Truyền thông di động tiếp tục mô hình phát triển của một thế hệ công nghệ mỗi thập kỷ và đã trải qua quá trình phát triển 1G, 2G, 3G và 4G. Mỗi bước nhảy vọt của thế hệ, mỗi tiến bộ công nghệ đều góp phần to lớn vào việc nâng cấp công nghiệp và phát triển kinh tế xã hội. Từ 1G lên 2G, quá trình chuyển đổi từ truyền thông tương tự sang truyền thông kỹ thuật số đã được thực hiện và truyền thông di động đã đi vào hàng nghìn hộ gia đình; từ 2G sang 3G và 4G, việc chuyển đổi từ dịch vụ thoại sang dữ liệu đã được thực hiện và tốc độ truyền tải được tăng lên hàng trăm lần, thúc đẩy sự phổ biến và thịnh vượng của các ứng dụng internet di động. Hiện nay, mạng di động đã được tích hợp vào mọi mặt của đời sống xã hội, làm thay đổi sâu sắc cách giao tiếp, liên lạc và thậm chí là toàn bộ lối sống của con người. Mạng 4G đã tạo ra một nền kinh tế Internet thịnh vượng, giải quyết vấn đề con người liên lạc với nhau mọi lúc mọi nơi. Với sự phát triển nhanh chóng của internet di động, các dịch vụ và dịch vụ mới đang xuất hiện và lưu lượng dữ liệu di động đang bùng nổ.
Là một loại mạng truyền thông di động mới, 5G sẽ không chỉ giải quyết vấn đề giao tiếp giữa người với người, mà còn cung cấp cho người dùng trải nghiệm kinh doanh chân thực và tuyệt vời hơn như thực tế tăng cường, thực tế ảo và video độ phân giải siêu cao (3D) , mà còn giải quyết vấn đề giao tiếp giữa người với vật và vật với vật, đáp ứng nhu cầu về y tế di động, mạng ô tô, nhà thông minh, điều khiển công nghiệp, giám sát môi trường và các ứng dụng IoT khác. Cuối cùng, 5G sẽ thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế và xã hội và trở thành cơ sở hạ tầng mới quan trọng để hỗ trợ quá trình chuyển đổi kỹ thuật số, kết nối mạng và thông minh của nền kinh tế và xã hội.
Công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) là công nghệ thông tin di động băng thông rộng thế hệ mới với tốc độ cao, độ trễ thấp và khả năng kết nối lớn. Các phương tiện liên lạc 5G là cơ sở hạ tầng mạng để kết nối con người, máy móc và mọi thứ.
Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã xác định ba kịch bản ứng dụng chính cho 5G, đó là băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), giao tiếp độ trễ thấp có độ tin cậy cực cao (uRLLC) và giao tiếp lớp máy lớn (mMTC). Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) tập trung vào sự tăng trưởng bùng nổ của lưu lượng truy cập Internet di động và cung cấp cho người dùng Internet di động trải nghiệm ứng dụng tuyệt vời hơn; Giao tiếp độ trễ thấp cực kỳ đáng tin cậy (uRLLC) tập trung vào điều khiển công nghiệp, y tế từ xa, lái xe tự hành và các ứng dụng ngành dọc khác có yêu cầu cao về độ trễ và độ tin cậy; Massive Machine Type Communication (mMTC) tập trung vào các thành phố thông minh, nhà thông minh, giám sát môi trường và các ứng dụng khác dựa trên đường truyền. mMTC chủ yếu dành cho các thành phố thông minh, nhà thông minh, giám sát môi trường và các ứng dụng khác nhắm mục tiêu cảm biến và thu thập dữ liệu.
ITU đã xác định tám chỉ số hiệu suất chính cho 5G, trong đó tốc độ cao, độ trễ thấp và khả năng kết nối lớn là những tính năng nổi bật nhất, với tốc độ trải nghiệm người dùng lên tới 1Gbps, độ trễ thấp tới 1ms và khả năng kết nối người dùng lên tới 1 triệu kết nối/vuông km.
Các chỉ số hiệu suất chính của truyền thông di động 5G
1. Cần có tốc độ cao nhất từ 10-20Gbit/s để đáp ứng việc truyền khối lượng dữ liệu lớn như video HD và thực tế ảo.
2. Độ trễ giao diện vô tuyến thấp tới 1 mili giây để đáp ứng các ứng dụng thời gian thực như lái xe tự hành và y tế từ xa.
3. Với khả năng kết nối hàng triệu kết nối/kmXNUMX thiết bị đáp ứng truyền thông IoT.
4. Hiệu suất phổ nên được cải thiện hơn 3 lần so với LTE.
5. Vùng phủ sóng rộng liên tục và tính di động cao với tốc độ trải nghiệm người dùng là 100Mbit/s.
6. Mật độ đường truyền từ 10Mbps/m2 trở lên.
7. Tính cơ động hỗ trợ di chuyển tốc độ cao 500km/h
Các mô-đun quang là khối xây dựng cơ bản của lớp vật lý của mạng 5G, được sử dụng rộng rãi trong thiết bị truyền dẫn và không dây, đồng thời giá thành của chúng ngày càng tăng trong thiết bị hệ thống, thậm chí hơn 50-70% ở một số thiết bị, đây là yếu tố chính của 5G chi phí thấp, vùng phủ rộng.
Các kịch bản ứng dụng điển hình và phân tích nhu cầu được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1 Kịch bản ứng dụng mô-đun quang ổ trục 5G và phân tích nhu cầu
Kịch bản ứng dụng điển hình của truyền dẫn phía trước 5G được hiển thị trong Hình 1, bao gồm kết nối trực tiếp bằng sợi quang, WDM thụ động và WDM chủ động / mạng truyền tải quang (OTN) / mạng gói cắt lát (SPN), v.v. Kịch bản cáp quang trực tiếp thường sử dụng các mô-đun quang màu xám 25Gb/s, hỗ trợ cả hai loại hai chiều hai sợi quang và hai chiều một sợi quang, chủ yếu bao gồm khoảng cách truyền 300m và 10km. Các kịch bản WDM thụ động chủ yếu bao gồm WDM thụ động điểm-điểm và WDM-PON, sử dụng một cặp hoặc một sợi quang để đạt được nhiều kết nối AAU đến DU, thường yêu cầu các mô-đun quang màu 10Gb/giây hoặc 25Gb/giây. Đối với các kịch bản WDM/OTN đang hoạt động, các mô-đun màu xám đường truyền ngắn 10Gb/s hoặc 25Gb/s thường được yêu cầu giữa các thiết bị AAU/DU và WDM/OTN/SPN và cáp quang kép N x 10/25/50/100Gb/s -Các mô-đun màu hai chiều hoặc một sợi quang được yêu cầu giữa các thiết bị WDM/OTN/SPN.
Hình 1 Các kịch bản ứng dụng điển hình cho truyền chuyển tiếp 5G
Các yêu cầu điển hình đối với các mô-đun quang cho các tình huống ứng dụng truyền trước 5G như sau.
(1) Đáp ứng các yêu cầu về dải nhiệt độ cấp công nghiệp và độ tin cậy cao: xem xét môi trường ứng dụng ngoài trời AAU, mô-đun quang truyền dẫn phía trước cần đáp ứng dải nhiệt độ cấp công nghiệp từ -40℃~+85℃, cũng như khả năng chống bụi và những yêu cầu khác.
(2) Chi phí thấp: Tổng nhu cầu về mô-đun quang trong 5G dự kiến sẽ vượt quá 4G, đặc biệt với hàng chục triệu mô-đun quang truyền dẫn phía trước và chi phí thấp là một trong những nhu cầu chính của ngành đối với mô-đun quang. Lớp truy cập sẽ chủ yếu sử dụng các mô-đun quang màu xám hoặc màu ở tốc độ 25Gb/giây, 50Gb/giây và 100Gb/giây, trong khi lớp tổng hợp trở lên sẽ sử dụng nhiều mô-đun quang màu DWDM hơn ở tốc độ 100Gb/giây, 200Gb/giây và 400Gb/giây.
Mô-đun quang truyền dẫn phía trước là một phần quan trọng trong ổ trục vật lý của liên kết CPRI kết nối bộ xử lý băng cơ sở (BBU) và bộ xử lý tần số vô tuyến từ xa (RRU)/bộ xử lý ăng-ten hoạt động (AAU). Từ kỷ nguyên 2G là 1.25Gb/s, đến kỷ nguyên 3G là 2.5Gb/s, đến kỷ nguyên 4G là 6/10Gb/s, tốc độ mô-đun quang mang tiếp tục phát triển, khoảng cách truyền chủ yếu bao gồm 300m, 1.4km và 10km, v.v. .Với sự xuất hiện của kỷ nguyên 5G, số lượng ăng-ten AAU để đạt được 8T/8R đến 64T/64R tăng gấp 8 lần, băng thông của cổng null từ 20 MHz đến 100 MHz, nếu duy trì sơ đồ cắt giảm CPRI, nhu cầu băng thông sẽ xuất hiện 10Gb / s lên 400Gb/s cao gấp 40 lần. Để giảm áp lực băng thông, ngành công nghiệp đã áp dụng sơ đồ chuyển đổi eCPRI để triển khai một số xử lý băng cơ sở BBU trên AAU, do đó giảm nhu cầu băng thông giữa BBU và AAU. Ví dụ: với băng thông không có 100 MHz và 64T/64R, yêu cầu băng thông giao diện đơn chuyển tiếp 5G giảm xuống mức 25Gb/s, có thể được hỗ trợ hiệu quả bằng cách sử dụng lại chuỗi công nghiệp Ethernet trưởng thành.
Trong giai đoạn đầu triển khai 5G, ba nhà khai thác chính tập trung các BBU để giảm nhu cầu về tài nguyên phòng máy chủ, do đó cho phép triển khai quy mô nhanh chóng. Tuy nhiên, các kịch bản mạng truy cập vô tuyến tập trung (CRAN) tiêu thụ một lượng lớn cáp quang đường trục và theo đó, ngành đã đề xuất các giải pháp ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) dựa trên 25Gb/s như CWDM 6 sóng, LWDM/MWDM 12 sóng và 48- wave DWDM để hội tụ và tiết kiệm tài nguyên sợi quang. Khi 5G phát triển, trọng tâm của phiên bản tiếp theo (Rel 17/Rel 18) sẽ là Sub 10GHz, sóng milimet và các dải tần số khác. Nếu số lượng ăng-ten và băng thông của các sân bay tăng thêm, thì các mô-đun quang tốc độ 50Gb/s và tốc độ cao hơn sẽ được yêu cầu để đáp ứng các yêu cầu về băng thông truyền dẫn phía trước.
Hình 2 Sự phát triển của nhu cầu vòng bi truyền động phía trước 5G
Mô-đun quang truyền dẫn phía trước chủ yếu bao gồm hai loại tốc độ 25Gb/s và 100Gb/s, hỗ trợ khoảng cách truyền thông thường hàng trăm m đến 20km, trạng thái công nghệ cụ thể như trong Bảng 2.
Bảng 2: Hiện trạng công nghệ mô-đun quang mặt trước 5G
Hiện tại, ngành đang tích cực khám phá các giải pháp mô-đun đầu cuối quang học thế hệ tiếp theo có tốc độ cao, tiết kiệm chi phí, đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ cấp công nghiệp đầu cuối và đảm bảo độ tin cậy lâu dài trong hơn mười năm, với các yêu cầu tiềm năng được thể hiện trong Bàn số 3.
Bảng 3 Nhu cầu tiềm năng đối với các mô-đun quang học mới cho truyền dẫn 5G chuyển tiếp
Các mô-đun quang 5G backhaul chủ yếu bao gồm 25Gb/s, 50Gb/s, 100Gb/s, 200Gb/s và 400Gb/s, với khoảng cách truyền thông thường từ vài km đến hàng trăm km, hỗ trợ nhiều giao thức giao diện như CPRI, eCPRI, Ethernet và OTN, cũng như các định dạng điều chế như NRZ, PAM4 và DMT. Bảng 4
Bảng 4: Hiện trạng công nghệ mô-đun quang backhaul trong 5G
Với sự trưởng thành ngày càng tăng của công nghệ mô-đun quang 400Gb/s 30/40km và sự phát triển của mô-đun quang 800Gb/s, giai đoạn tiếp theo của mô-đun quang truyền dẫn 5G sẽ đối mặt với nhiều giải pháp mới hơn. Với sự trưởng thành ngày càng tăng của các mô-đun quang 400Gb/s 30/40km và sự phát triển của các mô-đun quang 800Gb/s, giai đoạn tiếp theo của 5G sẽ chứng kiến nhiều tùy chọn mới hơn cho các mô-đun quang truyền tải.
Bảng 5 Nhu cầu tiềm năng đối với các mô-đun quang học mới cho đường trục 5G
Về lâu dài, khi nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu công nghệ 6G tiếp tục phát triển, dung lượng truyền dẫn 6G có thể sẽ tăng đáng kể. Theo Sách trắng nghiên cứu công nghệ điểm truy cập không dây 6G (2020), 6G sẽ được tích hợp hơn nữa với điện toán đám mây, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo, đồng thời sẽ có sự gia tăng lớn về kích thước và độ rộng kết nối không dây, có thể hỗ trợ các tình huống ứng dụng như truyền video băng thông cực lớn, IoT công nghiệp có độ trễ cực thấp và kết nối không gian-không gian-bầu trời, v.v. Hiệu suất hệ thống cần hỗ trợ tốc độ tối đa 1Tb/giây và tốc độ trải nghiệm người dùng 1Gb/giây và Yêu cầu truyền dẫn mạng truy cập vô tuyến 6G sẽ tăng lên gấp 100 lần so với tốc độ đỉnh 5G và nhu cầu mới về kết nối không gian-không gian-không gian tích hợp sẽ yêu cầu hệ số 10 về khả năng truyền chuyển tiếp.
