La comunicazione mobile continua il modello di sviluppo di una generazione di tecnologia per decennio e ha attraversato lo sviluppo 1G, 2G, 3G e 4G. Ogni salto generazionale, ogni avanzamento tecnologico, ha contribuito enormemente all'aggiornamento industriale e allo sviluppo economico e sociale. Dall'1G al 2G si è realizzato il passaggio dalle comunicazioni analogiche a quelle digitali e le comunicazioni mobili sono entrate in migliaia di famiglie; dal 2G al 3G e 4G, la trasformazione dai servizi voce a dati è stata realizzata e le velocità di trasmissione sono state aumentate di centinaia di volte, promuovendo la popolarità e la prosperità delle applicazioni Internet mobile. Al momento, le reti mobili sono state integrate in ogni aspetto della vita sociale, cambiando profondamente la comunicazione delle persone, la comunicazione e persino l'intero modo di vivere. Le reti 4G hanno creato una prospera economia di Internet, risolvendo il problema delle persone che comunicano tra loro sempre e ovunque. Con il rapido sviluppo di Internet mobile, stanno emergendo nuovi servizi e servizi e il traffico dati mobile sta esplodendo.
Come nuovo tipo di rete di comunicazione mobile, il 5G non solo risolverà il problema della comunicazione da uomo a uomo, fornendo agli utenti un'esperienza aziendale più coinvolgente ed estrema come realtà aumentata, realtà virtuale e video ad altissima definizione (3D) , ma risolverà anche il problema della comunicazione da uomo a cosa e da cosa a cosa, soddisfacendo le esigenze della medicina mobile, del networking automobilistico, della casa intelligente, del controllo industriale, del monitoraggio ambientale e di altre applicazioni IoT. In definitiva, il 5G penetrerà in tutti i settori dell'economia e della società e diventerà una nuova infrastruttura chiave per sostenere la trasformazione digitale, in rete e intelligente dell'economia e della società.
La tecnologia di comunicazione mobile di quinta generazione (5G) è una nuova generazione di tecnologia di comunicazione mobile a banda larga con alta velocità, bassa latenza e ampia connettività. Le strutture di comunicazione 5G sono l'infrastruttura di rete per l'interconnessione di persone, macchine e cose.
L'International Telecommunication Union (ITU) ha definito tre principali scenari applicativi per il 5G, vale a dire la banda larga mobile avanzata (eMBB), la comunicazione a bassa latenza ad altissima affidabilità (uRLLC) e la comunicazione massiva di classe macchina (mMTC). Enhanced Mobile Broadband (eMBB) si concentra sulla crescita esplosiva del traffico Internet mobile e offre agli utenti di Internet mobile un'esperienza applicativa più estrema; Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC) si concentra su controllo industriale, telemedicina, guida autonoma e altre applicazioni del settore verticale con elevati requisiti di latenza e affidabilità; Massive Machine Type Communication (mMTC) si concentra su città intelligenti, case intelligenti, monitoraggio ambientale e altre applicazioni che si basano sulla trasmissione. mMTC è principalmente per città intelligenti, case intelligenti, monitoraggio ambientale e altre applicazioni mirate al rilevamento e alla raccolta di dati.
L'ITU ha definito otto indicatori chiave di prestazione per il 5G, di cui l'alta velocità, la bassa latenza e l'ampia connettività sono le caratteristiche più importanti, con tassi di esperienza utente fino a 1 Gbps, latenza fino a 1 ms e connettività utente fino a 1 milione di connessioni/quadrato chilometro.
Indicatori chiave di prestazione della comunicazione mobile 5G
1. Sono necessarie velocità di picco di 10-20 Gbit/s per soddisfare la trasmissione di grandi volumi di dati come video HD e realtà virtuale.
2. Latenza dell'interfaccia aerea fino a 1 ms per soddisfare applicazioni in tempo reale come la guida autonoma e la telemedicina.
3. Con la possibilità di connettere milioni di connessioni/chilometro quadrato di dispositivi per soddisfare le comunicazioni IoT.
4. L'efficienza dello spettro dovrebbe essere migliorata di oltre 3 volte rispetto a LTE.
5. Copertura continua di un'ampia area ed elevata mobilità con un tasso di esperienza utente di 100 Mbit/s.
6. Densità di traffico di 10Mbps/m2 o superiore.
7. La mobilità supporta movimenti ad alta velocità di 500 km/h
I moduli ottici sono gli elementi costitutivi di base del livello fisico delle reti 5G, ampiamente utilizzati nelle apparecchiature wireless e di trasmissione, e il loro costo è in aumento nelle apparecchiature di sistema, anche oltre il 50-70% in alcune apparecchiature, che è un elemento chiave di 5G a basso costo, ampia copertura.
Gli scenari applicativi tipici e l'analisi della domanda sono mostrati nella Tabella 1.
Tabella 1 Scenari applicativi del modulo ottico con cuscinetto 5G e analisi della domanda
Lo scenario applicativo tipico della trasmissione frontale 5G è mostrato nella Figura 1, inclusa la connessione diretta in fibra, WDM passivo e WDM attivo / rete di trasporto ottico (OTN) / rete di pacchetti tagliati (SPN) e così via. Lo scenario in fibra diretta utilizza generalmente moduli ottici grigi da 25 Gb/s, che supportano sia i tipi bidirezionali a due fibre che quelli bidirezionali a fibra singola, includendo principalmente una distanza di trasmissione di 300 me 10 km. Gli scenari WDM passivi includono principalmente WDM e WDM-PON passivi point-to-point, utilizzando una coppia o una singola fibra per ottenere più connessioni AAU a DU, che in genere richiedono moduli ottici colorati da 10 Gb/s o 25 Gb/s. Per gli scenari WDM/OTN attivi, in genere sono richiesti moduli grigi a corto raggio da 10 Gb/s o 25 Gb/s tra AAU/DU e dispositivi WDM/OTN/SPN e N x 10/25/50/100 Gb/s dual-fibre bi tra i dispositivi WDM/OTN/SPN sono necessari moduli colore bidirezionali o a fibra singola.
Figura 1 Scenari applicativi tipici per la trasmissione in avanti 5G
I requisiti tipici per i moduli ottici per gli scenari applicativi di trasmissione frontale 5G sono i seguenti.
(1) Soddisfa l'intervallo di temperatura di livello industriale e i requisiti di alta affidabilità: considerando l'ambiente di applicazione all-outdoor AAU, il modulo ottico di trasmissione anteriore deve soddisfare l'intervallo di temperatura di livello industriale di -40 ℃ ~ + 85 ℃, nonché resistente alla polvere e altri requisiti.
(2) Basso costo: si prevede che la domanda totale di moduli ottici nel 5G supererà quella del 4G, con decine di milioni di moduli ottici a trasmissione frontale in particolare, e il basso costo è una delle principali richieste del settore per i moduli ottici. Il livello di accesso utilizzerà principalmente moduli ottici grigi o colorati a 25 Gb/s, 50 Gb/s e 100 Gb/s, mentre il livello di aggregazione e superiori utilizzerà più moduli ottici colorati DWDM a 100 Gb/s, 200 Gb/s e 400 Gb/s.
Il modulo ottico di trasmissione anteriore è una parte importante del rilevamento fisico del collegamento CPRI che collega l'unità di elaborazione in banda base (BBU) e l'unità di radiofrequenza remota (RRU)/unità di elaborazione dell'antenna attiva (AAU). Dall'era 2G di 1.25 Gb/s, all'era 3G di 2.5 Gb/s, all'era 4G di 6/10 Gb/s, la velocità del modulo ottico del cuscinetto continua ad evolversi, la distanza di trasmissione comprende principalmente 300 m, 1.4 km e 10 km, ecc. Con l'arrivo dell'era 5G, il numero di antenne AAU per raggiungere 8T/8R a 64T/64R 8 volte superiore, la larghezza di banda della porta nulla da 20MHz a 100MHz, se si mantiene lo schema di taglio CPRI, la domanda di larghezza di banda apparirà 10Gb / da s a 400 Gb / s 40 volte superiore. Per ridurre la pressione sulla larghezza di banda, l'industria ha adottato lo schema cutover eCPRI per distribuire parte dell'elaborazione in banda base BBU sull'AAU, riducendo così la domanda di larghezza di banda tra BBU e AAU. Con una larghezza di banda nulla di 100 MHz e 64 T/64 R, ad esempio, il requisito di larghezza di banda dell'interfaccia singola in avanti 5G scende all'ordine di grandezza di 25 Gb/s, che può essere efficacemente supportato riutilizzando la catena di settore Ethernet matura.
Nelle prime fasi dell'implementazione del 5G, i tre principali operatori centralizzano le BBU per ridurre la necessità di risorse per le sale server, consentendo così un'implementazione su larga scala. Tuttavia, gli scenari di reti di accesso radio centralizzate (CRAN) consumano grandi quantità di fibra backbone e l'industria ha proposto di conseguenza soluzioni WDM (Wavelength Division Multiplexing) basate su 25 Gb/s come CWDM a 6 onde, LWDM/MWDM a 12 onde e 48- wave DWDM per convergere e risparmiare risorse in fibra. Con l'evolversi del 5G, l'attenzione della versione successiva (Rel 17/Rel 18) sarà su Sub 10GHz, onde millimetriche e altre bande di frequenza. Se il numero di antenne e la larghezza di banda degli aeroporti aumentano ulteriormente, saranno necessari moduli ottici da 50 Gb/se velocità superiori per soddisfare i requisiti di larghezza di banda di trasmissione anteriore.
Figura 2 Evoluzione della domanda di cuscinetti della trasmissione anteriore 5G
Il modulo ottico di trasmissione anteriore comprende principalmente due tipi di velocità da 25 Gb/s e 100 Gb/s, supporta una distanza di trasmissione tipica da centinaia di m a 20 km, stato tecnologico specifico come mostrato nella Tabella 2.
Tabella 2: Stato della tecnologia del modulo ottico front-end 5G
Attualmente, l'industria sta attivamente esplorando soluzioni di moduli front-end ottici di nuova generazione che sono ad alta velocità, convenienti, soddisfano i requisiti di temperatura di livello industriale front-end e garantiscono affidabilità a lungo termine per oltre dieci anni, con i potenziali requisiti indicati in Tabella 3.
Tabella 3 Domanda potenziale di nuovi moduli ottici per la trasmissione in avanti 5G
I moduli ottici di backhaul 5G includono principalmente 25 Gb/s, 50 Gb/s, 100 Gb/s, 200 Gb/s e 400 Gb/s, con distanze di trasmissione tipiche che vanno da pochi chilometri a centinaia di chilometri, che supportano una varietà di protocolli di interfaccia come CPRI, eCPRI, Ethernet e OTN, nonché formati di modulazione come NRZ, PAM4 e DMT. Tabella 4
Tabella 4: Stato della tecnologia dei moduli ottici di backhaul nel 5G
Con la crescente maturità della tecnologia del modulo ottico da 400 Gb/s 30/40 km e l'evoluzione del modulo ottico da 800 Gb/s, la fase successiva del modulo ottico backhaul 5G dovrà affrontare nuove soluzioni. Con la crescente maturità dei moduli ottici da 400 Gb/s 30/40 km e l'evoluzione dei moduli ottici da 800 Gb/s, la prossima fase del 5G vedrà più nuove opzioni per i moduli ottici di backhaul.
Tabella 5 Domanda potenziale di nuovi moduli ottici per backhaul 5G
A lungo termine, mentre la ricerca sulla tecnologia 6G e l'esplorazione delle applicazioni continuano ad avanzare, è probabile che la capacità di trasmissione in avanti del 6G subisca un aumento significativo. Secondo il 6G Wireless Hotspot Technology Research White Paper (2020), il 6G sarà ulteriormente integrato con il cloud computing, i big data e l'intelligenza artificiale e ci sarà un enorme aumento della dimensione e dell'ampiezza della connettività wireless, che può supportare scenari applicativi come trasmissione video a larghezza di banda ultralarga, IoT industriale a bassissima latenza e interconnessione aria-spazio-cielo, ecc. Le prestazioni del sistema devono supportare una velocità di picco di 1 Tb/s e una velocità di esperienza utente di 1 Gb/s e i requisiti di trasmissione della rete di accesso radio 6G sarà aumentata di un fattore 100 rispetto alla velocità di punta del 5G e la nuova domanda di interconnessione integrata aria-spazio-spazio richiederà un fattore 10 in termini di capacità di trasmissione diretta.
