通信行业：5G承载光模块白皮书

目录 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。引言5G承载光模块应用场景及发展现状前传光模块关键技术方案中回传光模块关键技术方案5G承载光模块产业发展分析总结和展望主要贡献单位P1P2P6P10P11P18P19IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书 1IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书引言第五代移动通信（5G）技术相比4G具有更高速率、更大带宽、更高可靠性、更低时延等特征，能够满足未来虚拟现实、超高清视频、智能制造、自动驾驶等用户和行业的新型应用需求。随着5G技术路线与标准日趋明确，美国、瑞士、英国、西班牙、韩国、日本等国家相继开启5G商用进程。2019年6月，我国工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电网络四家运营企业发放5G商用牌照，标志我国5G商用正式启动。2020年3月，5G网络被确定为新型基础设施建设重点之一，进一步促进5G相关产业加速发展。5G承载网络为5G无线接入网和核心网提供基础的网络连接，光模块是5G承载网络的基础构成单元，主要完成光电/电光转换功能，近年来随着速率提升在系统设备中的成本占比不断攀升，已成为5G低成本、广覆盖的关键要素之一。相比于4G，5G承载在速率容量、传输距离、工作环境、光纤资源和同步特性等方面对光模块提出了新型差异化要求。目前业界针对5G承载光模块提出了多种解决方案，部分方案已逐步成熟并走向规模应用。同时，随着5G建设的分阶段持续推进和5G承载光模块产业链的蓬勃发展，涌现出一些新型光模块需求，业界正针对这些新需求开展研究。2019年1月，IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组发布了第一版《5G承载光模块白皮书》，本白皮书在第一版基础上，结合5G承载光模块新型需求，重点研究解决方案和产业发展基础共性问题，对5G承载光模块及核心光电子芯片的产业化能力延续评估并提出后续发展建议，进一步推动5G承载光模块产业链逐渐成熟和产业化应用，为5G部署提供有力支撑。 IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书25G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。图1 5G承载网络架构 3IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书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2 a)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。 IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书4图2 5G前传光模块应用场景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 5IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书表1 5G前传光模块技术现状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。 IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书65G中回传光模块的典型技术方案如表2所示。表2 5G中回传光模块技术现状整体来看，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 7IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书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/T 2759.2-2020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。 IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书8图3 CWDM/MWDM/LWDM波长及实现方案• 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