5G承载光模块典型应用场景及趋势分析

2019年6月，我国工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电4家运营企业发放5G商用牌照，标志着我国5G商用正式启动。2020年3月，5G网络被确定为新型基础设施建设重点之一，进一步促进5G相关产业加速发展。

5G承载网络为5G无线接入网和核心网提供基础的网络连接，光模块是5G承载网络的基础构成单元，近年来随着速率提升，光模块在系统设备中的成本占比不断攀升，已成为5G低成本、广覆盖的关键要素之一。相比于4G，5G承载在速率容量、传输距离、工作环境、光纤资源和同步特性等方面都对光模块提出了新型差异化要求。

5G承载光模块典型应用场景

5G前传的典型应用场景包括光纤直连、波分复用和其他有源传输技术。小规模集中场景可采用光纤直连方案，包括双纤双向和单纤双向，如图1（a）所示。光纤直连网络简洁、易于维护、时延较低但消耗大量光纤资源。密集城区等中等以上规模集中场景需引入波分复用方案来解决C-RAN（Cloud-Radio Access Network，云无线接入网）模式下的AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）拉远。WDM方案减少光纤占用、容量大但面临其他问题如成本增加、链路预算大等，可细分为无源WDM、半有源WDM和有源WDM，如图1（b）-1（d）所示。

5G部署初期，前传将以光纤直连和无源WDM方案为主，后续随着网络部署规模逐步扩大，尤其是C-RAN小集中和大集中部署模式的规模应用，基于半有源WDM的部署占比将会显著提升。

图1 （a）光纤直连 （b）无源WDM （c）半有源WDM （d）有源WDM

5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层，接入层和汇聚层将主要采用25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s等速率的灰光或彩光模块，核心层将较多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的彩光模块。

5G承载光模块三大发展趋势

目前业界针对5G承载光模块提出了多种解决方案，部分方案已逐步成熟并走向规模应用，需要业界合力推动进一步收敛聚焦。5G承载光模块发展呈现出三大演进趋势。

一是25G前传灰光模块基本成熟，彩光模块呈现多种WDM方案竞争。

5G网络建设初期，在光纤资源充裕的场景中，前传将以光纤直连方式为主，主要采用25Gbit/s灰光模块。基站的塔上塔下互连可采用300m双纤双向灰光模块，用于传输距离更远或链路损耗更大的AAU与接入机房之间的互连可采用10/15km双纤双向或单纤双向灰光模块。25Gbit/s双纤双向灰光模块已基本成熟，参考标准包括IEEE802.3-2018和YD/T 3125.2-2019，将优先采用超频方案，PAM4方案取决于配套芯片性能和规模效应。25Gbit/s单纤双向灰光模块以波分复用1270/1330nm方案为主，基于NRZ调制码型的光模块产品在10/15km距离规格已基本成熟，基于PAM4调制码型的光模块处于少量样品阶段，行业标准YD/T2759.2-2020对NRZ 10/15km和PAM4 10km距离规格进行了规范。

前传彩光模块考虑到色散问题和成本等因素，出现粗波分复用（CWDM）、中等波分复用（MWDM）、细波分复用（LWDM）和密集波分复用（DWDM）等多种竞争方案，主要占用C波段和O波段。

25Gbit/s CWDM彩光模块使用ITU-T G.694.2规范的波长，从1271nm到1611nm，共18个波长，目前从短波长开始前6波（1271nm~1371nm）比较成熟，国内已有规模应用。发送和接收端采用DML（Directly Modulated Laser，直接调制激光器）和PIN（Positive Intrinsic Negative，P型-本征型-N型）探测器方案，其中前4波可共用数据中心100GE CWDM4产业链，成本较低。为满足工业级应用，AAU侧光模块需采用带制冷的DML激光器。中国信通院已牵头开始25Gbit/s CWDM行业标准的制定，ITU-T SG15 Q6也已启动是否基于25Gbit/s 前传速率修订G.695 CWDM标准的讨论。

25Gbit/s MWDM彩光模块在CWDM前6波基础上进行左右偏移扩展为12波，采用非均匀的波长间隔。MWDM方案可重用CWDM方案中DML激光器成熟的设计经验及工艺控制技术，与CWDM共外延工艺和芯片制造产业链。中国移动正在组织产业链上下游进行MWDM的行业标准制定，同时在ITU-T和O-RAN中推动国际标准立项，相应产品目前处于测试验证和试商用阶段。

25Gbit/s LWDM彩光模块以IEEE 802.3-2018规范中400GE LR8的8个波长为基础，按照800GHz通道间隔等距扩展的方式来实现12个波长。LWDM波长位于O波段，色散代价小，可采用DML激光器和PIN探测器解决10/15km距离传输，其中基础的8个波长可重用100GE LR4和400GE LR8产业链。中国电信正在组织产业链上下游进行LWDM的行业标准制定和测试验证，并在ITU-T推动国际标准立项，目前国内已有局部试点应用。

根据ITU-T SG15 2020年9月份全会最新讨论进展，预计将结合CWDM/MWDM/LWDM的多重立项需求，将立项面向5G前传的新标准G.owdm，以便开展基于O波段25Gbit/s WDM标准制定，具体参数细节后续开展研究。

25Gbit/s DWDM光模块基于ITU-T G .698.4标准，采用C波段（1529.55nm~1565.50nm），通道间隔为100GHz时可支持40个波长，大幅提升系统容量、节约光纤资源，因受色散限制主要采用EML（Electro-absorption modulated laser，电吸收调制激光器）和APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）探测器，成本较高。技术方案方面，25Gbit/s DWDM光模块包括波长可调谐与固定波长两种不同的实现手段。中国联通正在组织产业链上下游进行DWDM的行业标准制定，同时将在已立项的ITU-T G.698.x系列（G.698.1/G.698.2/G.698.4）修订标准中增加25Gbit/s速率技术要求。

二是中回传光模块平稳发展，近期将以非相干灰光模块为主。

接入和汇聚层将主要采用25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等速率的灰光模块。目前，25Gbit/s双纤双向40km光模块产业链已经成熟，国内外标准IEEE 802.3-2018和YD/T 3125.2-2019已经发布。50Gbit/s双纤双向和单纤双向光模块主要采用25GBaud光芯片和PAM4调制格式，根据距离可采用DML或EML激光器。50Gbit/s双纤双向光模块有10km和40km两种距离规格，国内外标准IEEE 802.3-2018、IEEE 802.3cn-2019和YD/T 3713-2020已经发布。50Gbit/s单纤双向光模块的国际标准处于在研阶段，有10km、20km、40km三种距离规格，IEEE 802.3cp D2.1对上下行波长进行了建议；国内行业标准将于2020年下半年征求意见和送审，2021年上半年制定完成。

核心层的典型传输距离为40km~80km，核心层将较多采用100Gbit/s、200Gbit/s和400Gbit/s等速率的相干光模块，随着硅光和低成本DSP技术的发展，低成本相干光模块被视为新的发展热点。

三是光模块产业基本准备就绪，新特性测试评估有序进行。

为进一步评估5G承载光模块发展水平，促进5G光模块产业链相关方协同、合作与交流，IMT-2020（5G）推进组5G承载工作组已组织完成两次多厂商多类型5G承载光模块测评工作。相对于首次测评，第二次测评在参与厂商数量、参测光模块类型、测试项目等方面有明显增加。参测光模块样品整体上满足已发布或在研的IEEE 802.3标准及草案、CCSA行业标准及草案、MSA等相关要求，在光电接口、长期稳定性、互通能力、设备和仪表兼容性方面个别模块仍存在一些尚待完善的问题。

5G前传、中回传对新型光模块提出了差异化需求，5G承载光模块多样化技术方案并存发展的态势预计短期内仍将持续，分支过多将带来重复开发、资源浪费、市场碎片化等问题，在一定程度上影响产业链的规模协调发展。为尽可能降低多样化方案并行带来的潜在影响，建议5G前传相关业界从部署需求、传输性能优化、低成本建设及便捷运维管理、产业链良性发展等多方面综合考虑，从标准层面加强共性技术协同推动，统一管控模型及操作管理维护（OAM，Operation Administration and Maintenance）机制，进一步优化和完善产业发展格局，使业界资源得到有序配置，通过规模效应实现成本降低。（本文作者均来自中国信息通信研究院技术与标准研究所）
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