5G承載光模塊典型應(yīng)用場景以及發(fā)展現(xiàn)狀介紹

5G技術(shù)已經(jīng)邁入商用化進(jìn)程，其新型業(yè)務(wù)特性和更高指標(biāo)要求對承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及各層技術(shù)方案均提出了新的挑戰(zhàn)。光模塊是5G網(wǎng)絡(luò)高速互連的基礎(chǔ)組件，在部分設(shè)備中的成本占比甚至超過50%~70%，是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵要素之一。由于速率容量、傳輸距離、工作環(huán)境、光纖資源和同步特性等需求的不同，5G前傳、中回傳對光模塊提出差異化要求。光模塊應(yīng)滿足更高速率、更長距離、更寬溫度范圍以及更低成本，目前已出現(xiàn)多種解決方案，種類紛繁復(fù)雜，需要業(yè)界合力推動(dòng)進(jìn)一步收斂聚焦。

5G前傳的典型應(yīng)用場景包括光纖直連、無源WDM、半有源WDM以及有源WDM等，如圖1所示。光纖直連網(wǎng)絡(luò)簡潔、易于維護(hù)、時(shí)延較低但消耗大量光纖，WDM方案減少光纖占用但面臨其他問題如成本增加、有源時(shí)需要額外供電等。

圖1? (a)光纖直連 (b)無源WDM (c)半有源WDM (d)有源WDM

光纖直連場景一般采用25Gbit/s灰光模塊，支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型，在5G部署短期內(nèi)為主導(dǎo)方案。隨著高頻組網(wǎng)以及低頻增點(diǎn)等深度覆蓋，為充分利用已有光纖資源或解決光纖資源緊張問題，WDM部署將逐漸增加。無源WDM場景主要包括點(diǎn)到點(diǎn)無源WDM和WDM-PON等，采用一對或一根光纖實(shí)現(xiàn)多個(gè)AAU到DU間的連接，典型需要10Gbit/s或25Gbit/s彩光模塊。有源WDM場景在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設(shè)備間一般需要10Gbit/s或25Gbit/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設(shè)備間需要N×10/25/50/100Gbit/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。半有源場景綜合上面兩種場景的特點(diǎn)，在DU側(cè)使用有源WDM/OTN/SPN設(shè)備，在AAU側(cè)使用無源波分復(fù)用器。

針對AAU全室外應(yīng)用環(huán)境，5G前傳應(yīng)用場景對光模塊的典型要求首先是需滿足-40℃~+85℃的工業(yè)級溫度范圍以及防塵等環(huán)境可靠性要求。另外，5G光模塊總需求量預(yù)計(jì)超過4G，尤其前傳光模塊可能存在數(shù)千萬量級的需求，對應(yīng)的光纖資源的需求也會(huì)大大增加，低成本是產(chǎn)業(yè)對光模塊的主要訴求之一。

5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層，所需光模塊與現(xiàn)有傳送網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心使用的光模塊技術(shù)差異不大，可以通過提升模塊速率或WDM的方式來提升承載容量。接入層將主要采用25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s等速率的灰光或彩光模塊，匯聚層及以上將較多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的DWDM彩光模塊。

目前，各類場景下的光模塊解決方案涉及的模塊類型和接口特性各不相同、種類繁雜。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織國際電聯(lián)（ITU-T）、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、光互聯(lián)論壇（OIF）、4WDM等多源協(xié)議（MSA）、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）等都在持續(xù)推動(dòng)各類型模塊標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G承載工作組已組織完成兩次多廠商、多類型5G承載光模塊測評工作，進(jìn)一步推動(dòng)提升5G承載光模塊發(fā)展水平。

前傳灰光模塊可采用25G波特率或10G波特率兩種激光器芯片實(shí)現(xiàn)。25G波特率工業(yè)級激光器芯片可靠性要求與量產(chǎn)工藝要求較高，市場供應(yīng)渠道有限。10G波特率工業(yè)級激光器芯片能充分利用成熟的供應(yīng)鏈，可有效降低光模塊成本，目前業(yè)界主要有超頻、PAM4高階調(diào)制兩種實(shí)現(xiàn)方案。另外，IEEE 802.3cc已完成25GbE單模光纖接口規(guī)范，CCSA也已經(jīng)發(fā)布25Gbit/s雙纖雙向灰光模塊的國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 3125.2-2019，25Gbit/s BIDI灰光模塊的國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)今年內(nèi)完成。

前傳彩光模塊,考慮到其色散問題和成本等因素，出現(xiàn)CWDM、LWDM、MWDM、DWDM等多種競爭方案，主要占用C波段和O波段。從模塊的波長調(diào)整方式來看，主要分為25Gbit/s固定波長彩光模塊以及25Gbit/s可調(diào)諧光模塊兩種。在現(xiàn)階段，固定波長的應(yīng)用有兩種實(shí)施方案，一種是選擇6波方式進(jìn)行建設(shè)（CWDM中的6波或LWDM中的4波+CWDM中的2波），另一種方式是考慮到5G與前后代通信的兼容性以及高帶寬的應(yīng)用場景，選擇以12波或者更多波長的方式進(jìn)行建設(shè)（MWDM/LWDM/DWDM），其中CWDM和MWDM中的部分波長可共用100G CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，激光器使用DML方案；LWDM可基于100G CWDM4、100G LR4、400G LR8等產(chǎn)業(yè)鏈，部分激光器仍需使用EML方案，但EML價(jià)格在前傳場景缺乏競爭力，后續(xù)需演進(jìn)為DML方案。

25Gbit/s可調(diào)諧光模塊某些場景下會(huì)因其組網(wǎng)和維護(hù)的便利性替代25Gbit/s固定波長彩光模塊，不過其對產(chǎn)品的集成度和功耗要求高，國內(nèi)供應(yīng)方正在加快研發(fā)進(jìn)度，預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國牽頭起草發(fā)布的ITU-T G.698.4標(biāo)準(zhǔn)（G.Metro）已定義10Gbit/s接入型WDM組網(wǎng)和波長無關(guān)、無色化實(shí)現(xiàn)機(jī)制，目前ITU-T在G.698.x系列標(biāo)準(zhǔn)（G.698.1、G.698.2、G.698.4）針對25G DWDM接口應(yīng)用也啟動(dòng)了修訂，以期統(tǒng)一產(chǎn)業(yè)鏈并進(jìn)一步降低成本。

接入層主要采用25Gbit/s和50Gbit/s等速率的灰光模塊，其中25Gbit/s雙纖雙向光模塊產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，50G PAM4 10km國外也已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)處于報(bào)批階段，50G PAM4 40km、50G PAM4單纖雙向等標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中。

匯聚層主要采用25Gbit/s彩光模塊和100Gbit/s等速率的灰光模塊。

核心層及以上將多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的彩光模塊。硅光集成芯片規(guī)模商用有望使相干技術(shù)大批量應(yīng)用于5G回傳光網(wǎng)絡(luò)，硅光技術(shù)+混合集成技術(shù)有助于推動(dòng)相干光模塊尺寸、功耗持續(xù)降低。

目前正處于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期階段，光模塊產(chǎn)業(yè)基本準(zhǔn)備就緒。為進(jìn)一步評估5G承載光模塊發(fā)展水平，全力支撐5G商用進(jìn)程，促進(jìn)5G光模塊產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方協(xié)同、合作與交流，IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G承載工作組已組織完成兩次多廠商、多類型5G承載光模塊測評工作。相比較于2018年開展的首次測評，2019年開展的第2次測評在參與廠商數(shù)量、參測光模塊類型、測試項(xiàng)目等方面有明顯增加。參測光模塊樣品整體上滿足已發(fā)布或在研發(fā)的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)及草案、CCSA行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及草案等相關(guān)要求，模塊互通能力和設(shè)備兼容性相對首次測試已有較明顯提升，但在光電接口、長期穩(wěn)定性、互通能力、設(shè)備和儀表兼容性方面?zhèn)€別模塊仍存在一些尚待完善的問題。

總結(jié)展望

5G前傳、中回傳對新型光模塊提出了差異化需求，目前每種應(yīng)用場景均存在多種光模塊技術(shù)方案與類型。過多的產(chǎn)品類型容易導(dǎo)致光模塊市場碎片化，造成上下游研發(fā)、制造與運(yùn)維等諸多資源浪費(fèi)。為培育良性的發(fā)展模式，5G承載光模塊技術(shù)方案需進(jìn)一步求同存異、聚焦收斂，通過對重點(diǎn)技術(shù)方案的聚力投入和規(guī)模效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)成本降低，并需要考慮規(guī)避產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險(xiǎn)，加大扶持國內(nèi)廠商可以主導(dǎo)的光模塊技術(shù)產(chǎn)品方向。同時(shí)，建議各方多層面協(xié)同推動(dòng)5G承載光模塊產(chǎn)品研制、關(guān)鍵技術(shù)研究及測試評估、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定等工作，共同促進(jìn)5G承載光模塊技術(shù)與產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。