Η κινητή επικοινωνία συνεχίζει το πρότυπο ανάπτυξης μιας γενιάς τεχνολογίας ανά δεκαετία και έχει περάσει από την ανάπτυξη 1G, 2G, 3G και 4G. Κάθε άλμα γενεών, κάθε τεχνολογική πρόοδος, συνέβαλε σημαντικά στη βιομηχανική αναβάθμιση και την οικονομική και κοινωνική ανάπτυξη. Από το 1G στο 2G, πραγματοποιήθηκε η μετάβαση από τις αναλογικές στις ψηφιακές επικοινωνίες και οι κινητές επικοινωνίες εισήλθαν σε χιλιάδες νοικοκυριά. από 2G σε 3G και 4G, πραγματοποιήθηκε ο μετασχηματισμός από υπηρεσίες φωνής σε υπηρεσίες δεδομένων και τα ποσοστά μετάδοσης αυξήθηκαν κατά εκατοντάδες φορές, προωθώντας τη δημοτικότητα και την ευημερία των εφαρμογών διαδικτύου για κινητά. Επί του παρόντος, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν ενσωματωθεί σε κάθε πτυχή της κοινωνικής ζωής, αλλάζοντας βαθιά την επικοινωνία, την επικοινωνία των ανθρώπων, ακόμη και ολόκληρο τον τρόπο ζωής. Τα δίκτυα 4G έχουν δημιουργήσει μια ευημερούσα οικονομία του Διαδικτύου, λύνοντας το πρόβλημα των ανθρώπων που επικοινωνούν μεταξύ τους οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Με την ταχεία ανάπτυξη του διαδικτύου για κινητά, εμφανίζονται νέες υπηρεσίες και υπηρεσίες και η κίνηση δεδομένων κινητής τηλεφωνίας εκρήγνυται.
Ως νέος τύπος δικτύου κινητής επικοινωνίας, το 5G δεν θα λύσει μόνο το πρόβλημα της επικοινωνίας ανθρώπου με άνθρωπο, παρέχοντας στους χρήστες μια πιο καθηλωτική και ακραία επιχειρηματική εμπειρία, όπως επαυξημένη πραγματικότητα, εικονική πραγματικότητα και βίντεο εξαιρετικά υψηλής ευκρίνειας (3D). , αλλά θα λύσει επίσης το πρόβλημα της επικοινωνίας μεταξύ ανθρώπου και πράγματος, καλύπτοντας τις ανάγκες κινητής ιατρικής, δικτύωσης αυτοκινήτου, έξυπνου σπιτιού, βιομηχανικού ελέγχου, περιβαλλοντικής παρακολούθησης και άλλων εφαρμογών IoT. Τελικά, το 5G θα διεισδύσει σε όλους τους τομείς της οικονομίας και της κοινωνίας και θα γίνει βασική νέα υποδομή για την υποστήριξη του ψηφιακού, δικτυωμένου και έξυπνου μετασχηματισμού της οικονομίας και της κοινωνίας.
Η τεχνολογία κινητής επικοινωνίας 5ης γενιάς (5G) είναι μια νέα γενιά ευρυζωνικής τεχνολογίας κινητής επικοινωνίας με υψηλή ταχύτητα, χαμηλή καθυστέρηση και μεγάλη συνδεσιμότητα. Οι εγκαταστάσεις επικοινωνίας 5G είναι η δικτυακή υποδομή για τη διασύνδεση ανθρώπων, μηχανών και πραγμάτων.
Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) έχει ορίσει τρία βασικά σενάρια εφαρμογών για το 5G, συγκεκριμένα βελτιωμένη ευρυζωνική σύνδεση κινητής τηλεφωνίας (eMBB), επικοινωνία εξαιρετικά υψηλής αξιοπιστίας χαμηλής καθυστέρησης (uRLLC) και μαζική επικοινωνία κατηγορίας μηχανών (mMTC). Το Enhanced Mobile Broadband (eMBB) εστιάζει στην εκρηκτική ανάπτυξη της κίνησης στο Διαδίκτυο από κινητά και παρέχει στους χρήστες του Διαδικτύου κινητής τηλεφωνίας μια πιο ακραία εμπειρία εφαρμογής. Η Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC) εστιάζει στον βιομηχανικό έλεγχο, την τηλεϊατρική, την αυτόνομη οδήγηση και άλλες εφαρμογές κάθετης βιομηχανίας με υψηλές απαιτήσεις καθυστέρησης και αξιοπιστίας. Το Massive Machine Type Communication (mMTC) εστιάζει σε έξυπνες πόλεις, έξυπνα σπίτια, παρακολούθηση περιβάλλοντος και άλλες εφαρμογές που βασίζονται στη μετάδοση. Το mMTC είναι κυρίως για έξυπνες πόλεις, έξυπνα σπίτια, παρακολούθηση περιβάλλοντος και άλλες εφαρμογές που στοχεύουν την ανίχνευση και τη συλλογή δεδομένων.
Η ITU έχει ορίσει οκτώ βασικούς δείκτες απόδοσης για το 5G, εκ των οποίων η υψηλή ταχύτητα, η χαμηλή καθυστέρηση και η μεγάλη συνδεσιμότητα είναι τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά, με ποσοστά εμπειρίας χρήστη έως 1 Gbps, καθυστέρηση έως και 1 ms και συνδεσιμότητα χρήστη έως 1 εκατομμύριο συνδέσεις/τετράγωνο χιλιόμετρο.
Βασικοί δείκτες απόδοσης κινητής επικοινωνίας 5G
1. Απαιτούνται ρυθμοί αιχμής 10-20 Gbit/s για την κάλυψη της μετάδοσης μεγάλων όγκων δεδομένων, όπως βίντεο HD και εικονικής πραγματικότητας.
2. Καθυστέρηση διεπαφής αέρα έως και 1 ms για την κάλυψη εφαρμογών σε πραγματικό χρόνο, όπως η αυτόνομη οδήγηση και η τηλεϊατρική.
3. Με δυνατότητα σύνδεσης εκατομμυρίων συνδέσεων/τετραγωνικών χιλιομέτρων συσκευών για την κάλυψη επικοινωνιών IoT.
4. Η απόδοση του φάσματος θα πρέπει να βελτιωθεί περισσότερο από 3 φορές σε σύγκριση με το LTE.
5. Συνεχής κάλυψη ευρείας περιοχής και υψηλή κινητικότητα με ρυθμό εμπειρίας χρήστη 100Mbit/s.
6. Πυκνότητα κυκλοφορίας 10 Mbps/m2 ή μεγαλύτερη.
7. Η κινητικότητα υποστηρίζει την κίνηση υψηλής ταχύτητας 500km/h
Οι οπτικές μονάδες είναι τα βασικά δομικά στοιχεία του φυσικού στρώματος των δικτύων 5G, που χρησιμοποιούνται ευρέως στον ασύρματο εξοπλισμό και τον εξοπλισμό μετάδοσης και το κόστος τους αυξάνεται στον εξοπλισμό του συστήματος, ακόμη και περισσότερο από 50-70% σε ορισμένους εξοπλισμούς, που αποτελεί βασικό στοιχείο του 5G χαμηλού κόστους, ευρεία κάλυψη.
Τα τυπικά σενάρια εφαρμογής και η ανάλυση ζήτησης φαίνονται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1 Σενάρια εφαρμογής οπτικής μονάδας ρουλεμάν 5G και ανάλυση ζήτησης
Το τυπικό σενάριο εφαρμογής της μπροστινής μετάδοσης 5G παρουσιάζεται στο Σχήμα 1, συμπεριλαμβανομένης της άμεσης σύνδεσης ινών, του παθητικού WDM και του ενεργού WDM / οπτικού δικτύου μεταφοράς (OTN) / τμηματικού δικτύου πακέτων (SPN) και ούτω καθεξής. Το σενάριο άμεσης ίνας χρησιμοποιεί γενικά γκρι οπτικές μονάδες 25 Gb/s, που υποστηρίζουν αμφίδρομους τύπους δύο ινών και αμφίδρομων τύπων μονής ίνας, κυρίως που περιλαμβάνουν απόσταση μετάδοσης 300m και 10km. Τα παθητικά σενάρια WDM περιλαμβάνουν κυρίως παθητικά WDM από σημείο σε σημείο και WDM-PON, χρησιμοποιώντας ένα ζεύγος ή μία ίνα για την επίτευξη πολλαπλών συνδέσεων AAU σε DU, που συνήθως απαιτούν έγχρωμες οπτικές μονάδες 10 Gb/s ή 25 Gb/s. Για ενεργά σενάρια WDM/OTN, απαιτούνται συνήθως γκρι μονάδες μικρών αποστάσεων 10 Gb/s ή 25 Gb/s μεταξύ συσκευών AAU/DU και WDM/OTN/SPN και N x 10/25/50/100 Gb/s bi dual-fibre -Απαιτούνται έγχρωμες μονάδες αμφίδρομης κατεύθυνσης ή μονής ίνας μεταξύ συσκευών WDM/OTN/SPN.
Σχήμα 1 Τυπικά σενάρια εφαρμογών για μπροστινή μετάδοση 5G
Οι τυπικές απαιτήσεις για οπτικές μονάδες για σενάρια εφαρμογής μπροστινής μετάδοσης 5G είναι οι εξής.
(1) Πληροί το εύρος θερμοκρασίας βιομηχανικού βαθμού και τις απαιτήσεις υψηλής αξιοπιστίας: λαμβάνοντας υπόψη το περιβάλλον εφαρμογής AAU σε εξωτερικό χώρο, η οπτική μονάδα μπροστινού κιβωτίου ταχυτήτων πρέπει να πληροί το εύρος θερμοκρασίας βιομηχανικής ποιότητας των -40℃~+85℃, καθώς και ανθεκτική στη σκόνη και Λοιπές απαιτήσεις.
(2) Χαμηλό κόστος: Η συνολική ζήτηση για οπτικές μονάδες στο 5G αναμένεται να υπερβεί εκείνη του 4G, με δεκάδες εκατομμύρια οπτικές μονάδες μετάδοσης ειδικότερα, και το χαμηλό κόστος είναι μία από τις κύριες απαιτήσεις της βιομηχανίας για οπτικές μονάδες. Το επίπεδο πρόσβασης θα χρησιμοποιεί κυρίως γκρι ή έγχρωμες οπτικές μονάδες στα 25Gb/s, 50Gb/s και 100Gb/s, ενώ το επίπεδο συγκέντρωσης και άνω θα χρησιμοποιεί περισσότερες έγχρωμες οπτικές μονάδες DWDM στα 100Gb/s, 200Gb/s και 400Gb/s.
Η μπροστινή οπτική μονάδα μετάδοσης είναι ένα σημαντικό μέρος του φυσικού ρουλεμάν της ζεύξης CPRI που συνδέει τη μονάδα επεξεργασίας ζώνης βάσης (BBU) και την απομακρυσμένη μονάδα ραδιοσυχνοτήτων (RRU) / μονάδα επεξεργασίας ενεργής κεραίας (AAU). Από την εποχή 2G των 1.25Gb/s, στην εποχή 3G των 2.5Gb/s, στην εποχή 4G των 6/10Gb/s, ο ρυθμός της οπτικής μονάδας που φέρει συνεχίζει να εξελίσσεται, η απόσταση μετάδοσης περιλαμβάνει κυρίως 300m, 1.4km και 10km κ.λπ. Με την άφιξη της εποχής 5G, ο αριθμός των κεραιών AAU που θα επιτύχουν 8T/8R έως 64T/64R 8 φορές υψηλότερος, το εύρος ζώνης της μηδενικής θύρας από 20MHz σε 100MHz, εάν διατηρηθεί το σχέδιο περικοπής CPRI, η ζήτηση εύρους ζώνης θα εμφανιστεί 10Gb / s έως 400 Gb / s 40 φορές υψηλότερο. Για να μειώσει την πίεση του εύρους ζώνης, ο κλάδος υιοθέτησε το σχέδιο αποκοπής eCPRI για να αναπτύξει μέρος της επεξεργασίας βασικής ζώνης BBU στο AAU, μειώνοντας έτσι τη ζήτηση εύρους ζώνης μεταξύ του BBU και του AAU. Με μηδενικό εύρος ζώνης 100 MHz και 64T/64R, για παράδειγμα, η απαίτηση εύρους ζώνης μονής διεπαφής 5G μειώνεται στην τάξη μεγέθους των 25 Gb/s, κάτι που μπορεί να υποστηριχθεί αποτελεσματικά με την επαναχρησιμοποίηση της ώριμης αλυσίδας βιομηχανίας Ethernet.
Στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης του 5G, οι τρεις μεγάλοι χειριστές συγκεντρώνουν τα BBU για να μειώσουν την ανάγκη για πόρους δωματίου διακομιστή, επιτρέποντας έτσι την ταχεία ανάπτυξη κλίμακας. Ωστόσο, τα σενάρια κεντρικού δικτύου πρόσβασης ραδιοφώνου (CRAN) καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ινών κορμού και, κατά συνέπεια, η βιομηχανία πρότεινε λύσεις πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) που βασίζονται σε 25 Gb/s, όπως CWDM 6 κυμάτων, LWDM/MWDM 12 κυμάτων και 48- κύμα DWDM για σύγκλιση και εξοικονόμηση πόρων οπτικών ινών. Καθώς το 5G εξελίσσεται, το επίκεντρο της επόμενης έκδοσης (Rel 17/Rel 18) θα είναι στα Sub 10GHz, τα κύμα χιλιοστών και άλλες ζώνες συχνοτήτων. Εάν ο αριθμός των κεραιών και το εύρος ζώνης των αεροδρομίων αυξηθεί περαιτέρω, θα απαιτηθούν οπτικές μονάδες 50 Gb/s και υψηλότερης ταχύτητας για την κάλυψη των απαιτήσεων εύρους ζώνης μπροστινής μετάδοσης.
Εικόνα 2 Εξέλιξη ζήτησης ρουλεμάν μετάδοσης 5G
Η μπροστινή οπτική μονάδα μετάδοσης περιλαμβάνει κυρίως τύπους δύο ρυθμών 25Gb/s και 100Gb/s, υποστηρίζει τυπική απόσταση μετάδοσης εκατοντάδων m έως 20km, ειδική τεχνολογική κατάσταση όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.
Πίνακας 2: Κατάσταση της τεχνολογίας μπροστινής οπτικής μονάδας 5G
Επί του παρόντος, η βιομηχανία εξερευνά ενεργά λύσεις οπτικών μονάδων επόμενης γενιάς που είναι υψηλής ταχύτητας, οικονομικά αποδοτικές, πληρούν τις απαιτήσεις θερμοκρασίας βιομηχανικής ποιότητας και εγγυώνται μακροπρόθεσμη αξιοπιστία για περισσότερα από δέκα χρόνια, με πιθανές απαιτήσεις που φαίνονται στο Πίνακας 3.
Πίνακας 3 Πιθανή ζήτηση για νέες οπτικές μονάδες για μπροστινή μετάδοση 5G
Οι οπτικές μονάδες backhaul 5G περιλαμβάνουν κυρίως 25Gb/s, 50Gb/s, 100Gb/s, 200Gb/s και 400Gb/s, με τυπικές αποστάσεις μετάδοσης που κυμαίνονται από λίγα χιλιόμετρα έως εκατοντάδες χιλιόμετρα, υποστηρίζοντας μια ποικιλία πρωτοκόλλων διασύνδεσης όπως CPRI. eCPRI, Ethernet και OTN, καθώς και μορφές διαμόρφωσης όπως NRZ, PAM4 και DMT. Πίνακας 4
Πίνακας 4: Κατάσταση τεχνολογίας οπτικών μονάδων backhaul στο 5G
Με την αυξανόμενη ωριμότητα της τεχνολογίας οπτικών μονάδων 400Gb/s 30/40km και την εξέλιξη της οπτικής μονάδας 800Gb/s, η επόμενη φάση της οπτικής μονάδας backhaul 5G θα αντιμετωπίσει περισσότερες νέες λύσεις. Με την αυξανόμενη ωριμότητα των 400Gb/s 30/40km οπτικών μονάδων και την εξέλιξη των οπτικών μονάδων 800Gb/s, η επόμενη φάση του 5G θα δει περισσότερες νέες επιλογές για τις οπτικές μονάδες backhaul.
Πίνακας 5 Πιθανή ζήτηση για νέες οπτικές μονάδες για backhaul 5G
Μακροπρόθεσμα, καθώς η έρευνα και η εξερεύνηση εφαρμογών τεχνολογίας 6G συνεχίζουν να προχωρούν, η χωρητικότητα μεταφοράς 6G είναι πιθανό να σημειώσει σημαντική αύξηση. Σύμφωνα με τη Λευκή Βίβλο 6G Wireless Hotspot Technology Research (2020), το 6G θα ενσωματωθεί περαιτέρω με το cloud computing, τα μεγάλα δεδομένα και την τεχνητή νοημοσύνη και θα υπάρξει τεράστια αύξηση στη διάσταση και το εύρος της ασύρματης συνδεσιμότητας, που μπορεί να υποστηρίξει σενάρια εφαρμογών όπως π. μετάδοση βίντεο εξαιρετικά μεγάλου εύρους ζώνης, εξαιρετικά χαμηλής καθυστέρησης βιομηχανικό IoT και διασύνδεση αέρα-διαστήματος-ουρανού, κ.λπ. Η απόδοση του συστήματος πρέπει να υποστηρίζει ρυθμό αιχμής 1 Tb/s και ρυθμό εμπειρίας χρήστη 1 Gb/s, καθώς και τις απαιτήσεις μετάδοσης 6G ραδιοπρόσβασης στο δίκτυο θα αυξηθεί κατά 100 συντελεστή σε σύγκριση με τον ρυθμό αιχμής 5G και η νέα ζήτηση για ολοκληρωμένη διασύνδεση εναέριου χώρου-διαστήματος θα απαιτήσει συντελεστή 10 ως προς την ικανότητα μεταφοράς προς τα εμπρός.
