浅谈光模块在5G光传送网的应用
发布日期:2019-09-19
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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。
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。
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)。
数据中心通信光模块可按照连接类型分为三类：
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：
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：
国内外数据中心光模块的应用有所区别。
5G承载光模块应用场景
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承载光模块发展现状
▲5G前传光模块技术现状
▲5G中回传光模块技术现状
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：
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。
-----▲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