A comunicação móvel continua o padrão de desenvolvimento de uma geração de tecnologia por década e passou pelo desenvolvimento de 1G, 2G, 3G e 4G. Cada salto geracional, cada avanço tecnológico, muito contribuiu para a modernização industrial e o desenvolvimento econômico e social. De 1G para 2G, realizou-se a transição das comunicações analógicas para as digitais e as comunicações móveis chegaram a milhares de lares; de 2G para 3G e 4G, a transformação de serviços de voz para dados foi realizada e as taxas de transmissão foram aumentadas centenas de vezes, promovendo a popularidade e a prosperidade dos aplicativos de internet móvel. Atualmente, as redes móveis estão integradas em todos os aspectos da vida social, mudando profundamente a comunicação das pessoas, a comunicação e até todo o modo de vida. As redes 4G criaram uma próspera economia da Internet, resolvendo o problema das pessoas se comunicarem umas com as outras a qualquer hora e em qualquer lugar. Com o rápido desenvolvimento da internet móvel, novos serviços e serviços estão surgindo e o tráfego de dados móveis está explodindo.
Como um novo tipo de rede de comunicação móvel, o 5G não apenas resolverá o problema da comunicação entre humanos, mas também fornecerá aos usuários uma experiência de negócios mais imersiva e extrema, como realidade aumentada, realidade virtual e vídeo de ultra-alta definição (3D). , mas também resolverá o problema da comunicação humano-coisa e coisa-coisa, atendendo às necessidades de medicina móvel, rede automotiva, casa inteligente, controle industrial, monitoramento ambiental e outras aplicações de IoT. Por fim, o 5G penetrará em todos os setores da economia e da sociedade e se tornará uma nova infraestrutura essencial para apoiar a transformação digital, em rede e inteligente da economia e da sociedade.
A Tecnologia de Comunicação Móvel de 5ª Geração (5G) é uma nova geração de tecnologia de comunicação móvel de banda larga com alta velocidade, baixa latência e grande conectividade. As instalações de comunicação 5G são a infraestrutura de rede para a interconexão de pessoas, máquinas e coisas.
A União Internacional de Telecomunicações (ITU) definiu três cenários principais de aplicação para 5G, ou seja, banda larga móvel aprimorada (eMBB), comunicação de baixa latência de confiabilidade ultra alta (uRLLC) e comunicação de classe de máquina massiva (mMTC). Enhanced Mobile Broadband (eMBB) concentra-se no crescimento explosivo do tráfego de Internet móvel e fornece aos usuários de Internet móvel uma experiência de aplicativo mais extrema; A comunicação ultra confiável de baixa latência (uRLLC) concentra-se em controle industrial, telemedicina, direção autônoma e outras aplicações industriais verticais com altos requisitos de latência e confiabilidade; Massive Machine Type Communication (mMTC) concentra-se em cidades inteligentes, casas inteligentes, monitoramento ambiental e outras aplicações que dependem da transmissão. O mMTC é principalmente para cidades inteligentes, casas inteligentes, monitoramento ambiental e outras aplicações voltadas para detecção e coleta de dados.
A ITU definiu oito indicadores-chave de desempenho para 5G, dos quais alta velocidade, baixa latência e grande conectividade são os recursos mais proeminentes, com taxas de experiência do usuário de até 1 Gbps, latência tão baixa quanto 1 ms e conectividade do usuário de até 1 milhão de conexões/quadrado quilômetro.
Principais indicadores de desempenho de comunicação móvel 5G
1. Taxas de pico de 10-20 Gbit/s são necessárias para atender a transmissão de grandes volumes de dados, como vídeo HD e realidade virtual.
2. Latência de interface aérea tão baixa quanto 1 ms para atender aplicações em tempo real, como direção autônoma e telemedicina.
3. Com a capacidade de conectar milhões de conexões/quilômetro quadrado de dispositivos para atender às comunicações de IoT.
4. A eficiência do espectro deve ser melhorada em mais de 3 vezes em comparação com o LTE.
5. Cobertura de área ampla contínua e alta mobilidade com uma taxa de experiência do usuário de 100Mbit/s.
6. Densidade de tráfego de 10 Mbps/m2 ou mais.
7. Mobilidade suporta movimento de alta velocidade de 500km/h
Os módulos ópticos são os blocos básicos de construção da camada física das redes 5G, amplamente utilizados em equipamentos sem fio e de transmissão, e seu custo está aumentando no equipamento do sistema, chegando a mais de 50-70% em alguns equipamentos, que é um elemento-chave do 5G de baixo custo, ampla cobertura.
Os cenários típicos de aplicação e análise de demanda são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1 Cenários de aplicação do módulo óptico de rolamento 5G e análise de demanda
O cenário típico de aplicação da transmissão frontal 5G é mostrado na Figura 1, incluindo conexão direta de fibra, WDM passivo e WDM ativo/rede de transporte óptico (OTN)/rede de pacotes fatiados (SPN) e assim por diante. O cenário de fibra direta geralmente usa módulos ópticos cinza de 25Gb/s, suportando tipos bidirecionais de duas fibras e bidirecionais de fibra única, incluindo principalmente distâncias de transmissão de 300m e 10km. Os cenários de WDM passivo incluem principalmente WDM e WDM-PON passivos ponto a ponto, usando um par ou uma única fibra para obter várias conexões AAU para DU, normalmente exigindo módulos ópticos coloridos de 10 Gb/s ou 25 Gb/s. Para cenários ativos de WDM/OTN, módulos cinza de curta distância de 10 Gb/s ou 25 Gb/s são normalmente necessários entre AAUs/DUs e dispositivos WDM/OTN/SPN, e N x 10/25/50/100 Gb/s dual-fibra bi São necessários módulos coloridos bidirecionais ou de fibra única entre dispositivos WDM/OTN/SPN.
Figura 1 Cenários típicos de aplicação para transmissão direta 5G
Os requisitos típicos para módulos ópticos para cenários de aplicação de transmissão frontal 5G são os seguintes.
(1) Atende à faixa de temperatura de nível industrial e aos requisitos de alta confiabilidade: considerando o ambiente de aplicação AAU totalmente externo, o módulo óptico de transmissão frontal precisa atender à faixa de temperatura de nível industrial de -40 ℃ ~ + 85 ℃, bem como à prova de poeira e outros requerimentos.
(2) Baixo custo: Espera-se que a demanda total por módulos ópticos em 5G ultrapasse a de 4G, com dezenas de milhões de módulos ópticos de transmissão frontal em particular, e baixo custo é uma das principais demandas da indústria para módulos ópticos. A camada de acesso usará principalmente módulos ópticos cinza ou coloridos em 25Gb/s, 50Gb/s e 100Gb/s, enquanto a camada de agregação e acima usará mais módulos ópticos coloridos DWDM em 100Gb/s, 200Gb/se 400Gb/s.
O módulo óptico de transmissão frontal é uma parte importante do rolamento físico do link CPRI que conecta a unidade de processamento de banda base (BBU) e a unidade de radiofrequência remota (RRU)/unidade de processamento de antena ativa (AAU). Da era 2G de 1.25 Gb/s, para a era 3G de 2.5 Gb/s, para a era 4G de 6/10 Gb/s, a taxa do módulo óptico de rolamento continua a evoluir, a distância de transmissão inclui principalmente 300m, 1.4km e 10km, etc. . Com a chegada da era 5G, o número de antenas AAU para atingir 8T/8R a 64T/64R 8 vezes maior, a largura de banda da porta nula de 20MHz a 100MHz, se manter o esquema de corte CPRI, a demanda de largura de banda aparecerá 10Gb / s para 400Gb / s 40 vezes maior. Para reduzir a pressão da largura de banda, a indústria adotou o esquema de corte eCPRI para implantar parte do processamento de banda base BBU na AAU, reduzindo assim a demanda de largura de banda entre a BBU e a AAU. Com uma largura de banda nula de 100 MHz e 64T/64R, por exemplo, o requisito de largura de banda de interface única de encaminhamento 5G cai para a ordem de grandeza de 25 Gb/s, que pode ser efetivamente suportada pela reutilização da cadeia industrial Ethernet madura.
Nos estágios iniciais da implantação do 5G, as três principais operadoras centralizam as BBUs para reduzir a necessidade de recursos de sala de servidores, permitindo assim uma implantação em escala rápida. No entanto, os cenários de rede de acesso de rádio centralizado (CRAN) consomem grandes quantidades de fibra de backbone e, de acordo com isso, a indústria propôs soluções de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) baseada em 25 Gb/s, como CWDM de 6 ondas, LWDM/MWDM de 12 ondas e 48-ondas wave DWDM para convergir e economizar recursos de fibra. À medida que o 5G evolui, o foco da versão subsequente (Rel 17/Rel 18) estará em Sub 10GHz, onda milimétrica e outras bandas de frequência. Se o número de antenas e a largura de banda dos aeroportos aumentarem ainda mais, serão necessários módulos ópticos de 50 Gb/s e de maior velocidade para atender aos requisitos de largura de banda de transmissão frontal.
Figura 2 Evolução da demanda do rolamento da transmissão dianteira 5G
O módulo óptico de transmissão frontal inclui principalmente dois tipos de taxas de 25 Gb/s e 100 Gb/s, suporta centenas de m a 20 km de distância de transmissão típica, status de tecnologia específica conforme mostrado na Tabela 2.
Tabela 2: Status da tecnologia de módulo óptico front-end 5G
Atualmente, a indústria está explorando ativamente as soluções de módulo front-end óptico de última geração que são de alta velocidade, econômicas, atendem aos requisitos de temperatura de nível industrial de front-end e garantem confiabilidade de longo prazo por mais de dez anos, com requisitos potenciais mostrados em Tabela 3.
Tabela 3 Demanda potencial de novos módulos ópticos para transmissão direta 5G
Os módulos ópticos de backhaul 5G incluem principalmente 25 Gb/s, 50 Gb/s, 100 Gb/s, 200 Gb/s e 400 Gb/s, com distâncias de transmissão típicas variando de alguns quilômetros a centenas de quilômetros, suportando uma variedade de protocolos de interface, como CPRI, eCPRI, Ethernet e OTN, além de formatos de modulação como NRZ, PAM4 e DMT. Tabela 4
Tabela 4: Status da tecnologia de módulo óptico backhaul em 5G
Com a crescente maturidade da tecnologia de módulo óptico de 400 Gb/s 30/40 km e a evolução do módulo óptico de 800 Gb/s, a próxima fase do módulo óptico de backhaul 5G enfrentará mais novas soluções. Com a maturidade crescente dos módulos ópticos de 400/30 km de 40 Gb/s e a evolução dos módulos ópticos de 800 Gb/s, a próxima fase do 5G verá mais novas opções para módulos ópticos de backhaul.
Tabela 5 Demanda potencial de novos módulos ópticos para backhaul 5G
A longo prazo, à medida que a pesquisa da tecnologia 6G e a exploração de aplicativos continuam avançando, é provável que a capacidade de transmissão direta de 6G tenha um aumento significativo. De acordo com o White Paper de pesquisa de tecnologia de ponto de acesso sem fio 6G (2020), o 6G será ainda mais integrado à computação em nuvem, big data e inteligência artificial, e haverá um grande aumento na dimensão e amplitude da conectividade sem fio, que pode suportar cenários de aplicativos como transmissão de vídeo com largura de banda ultralarga, IoT industrial de latência ultrabaixa e interconexão ar-espaço-céu etc. O desempenho do sistema precisa suportar taxa de pico de 1 TB/s e taxa de experiência do usuário de 1 Gb/s e os requisitos de transmissão da rede de acesso por rádio 6G será aumentada por um fator de 100 em comparação com a taxa de pico 5G, e a nova demanda por interconexão integrada espaço-ar exigirá um fator de 10 em termos de capacidade de transmissão direta.
