Die mobile Kommunikation setzt das Entwicklungsmuster einer Technologiegeneration pro Jahrzehnt fort und hat die Entwicklung von 1G, 2G, 3G und 4G durchlaufen. Jeder Generationssprung, jeder technologische Fortschritt hat wesentlich zur industriellen Modernisierung sowie zur wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung beigetragen. Von 1G zu 2G wurde der Übergang von der analogen zur digitalen Kommunikation vollzogen und die mobile Kommunikation hielt Einzug in Tausende von Haushalten; Von 2G auf 3G und 4G wurde der Wandel von Sprach- zu Datendiensten vollzogen und die Übertragungsraten um das Hundertfache erhöht, was die Popularität und den Wohlstand mobiler Internetanwendungen förderte. Gegenwärtig sind Mobilfunknetze in jeden Aspekt des gesellschaftlichen Lebens integriert und haben die Kommunikation, Kommunikation und sogar die gesamte Lebensweise der Menschen tiefgreifend verändert. 4G-Netzwerke haben eine florierende Internetwirtschaft geschaffen und das Problem gelöst, dass Menschen jederzeit und überall miteinander kommunizieren können. Mit der rasanten Entwicklung des mobilen Internets entstehen neue Dienste und Dienste und der mobile Datenverkehr explodiert.
Als neuartiges mobiles Kommunikationsnetzwerk wird 5G nicht nur das Problem der Mensch-zu-Mensch-Kommunikation lösen und Benutzern ein immersiveres und extremeres Geschäftserlebnis wie Augmented Reality, Virtual Reality und Ultra-High-Definition-Video (3D) bieten , sondern wird auch das Problem der Mensch-zu-Ding- und Ding-zu-Ding-Kommunikation lösen und die Anforderungen von mobiler Medizin, Automobilvernetzung, Smart Home, Industriesteuerung, Umweltüberwachung und anderen IoT-Anwendungen erfüllen. Letztlich wird 5G alle Bereiche der Wirtschaft und Gesellschaft durchdringen und zu einer zentralen neuen Infrastruktur zur Unterstützung der digitalen, vernetzten und intelligenten Transformation von Wirtschaft und Gesellschaft werden.
Die Mobilkommunikationstechnologie der 5. Generation (5G) ist eine neue Generation breitbandiger Mobilkommunikationstechnologie mit hoher Geschwindigkeit, geringer Latenz und großer Konnektivität. 5G-Kommunikationseinrichtungen sind die Netzwerkinfrastruktur zur Vernetzung von Menschen, Maschinen und Dingen.
Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) hat drei Hauptanwendungsszenarien für 5G definiert, nämlich Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-High-Reliability-Low-Latency-Communication (uRLLC) und Massive Machine Class Communication (mMTC). Enhanced Mobile Broadband (eMBB) konzentriert sich auf das explosionsartige Wachstum des mobilen Internetverkehrs und bietet mobilen Internetnutzern ein noch extremeres Anwendungserlebnis; Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC) konzentriert sich auf industrielle Steuerung, Telemedizin, autonomes Fahren und andere vertikale Industrieanwendungen mit hohen Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit; Massive Machine Type Communication (mMTC) konzentriert sich auf Smart Cities, Smart Homes, Umweltüberwachung und andere Anwendungen, die auf Übertragung angewiesen sind. mMTC ist hauptsächlich für Smart Cities, Smart Homes, Umweltüberwachung und andere Anwendungen gedacht, die auf Sensorik und Datenerfassung abzielen.
Die ITU hat acht wichtige Leistungsindikatoren für 5G definiert, von denen hohe Geschwindigkeit, geringe Latenz und große Konnektivität die herausragendsten Merkmale sind, mit Benutzererfahrungsraten von bis zu 1 Gbit/s, einer Latenz von nur 1 ms und einer Benutzerkonnektivität von bis zu 1 Million Verbindungen/Quadrat Kilometer.
Wichtige Leistungsindikatoren für die 5G-Mobilkommunikation
1. Für die Übertragung großer Datenmengen wie HD-Video und Virtual Reality sind Spitzenraten von 10–20 Gbit/s erforderlich.
2. Die Latenz der Luftschnittstelle beträgt nur 1 ms, um Echtzeitanwendungen wie autonomes Fahren und Telemedizin zu erfüllen.
3. Mit der Fähigkeit, Millionen von Verbindungen/Quadratkilometer an Geräten zu verbinden, um IoT-Kommunikation zu ermöglichen.
4. Die Spektrumseffizienz sollte im Vergleich zu LTE um mehr als das Dreifache verbessert werden.
5. Kontinuierliche großflächige Abdeckung und hohe Mobilität mit einer Benutzererfahrungsrate von 100 Mbit/s.
6. Verkehrsdichte von 10 Mbit/s/m2 oder mehr.
7. Die Mobilität unterstützt Hochgeschwindigkeitsbewegungen von 500 km/h
Optische Module sind die Grundbausteine der physikalischen Schicht von 5G-Netzwerken und werden häufig in drahtlosen und Übertragungsgeräten verwendet. Ihre Kosten steigen in der Systemausrüstung, bei einigen Geräten sogar um mehr als 50–70 %, was ein Schlüsselelement von ist 5G kostengünstig, breite Abdeckung.
Die typischen Anwendungsszenarien und Bedarfsanalysen sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1 Anwendungsszenarien und Bedarfsanalyse für optische 5G-Lagermodule
Das typische Anwendungsszenario der 5G-Frontübertragung ist in Abbildung 1 dargestellt, einschließlich Glasfaser-Direktverbindung, passivem WDM und aktivem WDM / optischem Transportnetzwerk (OTN) / Sliced Packet Network (SPN) usw. Das direkte Glasfaserszenario verwendet im Allgemeinen graue optische Module mit 25 Gbit/s und unterstützt sowohl bidirektionale Zweifaser- als auch bidirektionale Einzelfasertypen, hauptsächlich einschließlich Übertragungsentfernungen von 300 m und 10 km. Passive WDM-Szenarien umfassen hauptsächlich passives Punkt-zu-Punkt-WDM und WDM-PON, wobei ein Paar oder eine einzelne Faser verwendet wird, um mehrere AAU-zu-DU-Verbindungen zu erreichen, was typischerweise farbige optische Module mit 10 Gbit/s oder 25 Gbit/s erfordert. Für aktive WDM/OTN-Szenarien sind in der Regel graue Kurzstreckenmodule mit 10 Gbit/s oder 25 Gbit/s zwischen AAUs/DUs und WDM/OTN/SPN-Geräten sowie N x 10/25/50/100 Gbit/s Dual-Fibre-Bi erforderlich Zwischen WDM/OTN/SPN-Geräten sind -direktionale oder bidirektionale Einzelfaser-Farbmodule erforderlich.
Abbildung 1 Typische Anwendungsszenarien für die 5G-Vorwärtsübertragung
Die typischen Anforderungen an optische Module für 5G-Frontübertragungsanwendungsszenarien sind wie folgt.
(1) Erfüllen Sie den industriellen Temperaturbereich und die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen: In Anbetracht der AAU-Außenanwendungsumgebung muss das optische Frontübertragungsmodul den industriellen Temperaturbereich von -40℃~+85℃ erfüllen sowie staubdicht und staubdicht sein andere Vorraussetzungen.
(2) Niedrige Kosten: Es wird erwartet, dass die Gesamtnachfrage nach optischen Modulen in 5G die von 4G übersteigt, insbesondere mit mehreren zehn Millionen optischen Modulen für die Frontübertragung, und niedrige Kosten sind eine der Hauptanforderungen der Branche an optische Module. Die Zugriffsschicht wird hauptsächlich graue oder farbige optische Module mit 25 Gbit/s, 50 Gbit/s und 100 Gbit/s verwenden, während die Aggregationsschicht und höher mehr farbige optische DWDM-Module mit 100 Gbit/s, 200 Gbit/s und 400 Gbit/s verwenden werden.
Das vordere optische Übertragungsmodul ist ein wichtiger Teil der physischen Peilung der CPRI-Verbindung, die die Basisbandverarbeitungseinheit (BBU) und die Remote Radio Frequency Unit (RRU)/aktive Antennenverarbeitungseinheit (AAU) verbindet. Von der 2G-Ära mit 1.25 Gbit/s über die 3G-Ära mit 2.5 Gbit/s bis zur 4G-Ära mit 6/10 Gbit/s entwickelt sich die Rate optischer Peilungsmodule weiter. Die Übertragungsentfernung umfasst hauptsächlich 300 m, 1.4 km und 10 km usw. Mit der Ankunft des 5G-Zeitalters ist die Anzahl der zu erreichenden AAU-Antennen von 8T/8R bis 64T/64R achtmal höher, die Bandbreite des Null-Ports von 8 MHz auf 20 MHz. Wenn das CPRI-Schnittschema beibehalten wird, wird der Bandbreitenbedarf 100 Gbit/s betragen. s auf 10 Gbit/s, 400-mal höher. Um den Bandbreitendruck zu verringern, hat die Branche das eCPRI-Cutover-Schema übernommen, um einen Teil der BBU-Basisbandverarbeitung auf der AAU bereitzustellen und so den Bandbreitenbedarf zwischen der BBU und der AAU zu reduzieren. Mit einer Nullbandbreite von 40 MHz und 100T/64R sinkt beispielsweise der Bandbreitenbedarf einer 64G-Vorwärts-Einzelschnittstelle auf die Größenordnung von 5 Gbit/s, was durch die Wiederverwendung der ausgereiften Ethernet-Industriekette effektiv unterstützt werden kann.
In den frühen Phasen der 5G-Bereitstellung zentralisieren die drei großen Betreiber BBUs, um den Bedarf an Serverraumressourcen zu reduzieren und so eine schnelle Skalierung der Bereitstellung zu ermöglichen. Allerdings verbrauchen Szenarien mit zentralisierten Funkzugangsnetzwerken (CRAN) große Mengen an Backbone-Glasfaser, und die Industrie hat dementsprechend 25-Gbit/s-basierte Wellenlängenmultiplex-Lösungen (WDM) wie 6-Wellen-CWDM, 12-Wellen-LWDM/MWDM und 48-Wellenlängen-Multiplexing vorgeschlagen. Wave DWDM zur Konvergenz und Einsparung von Glasfaserressourcen. Während sich 5G weiterentwickelt, wird der Schwerpunkt der Folgeversion (Rel 17/Rel 18) auf Sub-10-GHz-, Millimeterwellen- und anderen Frequenzbändern liegen. Wenn die Anzahl der Antennen und die Bandbreite der Flughäfen weiter zunehmen, werden optische Module mit 50 Gbit/s und höherer Geschwindigkeit erforderlich sein, um die Anforderungen an die vordere Übertragungsbandbreite zu erfüllen.
Abbildung 2 Entwicklung der Nachfrage nach 5G-Frontgetriebelagern
Das optische Modul für die vordere Übertragung umfasst hauptsächlich zwei Ratentypen mit 25 Gbit/s und 100 Gbit/s, unterstützt typische Übertragungsentfernungen von Hunderten von m bis 20 km, spezifischer Technologiestatus wie in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2: Stand der 5G-Frontend-Optikmodultechnologie
Derzeit erforscht die Branche aktiv optische Front-End-Modullösungen der nächsten Generation, die schnell und kostengünstig sind, die Temperaturanforderungen für Front-End-Industriestandards erfüllen und eine langfristige Zuverlässigkeit über mehr als zehn Jahre garantieren. Die potenziellen Anforderungen sind in aufgeführt Tisch 3.
Tabelle 3 Potenzielle Nachfrage nach neuen optischen Modulen für die 5G-Vorwärtsübertragung
Optische 5G-Backhaul-Module umfassen hauptsächlich 25 Gbit/s, 50 Gbit/s, 100 Gbit/s, 200 Gbit/s und 400 Gbit/s mit typischen Übertragungsentfernungen von einigen Kilometern bis zu Hunderten von Kilometern und unterstützen eine Vielzahl von Schnittstellenprotokollen wie CPRI, eCPRI, Ethernet und OTN sowie Modulationsformate wie NRZ, PAM4 und DMT. Tabelle 4
Tabelle 4: Stand der Backhaul-Technologie für optische Module in 5G
Mit der zunehmenden Reife der 400-Gbit/s-30/40-km-Optikmodultechnologie und der Weiterentwicklung des 800-Gbit/s-Optikmoduls wird die nächste Phase des 5G-Backhaul-Optikmoduls mit weiteren neuen Lösungen konfrontiert sein. Mit der zunehmenden Reife optischer 400-Gbit/s-30/40-km-Module und der Entwicklung optischer 800-Gbit/s-Module wird es in der nächsten Phase von 5G weitere neue Optionen für optische Backhaul-Module geben.
Tabelle 5 Potenzielle Nachfrage nach neuen optischen Modulen für 5G-Backhaul
Längerfristig wird die 6G-Vorwärtsübertragungskapazität wahrscheinlich deutlich zunehmen, da die Forschung und Anwendungserkundung im Bereich der 6G-Technologie weiter voranschreitet. Laut dem 6G Wireless Hotspot Technology Research White Paper (2020) wird 6G weiter in Cloud Computing, Big Data und künstliche Intelligenz integriert, und die Dimension und Breite der drahtlosen Konnektivität wird enorm zunehmen, was Anwendungsszenarien wie unterstützen kann Videoübertragung mit extrem großer Bandbreite, industrielles IoT mit extrem geringer Latenz und Luft-Weltraum-Himmels-Verbindung usw. Die Systemleistung muss eine Spitzenrate von 1 Tbit/s und eine Benutzererfahrungsrate von 1 Gbit/s unterstützen und die Übertragungsanforderungen für das 6G-Funkzugangsnetzwerk erfüllen wird im Vergleich zur 100G-Spitzenrate um den Faktor 5 erhöht, und der neue Bedarf an integrierter Luft-Raum-Verbindung wird einen Faktor 10 in Bezug auf die Vorwärtsübertragungskapazität erfordern.
