的问题。

CWDM光模块有8大优势,总结如下:
1、对数据的“透明”传输;
2、超大容量,充分利用光纤巨大的带宽资源;
3、大大节省了光纤资源,降低建设成本;
4、高度的组网灵活性、经济性以及可靠性;
5、可全光网交换,实现长距离的无电中继传输;
6、简化的激光器模块,从而减小了设备的体积,节约机房空间;
7、光层恢复独立于业务和速率,可对数据进行有效保护;
8、无需半导体制冷器和温度控制功能,所以可以明显减小功耗,仅为DWDM的12.5%。

5G承载光模块应用场景

5G时代即将到来,为光通信领域带来无限的商机,基于5G基站的光模块成为近两年的研究热点。5G承载网络一般分为城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线,实现5G业务的前传和中回传功能,其中各层设备之间主要依赖光模块实现互连。
5G前传网络条件下25Gb/s(eCPRI/CPRI)速率模块以SFP28为主,双纤双向、单纤双向、25G WDM(包含Tunable波长可调谐)模块等方案可减少光纤使用量大幅降低建设成本。
中传可利用现有成熟的25G光器件,采用PAM4技术将光器件带宽提升一倍;10km和40km传输距离将覆盖90%以上的应用场景,超过80km的传输距离则采用相干技术。

5G光模块典型应用场景及需求分析如下表所示。
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▲5G承载光模块应用场景及需求分析

5G前传的典型应用场景如下图所示,包括光纤直连、无源WDM和有源WDM/光传送网(OTN)/切片分组网(SPN)等。光纤直连场景一般采用25Gb/s灰光模块,支持双纤双向和单纤双向两种类型,主要包括300m和10km两种传输距离。无源WDM场景主要包括点到点无源WDM和WDM-PON等,采用一对或一根光纤实现多个AAU到DU间的连接,典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模块。有源WDM/OTN场景,在AAU/DU至WDM/OTN/SPN设备间一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模块,在WDM/OTN/SPN设备间需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的双纤双向或单纤双向彩光模块。


▲5G前传典型应用场景

5G前传应用场景对光模块的典型要求如下:
(1) 满足工业级温度范围,可靠性要求高:考虑AAU全室外应用环境,前传光模块需满足-40℃~+85℃的工业级温度范围,以及防尘等要求。
(2) 低成本:5G光模块总需求量预计超过4G,尤其前传光模块可能存在数千万量级的需求,低成本是产业对光模块的主要诉求之一。5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层,所需光模块与现有传送网及数据中心使用的光模块技术差异不大,接入层将主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模块,汇聚层及以上将较多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模块。

5G承载光模块发展现状

目前,国内外标准化组织国际电联(ITU-T)、电气和电子工程师协会(IEEE)、光互联论坛(OIF)、4WDM等多源协议(MSA)、中国通信标准化协会(CCSA)等正在开展5G承载相关的光模块规范制定,涉及的模块类型和接口特性各不相同、种类繁杂。前传光模块主要包括25Gb/s和100Gb/s两大速率类型,支持数百m到20km的典型传输距离,具体技术现状如表所示。

▲5G前传光模块技术现状

5G中回传光模块主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多种速率,典型传输距离从几km到数百km,支持CPRI、eCPRI、以太网、OTN等多种接口协议,以及NRZ、PAM4、DMT等调制格式,具体技术现状下表所示。

▲5G中回传光模块技术现状

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