Debate sobre transceptores ópticos para conectividad fronthaul 5G

Tras su lanzamiento oficial, el 5G está ganando impulso rápidamente en todo el mundo, especialmente en Europa, Norteamérica y Asia. Diversos organismos de redes han pronosticado un rápido crecimiento de las conexiones 5G en los próximos años. Según un informe, se esperan inversiones de alrededor de 1,1 billones de dólares entre 2020 y 2025, de los cuales alrededor del 80% se destinará solo a CAPEX de 5G (véase la figura siguiente).

Interfaz fronthaul inalámbrica de las redes 5G Por el contrario, las comunicaciones inalámbricas 5G requieren más recursos espectrales que las 4G porque prestan diversos servicios intensivos en ancho de banda, como;

- Comunicaciones ultrafiables de baja latencia (URLLC)
- Comunicaciones masivas activadas por máquinas (mMTC)
- Banda ancha móvil mejorada (eMBB).

La versión 5G actual se basa en el espectro FR1 en el rango inferior a 6 GHz, que ofrece un ancho de banda máximo de 100 Mb/segundo, cinco veces el de 4G LTE. Con 64 canales disponibles y 100 MHz de ancho de banda, el CPRI requiere al menos 100 Gb/segundo para los canales fronthaul. Sin embargo, en 2017, la industria aún no estaba preparada para transceptores ópticos de 100 Gb/segundo, lo que fue una razón importante para el desarrollo del protocolo eCPRI.

Explicación de los modos de división eCPRI

Para las comunicaciones 5G, los requisitos de los módulos ópticos han evolucionado de 10 Gb/s a 25 Gb/s.

¿Por qué se necesitan más módulos ópticos para la 5G?

Ante la saturación de las bandas de frecuencia baja y media, el3GPP asignó una banda de frecuencia más alta para la 5G. Sin embargo, la banda de frecuencias más alta va acompañada de una mayor pérdida de señal. Por lo tanto, se requiere una mayor densidad de estaciones base 5G para una comunicación fiable y, en consecuencia, se necesita un mayor número de módulos ópticos para las redes 5G. En otras palabras, se necesitan más módulos ópticos para una red 5G diseñada para un determinado número de dispositivos conectados que para el mismo número de dispositivos conectados a una red 4G. Según los estudios de mercado, el 50 % de todos los módulos ópticos vendidos en los próximos cinco años serán de 25G para conexiones fronthaul 5G.

Los módulos ópticos 25G se utilizan principalmente para construir enlaces fronthaul inalámbricos 5G. Así, el sector de las telecomunicaciones puede ahorrar costes reutilizando los recursos de 25G existentes.

Escenarios típicos de fronthaul inalámbrico 5G

La RAN centralizada (CRAN) y la RAN distribuida (DRAN) son las dos arquitecturas típicas del fronthaul inalámbrico 5G. En la CRAN, las BBU se despliegan en una ubicación centralizada y, por lo tanto, la CRAN ofrece un ahorro de costes en términos de consumo de energía, requisitos de espacio y costes operativos. Además, las unidades de banda base o BBU centralizadas crean un conjunto de BBU que los operadores de red pueden gestionar de forma centralizada. Para los despliegues 5G a gran escala, se prefiere la arquitectura CRAN porque el coste de construcción de una red 5G es mucho mayor que el coste de construcción de una red 4G y la adquisición de emplazamientos es otro reto importante.

Los enlaces directos de fibra entre las AAU y las DU son adecuados tanto para CRAN como para DRAN porque son fáciles de mantener y cuestan menos. En el transporte frontal de la DRAN, las DU y las AAU se instalan debajo y encima de la torre, respectivamente, de forma que la distancia entre ambas no supere los 300 metros. Con CRAN, en cambio, la distancia máxima posible entre las AAU y las DU puede ser de hasta 10 kilómetros. Para los enlaces ópticos fronthaul 5G se necesitan módulos ópticos grises 25G. La siguiente figura muestra la diferencia entre las arquitecturas C-RAN y D-RAN;

Conexiones directas de fibra óptica para CRAN

Los enlaces de fibra en la arquitectura CRAN requieren más cables ópticos y transceptores. Cuando los recursos de fibra son limitados, los módulos transceptores bidireccionales grises de 10 km son más adecuados porque requieren menos fibras. Otra forma de reducir el número de fibras por enlace fronthaul 5G es la WDM. Para los enlaces WDM se utilizan dispositivos WDM semiactivos y pasivos con módulos ópticos de color 25G.

Escenario del mercado chino

Para una macroestación base 5G se necesitan tres enlaces eCPRI de 25 Gb/s para cubrir todo el espectro de 100 MHz. En el caso de China, China Uniform y China Telecom comparten 200 MHz de espectro 5G, mientras que China Mobile dispone de 160 MHz de espectro. En estos casos, el número de interfaces aumenta de 3 a 6, siempre que la velocidad se mantenga en 25 Gb/segundo. Cada macroestación base necesita seis pares o doce módulos ópticos de 25 G para satisfacer los requisitos de transmisión de interfaces.

Así, un único conjunto de módulos ópticos de colores de 12 longitudes de onda (con una fibra por macroestación base) o dos pares de módulos ópticos de colores de 6 longitudes de onda (con dos fibras por macroestación base) pueden satisfacer las necesidades de conectividad de seis interfaces.

En resumen, tanto los escenarios CRAN como DRAN impulsarán la demanda de módulos ópticos fronthaul 5G.

Tipos de módulos ópticos para fronthaul 5G

La 5G se lanzó oficialmente en 2019; los operadores de redes comenzaron rápidamente a convertirse a esta tecnología para uso comercial. A finales de 2020, se habían construido millones de estaciones base 5G en todo el mundo. Para mantener bajo control los costes de construcción de las estaciones base 5G, los operadores prefieren módulos ópticos de colores. Basándose en varios estándares WDM disponibles, diferentes organizaciones han propuesto LAN WDM (LWDM), WDM gruesa (CWDM), WDM microóptica (MWDM) y WDM densa (DWDM).

Transceptor óptico gris 25G (SFP28 SR/LR/BiDi)

- Los módulos BiDi de 10 km (bidireccionales) utilizan láseres DFB.
- Los módulos LR de 10 km utilizan el tipo de láser DFB para el funcionamiento en longitud de onda de 1310 nm.
- Alcance de 300 m Módulos SR tipo láser VCSEL con longitud de onda de 850 nm para trabajar.

Los chips comerciales necesarios para estas longitudes de onda ya están disponibles en el mercado y pueden adquirirse fácilmente. Algunos proveedores también ofrecen chips industriales para aplicaciones fronthaul inalámbricas.

Módulos ópticos de color 25G (SFP28 MWDM/CWDM/DWDM/LWDM)

En la actualidad, se están llevando a cabo numerosos trabajos de investigación y desarrollo para desarrollar diversos módulos ópticos de color 25G. Estos módulos se desarrollan basándose en las normas WDM existentes y originales.

Los módulos ópticos CWDM se instalan directamente en las AAU y DU, y se utilizan multiplexores y desmultiplexores externos. ITU-T G.694.2 define la norma CWDM, que proporciona seis longitudes de onda espaciadas a 20 nanómetros. En la configuración fronthaul inalámbrica 5G con tres canales, se necesitan seis longitudes de onda. Preferiblemente, CWDM6 debe incluir longitudes de onda de 1271, 1291, 1311, 1331, 1351 y 1371 nanómetros porque las cuatro primeras longitudes de onda son similares a las cuatro primeras longitudes de onda de CWDM4. Por tanto, los fabricantes de chips sólo necesitan acomodar las dos últimas longitudes de onda. En comparación, se necesitan 12 longitudes de onda en escenarios de seis canales, para los que podemos optar por 2 x CWDM6 y dos fibras o 1 x CWDM12 y una fibra. CWDM12 es posible añadiendo seis longitudes de onda de 1471, 1491, 1511, 1551 y 1571 nanómetros en CWDM6.

MWDM

MWDM fue propuesto por la Asociación China de Estándares de Comunicaciones a finales de 2019. En MWDM, se obtienen 12 longitudes de onda extendiendo seis longitudes de onda de CWDM6 a través de un refrigerador termoeléctrico. Las 12 longitudes de onda MWDM están espaciadas de forma desigual e incluyen longitudes de onda de 1267,5, 1274,5, 1287,5, 1294,5, 1307,5, 1314,5, 1327,5, 1334,5, 1347,5, 1354,5, 1367,5 y 1374,5 nanómetros. En comparación con el CWDM6, el MWDM12 está equipado con un refrigerador termoeléctrico (TEC) adicional y su controlador.

LWDM

Con la tecnología LWDM, la separación entre canales es de 800 GHz (o unos 4,4 nanómetros). Esto permite ofrecer más longitudes de onda en la banda O a costa de una ligera degradación de la dispersión. La interfaz 400GBASE-LR8 está definida por IEEE 802.3 basándose en LWDM8 en 1273,54, 1277,89, 1282,26, 1286,66, 1295,56 y 1300,05, 1305,58 y 1309,14 nanómetros. Las cuatro últimas longitudes de onda son comunes para 100GBASE-LR4. El CCSA ha integrado cuatro longitudes de onda (1269,23, 1291,10, 1313,73 y 1318,35 nanómetros) a las ocho anteriores de LWDM8 para crear LWDM12. El chip óptico es la única diferencia entre MWDM12 y LWDM12.

DWDM

La norma UIT-T G.698.4 constituye la base de la tecnología DWDM y se utiliza ampliamente en redes metropolitanas y troncales. Con DWDM, las longitudes de onda van de 1520 nanómetros a 1567 nanómetros, con una separación aproximada de 0,78 nanómetros. Las longitudes de onda que admite esta tecnología pueden ser 96, 48, 40, 20, 12 ó 6. Sin embargo, la DWDM es una opción cara debido al mayor coste de los transceptores y se considera en escenarios con recursos de fibra insuficientes.

Welche ist die beste Wahl?

Como ya se ha mencionado, MWDM requiere controladores TEC y chips de longitud de onda personalizados debido a la estrecha separación entre longitudes de onda. En cambio, para la LWDM, la cadena de suministro de chips ópticos DML aún no está madura y el coste del láser EML es elevado. Para DWDM, los chips utilizados son caros y también se necesitan controladores TEC. Por lo tanto, CWDM6 es la única opción disponible que no requiere controladores TEC, y los láseres DML están fácilmente disponibles en el mercado. Por este motivo, CWDM6 se considera la solución más rentable y viable para los operadores de redes.

Limitación del transceptor fronthaul inalámbrico

La distancia de transmisión de los módulos fronthaul ópticos inalámbricos estándar está limitada a 10 kilómetros. Sin embargo, los operadores necesitarán una distancia de transmisión mayor si optan por desplegar CRAN. Según la investigación, el 3% de todos los módulos ópticos grises desplegados requerirán una distancia de transmisión superior a 10 kilómetros en los próximos cinco años. El siguiente diagrama basado en la investigación muestra lo que los expertos esperan para los próximos años.

Módulos transceptores ópticos DSFP 100G

Es bastante obvio que necesitaremos más capacidad de transmisión fronthaul a medida que se desarrolle la 5G. Sin embargo, las tarjetas de banda base de las estaciones base celulares están equipadas con puertos de panel fijos. Por tanto, los fabricantes de equipos tienen que pensar en formas de mejorar la capacidad de transmisión de los puertos.

Los transceptores ópticos DSFP son una solución excelente para los crecientes requisitos de fronthaul 5G. Aunque se utiliza principalmente para protocolos Ethernet, DSFP se puede utilizar para diversas configuraciones fronthaul eCPRI inalámbricas. El estándar DSFP se publicó en 2018 y ofrece una velocidad de transmisión máxima de 100Gb/s. Los módulos DSFP son compatibles con la estructura de los módulos SFP. La tendencia de encapsulación incorporada en el módulo DSFP le permite operar con dos canales para transmitir y recibir datos, duplicando la capacidad de transmisión. Actualmente, los transceptores SFP28 de 25G son el estándar.

Módulos ópticos de color sintonizable SFP28 de 25 G

C-RAN plays an important role in the deployment of the 5G network infrastructure. In the future, we will need more colored transceiver modules. Initially, optical CWDM6 transceivers are widely used due to their easy availability and low price. However, wavelength configuration is time-consuming and labor-intensive, so color tunable DWDM technology has been proposed.

Los sistemas de longitud de onda DWDM sintonizable y fija tienen rangos de longitud de onda y espaciado similares. La única diferencia entre ambos es que los módulos DWDM sintonizables admiten una configuración automática de 12 a 40 longitudes de onda. En este punto, es importante mencionar que la DWDM sintonizable no es un concepto nuevo, pues ya se ha utilizado en la red de transporte. Sin embargo, es mucho más caro que CWDM6 y se están haciendo esfuerzos para reducir el coste.

Conclusión:

La norma eCPRI define las características de las interfaces fronthaul 5G. Las interfaces fronthaul 25G son totalmente compatibles con los protocolos Ethernet. Por tanto, los módulos ópticos Ethernet 25G existentes también pueden utilizarse para construir interfaces fronthaul 5G. Los operadores buscan ahora soluciones más rentables para cubrir los crecientes costes de las estaciones base 5G. Los transceptores 25G sintonizables en color han demostrado ser una solución práctica y viable en el escenario actual, en el que los recursos de fibra son limitados y más caros.