تواصل الاتصالات المتنقلة نمط التطوير لجيل واحد من التكنولوجيا كل عقد وقد مرت بتطور 1G و 2G و 3G و 4G. كل قفزة للأجيال ، وكل تقدم تكنولوجي ، ساهمت بشكل كبير في الارتقاء الصناعي والتنمية الاقتصادية والاجتماعية. من 1G إلى 2G ، تم تحقيق الانتقال من الاتصالات التناظرية إلى الرقمية ودخلت الاتصالات المتنقلة إلى آلاف الأسر ؛ من 2G إلى 3G و 4G ، تم تحقيق التحول من خدمات الصوت إلى خدمات البيانات وزادت معدلات الإرسال مئات المرات ، مما عزز شعبية وازدهار تطبيقات الإنترنت عبر الهاتف المحمول. في الوقت الحاضر ، تم دمج شبكات الهاتف المحمول في كل جانب من جوانب الحياة الاجتماعية ، مما أدى إلى تغيير عميق في تواصل الأشخاص وتواصلهم وحتى أسلوب حياتهم بالكامل. خلقت شبكات 4G اقتصاد إنترنت مزدهرًا ، مما أدى إلى حل مشكلة تواصل الأشخاص مع بعضهم البعض في أي وقت وفي أي مكان. مع التطور السريع للإنترنت عبر الهاتف المحمول ، تظهر خدمات وخدمات جديدة وتتفجر حركة بيانات الهاتف المحمول.
كنوع جديد من شبكات الاتصالات المتنقلة ، لن تحل 5G فقط مشكلة التواصل بين البشر ، بل تزود المستخدمين بتجربة عمل أكثر شمولاً وتطرفًا مثل الواقع المعزز والواقع الافتراضي والفيديو فائق الدقة (ثلاثي الأبعاد) ، ولكنها ستحل أيضًا مشكلة التواصل بين الإنسان والشيء ، وتلبية احتياجات الأجهزة الطبية المتنقلة وشبكات السيارات والمنزل الذكي والتحكم الصناعي والمراقبة البيئية وتطبيقات إنترنت الأشياء الأخرى. في نهاية المطاف ، سوف تخترق 3G جميع قطاعات الاقتصاد والمجتمع وتصبح بنية تحتية جديدة رئيسية لدعم التحول الرقمي والمتصل بالشبكات والذكية للاقتصاد والمجتمع.
الجيل الخامس من تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة (5G) هو جيل جديد من تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة ذات النطاق العريض بسرعة عالية وزمن انتقال منخفض واتصال كبير. مرافق اتصالات 5G هي البنية التحتية للشبكة لربط الأشخاص والآلات والأشياء.
حدد الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) ثلاثة سيناريوهات رئيسية لتطبيق 5G ، وهي النطاق العريض المتنقل المحسّن (eMBB) ، والاتصال الفائق الموثوقية بزمن الانتقال المنخفض (uRLLC) ، والاتصالات الضخمة على مستوى الماكينة (mMTC). يركز النطاق العريض المتنقل المحسن (eMBB) على النمو الهائل لحركة مرور الإنترنت عبر الهاتف المحمول ويوفر لمستخدمي الإنترنت عبر الهاتف المحمول تجربة تطبيق أكثر تطرفًا ؛ تركز الاتصالات منخفضة الكمون فائقة الموثوقية (uRLLC) على التحكم الصناعي والتطبيب عن بُعد والقيادة الذاتية وتطبيقات الصناعة العمودية الأخرى ذات المتطلبات العالية للكمون والموثوقية ؛ تركز اتصالات نوع الماكينة الضخمة (mMTC) على المدن الذكية والمنازل الذكية والمراقبة البيئية والتطبيقات الأخرى التي تعتمد على الإرسال. MTC مخصص بشكل أساسي للمدن الذكية والمنازل الذكية والمراقبة البيئية والتطبيقات الأخرى التي تستهدف الاستشعار وجمع البيانات.
حدد الاتحاد الدولي للاتصالات ثمانية مؤشرات أداء رئيسية لشبكة الجيل الخامس ، والتي تعد السرعة العالية وزمن الوصول المنخفض والاتصال الكبير أبرز الميزات ، مع معدلات تجربة مستخدم تصل إلى 5 جيجابت في الثانية ، وزمن وصول يصل إلى 1 مللي ثانية وتوصيل مستخدم يصل إلى مليون اتصال / مربع كيلومتر.
مؤشرات الأداء الرئيسية للاتصالات المتنقلة 5G
1. معدلات الذروة 10-20 جيجابت / ثانية مطلوبة للوفاء بنقل كميات كبيرة من البيانات مثل الفيديو عالي الدقة والواقع الافتراضي.
2. زمن انتقال للواجهة الهوائية يصل إلى 1 مللي ثانية لتلبية تطبيقات الوقت الفعلي مثل القيادة الذاتية والتطبيب عن بُعد.
3. مع القدرة على توصيل ملايين الوصلات / كيلومتر مربع من الأجهزة لتلبية اتصالات إنترنت الأشياء.
4. يجب تحسين كفاءة الطيف بأكثر من 3 مرات مقارنة بـ LTE.
5. تغطية مستمرة لمنطقة واسعة وتنقل عالي بمعدل خبرة مستخدم يبلغ 100 ميجابت / ثانية.
6. كثافة حركة المرور 10Mbps / م 2 أو أكثر.
7. يدعم التنقل سرعة عالية تصل إلى 500 كم / ساعة
الوحدات الضوئية هي اللبنات الأساسية للطبقة المادية لشبكات 5G ، والمستخدمة على نطاق واسع في المعدات اللاسلكية ومعدات الإرسال ، وتكلفتها تزداد في معدات النظام ، حتى أكثر من 50-70٪ في بعض المعدات ، وهو عنصر أساسي في تغطية 5G منخفضة التكلفة وواسعة.
يتم عرض سيناريوهات التطبيق النموذجية وتحليل الطلب في الجدول 1.
الجدول 1 5G تحمل سيناريوهات تطبيق الوحدة البصرية وتحليل الطلب
يظهر سيناريو التطبيق النموذجي للإرسال الأمامي 5G في الشكل 1 ، بما في ذلك الاتصال المباشر بالألياف ، وإدارة الطلب على المياه السلبية ، وشبكة WDM / شبكة النقل الضوئية النشطة (OTN) / شبكة الحزم المقطعة (SPN) وما إلى ذلك. يستخدم سيناريو الألياف المباشرة عمومًا وحدات بصرية رمادية بسرعة 25 جيجابت / ثانية ، تدعم كلاً من أنواع الألياف ثنائية الاتجاه ثنائية الاتجاه والألياف أحادية الاتجاه ثنائية الاتجاه ، بما في ذلك بشكل أساسي مسافة الإرسال 300 متر و 10 كيلومترات. تتضمن سيناريوهات WDM السلبية بشكل أساسي WDM و WDM-PON السلبي من نقطة إلى نقطة ، باستخدام زوج أو ألياف مفردة لتحقيق توصيلات AAU متعددة إلى DU ، والتي تتطلب عادةً وحدات بصرية ملونة بسرعة 10 جيجابت / ثانية أو 25 جيجابت / ثانية. بالنسبة لسيناريوهات WDM / OTN النشطة ، عادةً ما تكون الوحدات الرمادية قصيرة المدى بسرعة 10 جيجابت / ثانية أو 25 جيجابت / ثانية مطلوبة بين وحدات AAU / DU و WDM / OTN / SPN ، و N x 10/25/50 / 100Gb / s ثنائية الألياف ثنائية يلزم وجود وحدات ألوان ثنائية الاتجاه أحادية الاتجاه أو أحادية الاتجاه بين أجهزة WDM / OTN / SPN.
الشكل 1 سيناريوهات التطبيق النموذجية للإرسال إلى الأمام من الجيل الخامس
المتطلبات النموذجية للوحدات البصرية لسيناريوهات تطبيقات الإرسال الأمامي 5G هي كما يلي.
(1) تلبية نطاق درجة الحرارة الصناعية ومتطلبات الموثوقية العالية: بالنظر إلى بيئة التطبيقات الخارجية بالكامل من AAU ، تحتاج الوحدة البصرية للإرسال الأمامي إلى تلبية نطاق درجة حرارة الدرجة الصناعية من -40 ℃ ~ + 85 ℃ ، بالإضافة إلى مقاومة الغبار و متطلبات اخرى.
(2) تكلفة منخفضة: من المتوقع أن يتجاوز إجمالي الطلب على الوحدات الضوئية في 5G الطلب على 4G ، مع عشرات الملايين من الوحدات البصرية للإرسال الأمامي على وجه الخصوص ، والتكلفة المنخفضة هي أحد متطلبات الصناعة الرئيسية للوحدات البصرية. ستستخدم طبقة الوصول بشكل أساسي وحدات بصرية رمادية أو ملونة بسرعة 25 جيجابت / ثانية و 50 جيجابت / ثانية و 100 جيجابت / ثانية ، بينما ستستخدم طبقة التجميع وما فوقها المزيد من الوحدات البصرية الملونة DWDM بسرعة 100 جيجابت / ثانية و 200 جيجابت / ثانية و 400 جيجابت / ثانية.
تعد الوحدة البصرية للإرسال الأمامي جزءًا مهمًا من المحمل المادي لوصلة CPRI التي تربط وحدة معالجة النطاق الأساسي (BBU) ووحدة تردد الراديو عن بُعد (RRU) / وحدة معالجة الهوائي النشطة (AAU). من عصر 2G بسرعة 1.25 جيجابت / ثانية ، إلى عصر 3G بسرعة 2.5 جيجابت / ثانية ، إلى عصر 4G بسرعة 6/10 جيجابت / ثانية ، يستمر معدل الوحدة الضوئية في التطور ، وتشمل مسافة النقل بشكل أساسي 300 م ، 1.4 كم و 10 كم ، إلخ. مع وصول عصر 5G ، عدد هوائيات AAU لتحقيق 8T / 8R إلى 64T / 64R 8 مرات أعلى ، عرض النطاق الترددي للمنفذ الفارغ من 20MHz إلى 100MHz ، إذا تم الحفاظ على مخطط قطع CPRI ، سيظهر طلب النطاق الترددي 10Gb / s إلى 400Gb / s 40 مرة أعلى. لتقليل ضغط النطاق الترددي ، تبنت الصناعة مخطط قطع eCPRI لنشر بعض معالجة النطاق الأساسي BBU على AAU ، وبالتالي تقليل الطلب على النطاق الترددي بين BBU و AAU. مع عرض النطاق الترددي الفارغ 100 ميجاهرتز و 64 تيرا / 64R ، على سبيل المثال ، تنخفض متطلبات النطاق الترددي للواجهة الأحادية 5G إلى 25 جيجابت / ثانية من حيث الحجم ، والتي يمكن دعمها بشكل فعال من خلال إعادة استخدام سلسلة صناعة الإيثرنت الناضجة.
في المراحل الأولى من نشر 5G ، يقوم المشغلون الثلاثة الرئيسيون بتركيز وحدات BBU لتقليل الحاجة إلى موارد غرفة الخادم ، وبالتالي تمكين النشر السريع على نطاق واسع. ومع ذلك ، تستهلك سيناريوهات شبكة الوصول الراديوي المركزية (CRAN) كميات كبيرة من الألياف الأساسية ، وبناءً على ذلك اقترحت الصناعة حلول تعدد إرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) بسعة 25 جيجابت / ثانية مثل 6-wave CWDM و 12-wave LWDM / MWDM و 48- موجة DWDM لتقارب وحفظ موارد الألياف. مع تطور 5G ، سيكون تركيز الإصدار اللاحق (Rel 17 / Rel 18) على Sub 10GHz والموجة المليمترية ونطاقات التردد الأخرى. إذا زاد عدد الهوائيات وعرض النطاق الترددي للمطارات ، فستكون هناك حاجة إلى وحدات بصرية بسرعة 50 جيجابت / ثانية وسرعة أعلى لتلبية متطلبات عرض النطاق الترددي للإرسال الأمامي.
الشكل 2 تطور الطلب على ناقل الحركة الأمامي 5G
تشتمل الوحدة البصرية للإرسال الأمامي بشكل أساسي على نوعين من المعدلات 25 جيجابت / ثانية و 100 جيجابت / ثانية ، وتدعم مئات الأمتار إلى 20 كم مسافة نقل نموذجية ، وحالة تقنية محددة كما هو موضح في الجدول 2.
الجدول 2: حالة تقنية الوحدة البصرية للواجهة الأمامية 5G
في الوقت الحالي ، تستكشف الصناعة بنشاط حلول الوحدات الأمامية الضوئية من الجيل التالي التي تتميز بالسرعة العالية والفعالية من حيث التكلفة وتفي بمتطلبات درجة حرارة الدرجة الصناعية الأمامية وتضمن موثوقية طويلة الأجل لأكثر من عشر سنوات ، مع المتطلبات المحتملة الموضحة في الجدول 3.
الجدول 3 الطلب المحتمل على الوحدات الضوئية الجديدة للإرسال الأمامي 5G
تشمل الوحدات الضوئية 5G backhaul بشكل أساسي 25Gb / s و 50 Gb / s و 100 Gb / s و 200 Gb / s و 400 Gb / s ، مع مسافات نقل نموذجية تتراوح من بضعة كيلومترات إلى مئات الكيلومترات ، مما يدعم مجموعة متنوعة من بروتوكولات الواجهة مثل CPRI ، eCPRI و Ethernet و OTN ، بالإضافة إلى تنسيقات التعديل مثل NRZ و PAM4 و DMT. الجدول 4
الجدول 4: حالة تقنية الوحدة الضوئية الوصلة في شبكة الجيل الخامس
مع النضج المتزايد لتقنية الوحدة البصرية 400 جيجابت / ثانية 30/40 كم وتطور وحدة بصرية 800 جيجابت / ثانية ، ستواجه المرحلة التالية من الوحدة البصرية 5G مزيدًا من الحلول الجديدة. مع النضج المتزايد للوحدات البصرية 400Gb / s 30 / 40km وتطور الوحدات البصرية 800Gb / s ، ستشهد المرحلة التالية من 5G المزيد من الخيارات الجديدة للوحدات الضوئية الوصلة.
الجدول 5 الطلب المحتمل على الوحدات البصرية الجديدة لشبكات الجيل الخامس
على المدى الطويل ، مع استمرار تقدم أبحاث تكنولوجيا 6G واستكشاف التطبيقات ، من المرجح أن تشهد قدرة النقل الأمامي 6G زيادة كبيرة. وفقًا للورقة البيضاء لبحوث تقنية النقاط الساخنة اللاسلكية 6G (2020) ، سيتم دمج 6G بشكل أكبر مع الحوسبة السحابية والبيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي ، وستكون هناك زيادة كبيرة في أبعاد واتساع الاتصال اللاسلكي ، والتي يمكن أن تدعم سيناريوهات التطبيقات مثل نقل الفيديو ذو النطاق الترددي الكبير للغاية ، وإنترنت الأشياء الصناعية ذات زمن الوصول المنخفض للغاية ، والتوصيل البيني بين الهواء والفضاء والسماء ، وما إلى ذلك. يحتاج أداء النظام إلى دعم معدل ذروة 1 تيرابايت / ثانية ومعدل تجربة مستخدم 1 جيجابت / ثانية ، ومتطلبات نقل شبكة الوصول اللاسلكي 6G ستزداد بمعامل 100 مقارنة بمعدل الذروة 5G ، وسيتطلب الطلب الجديد على التوصيل البيني المتكامل بين الهواء والفضاء معامل 10 من حيث قدرة الإرسال إلى الأمام.
