Eine Diskussion über optische Transceiver für 5G Fronthaul-Konnektivität

Nach seiner offiziellen Einführung gewinnt 5G weltweit schnell an Fahrt, insbesondere in Europa, Nordamerika und Asien. Verschiedene Netzgremien haben für die kommenden Jahre ein schnelles Wachstum der 5G-Verbindungen vorausgesagt. Einem Bericht zufolge werden zwischen 2020 und 2025 Investitionen in Höhe von rund 1,1 Billionen US-Dollar erwartet, von denen etwa 80 % allein auf den 5G-CAPEX entfallen werden (siehe folgende Abbildung).

Drahtlose Fronthaul-Schnittstelle von 5G-Netzen Im Gegensatz dazu werden für die drahtlose 5G-Kommunikation mehr Frequenzressourcen benötigt als für 4G, da sie verschiedene bandbreitenintensive Dienste wie z. B.;

- Ultrazuverlässige Kommunikation mit geringer Latenzzeit (URLLC)
- Massive maschinengestützte Kommunikation (mMTC)
- Erweitertes mobiles Breitband (eMBB)

Die aktuelle 5G-Version setzt auf das FR1-Spektrum im Sub-6-GHz-Bereich, das eine maximale Bandbreite von 100 Mb/Sekunde bietet, das Fünffache von 4G LTE. Mit 64 verfügbaren Kanälen und 100 MHz Bandbreite benötigt das CPRI mindestens 100 Gb/Sekunde für die Fronthaul-Kanäle. Im Jahr 2017 war die Branche jedoch noch nicht auf optische Transceiver mit 100 Gb/Sekunde vorbereitet, was ein wichtiger Grund für die Entwicklung des eCPRI-Protokolls war.

eCPRI-Split-Modi - Erläutert

Für die 5G-Kommunikation haben sich die Anforderungen an optische Module von 10Gb/s auf 25Gb/s entwickelt.

Warum werden für 5G mehr optische Module benötigt?

Angesichts der Überfüllung der niedrigen und mittleren Frequenzbänder wurde vom3GPP ein höheres Frequenzband für 5G zugewiesen. Das höhere Frequenzband geht jedoch mit einem höheren Signalverlust einher. Daher ist für eine zuverlässige Kommunikation eine höhere Dichte von 5G-Basisstationen erforderlich, und deshalb wird für 5G-Netze eine höhere Anzahl von optischen Modulen benötigt. Mit anderen Worten: Für ein 5G-Netz, das für eine bestimmte Anzahl von angeschlossenen Geräten ausgelegt ist, werden mehr optische Module benötigt als für die gleiche Anzahl von Geräten, die an ein 4G-Netz angeschlossen sind. Marktforschungsergebnissen zufolge werden in den nächsten fünf Jahren 50 % aller verkauften optischen Module 25G für 5G-Fronthaul-Verbindungen sein.

Optische 25G-Module werden hauptsächlich für den Aufbau von 5G-Wireless-Fronthaul-Verbindungen verwendet. Somit kann der Telekommunikationssektor durch die Wiederverwendung der vorhandenen 25G-Ressourcen Kosten einsparen.

5G Wireless Fronthaul Typische Szenarien

Zentralisiertes RAN (CRAN) und verteiltes RAN (DRAN) sind die beiden typischen Architekturen für 5G-Wireless-Fronthaul. Bei CRAN werden die BBUs an einem zentralen Ort bereitgestellt, weshalb CRAN Kosteneinsparungen in Bezug auf Stromverbrauch, Platzbedarf und Betriebskosten bietet. Außerdem schaffen zentralisierte Basisbandeinheiten oder BBUs einen BBU-Pool, den Netzbetreiber zentral verwalten können. Bei groß angelegten 5G-Implementierungen wird die CRAN-Architektur bevorzugt, da die Kosten für den Aufbau eines 5G-Netzes viel höher sind als die Kosten für den Aufbau eines 4G-Netzes und der Erwerb von Standorten eine weitere große Herausforderung darstellt.

Direkte Glasfaserverbindungen zwischen AAUs und DUs sind sowohl für CRAN als auch für DRAN geeignet, da sie einfach zu warten sind und weniger kosten. Beim DRAN-Fronthaul werden die DUs und AAUs unter bzw. auf dem Turm so installiert, dass der Abstand zwischen beiden innerhalb von 300 Metern bleibt. Bei CRAN hingegen kann der maximal mögliche Abstand zwischen den AAUs und DUs bis zu 10 Kilometer betragen. Für optische 5G-Fronthaul-Verbindungen werden 25G graue optische Module benötigt. Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied zwischen C-RAN- und D-RAN-Architekturen;

Direkte Glasfaseranschlüsse für CRAN

Glasfaserverbindungen in der CRAN-Architektur erfordern mehr optische Kabel und Transceiver. In Fällen, in denen die Glasfaserressourcen begrenzt sind, sind bidirektionale graue 10-km-Transceivermodule besser geeignet, da sie weniger Fasern benötigen. Eine weitere Möglichkeit, die Anzahl der Fasern pro 5G-Fronthaul-Verbindung zu reduzieren, ist WDM. Für WDM-Verbindungen werden semi-aktive und passive WDM-Geräte mit farbigen optischen 25G-Modulen verwendet.

Chinesisches Marktszenario

Für eine 5G-Makro-Basisstation werden drei 25-Gb/s-eCPRI-Verbindungen benötigt, um das gesamte 100-MHz-Spektrum abzudecken. Im Falle Chinas teilen sich China Uniform und China Telecom ein 5G-Spektrum von 200 MHz, während China Mobile über ein Spektrum von 160 MHz verfügt. In diesen Fällen erhöht sich die Zahl der Schnittstellen von 3 auf 6, sofern die Rate bei 25 Gb/Sekunde bleibt. Jede Makro-Basisstation benötigt sechs Paare oder zwölf optische 25G-Module, um die Anforderungen an die Schnittstellenübertragung zu erfüllen.

Somit kann ein einzelner Satz farbiger optischer Module mit 12 Wellenlängen (mit einer Faser pro Makro-Basisstation) oder zwei Paare farbiger optischer Module mit 6 Wellenlängen (mit zwei Fasern pro Makro-Basisstation) den Konnektivitätsbedarf von sechs Schnittstellen decken.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl CRAN- als auch DRAN-Szenarien die Nachfrage nach optischen 5G-Fronthaul-Modulen in die Höhe treiben werden.

Arten von optischen Modulen für 5G Fronthaul

5G wurde 2019 offiziell freigegeben; die Netzbetreiber begannen rasch mit der Umstellung auf diese Technologie für die kommerzielle Nutzung. Bis Ende 2020 wurden weltweit Millionen von 5G-Basisstationen errichtet. Um die Baukosten für 5G-Basisstationen in Grenzen zu halten, bevorzugen die Betreiber farbige optische Module. Auf der Grundlage verschiedener verfügbarer WDM-Standards haben verschiedene Organisationen LAN-WDM (LWDM), grobes WDM (CWDM), mikrooptisches WDM (MWDM) und dichtes WDM (DWDM) vorgeschlagen.

 25G graue optische Transceiver (SFP28 SR/LR/BiDi)

- 10-km-BiDi-Module (bidirektional) verwenden DFB-Laser.
- 10-km-LR-Module nutzen den DFB-Lasertyp für den Betrieb mit 1310 nm Wellenlänge.
- 300m Reichweite SR-Module VCSEL-Typ Laser mit 850nm Wellenlänge zu arbeiten.

Die für diese Wellenlängen erforderlichen kommerziellen Chips sind bereits auf dem Markt erhältlich und können leicht erworben werden. Einige Anbieter bieten auch Industriechips für drahtlose Fronthaul-Anwendungen an.

25G farbige optische Module (SFP28 MWDM/CWDM/DWDM/LWDM)

Derzeit werden zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um verschiedene farbige optische 25G-Module zu entwickeln. Diese Module werden auf der Grundlage bestehender und ursprünglicher WDM-Standards entwickelt.

Optische CWDM-Module werden direkt auf AAUs und DUs installiert, und es werden externe Multiplexer und De-Multiplexer verwendet. Die ITU-T G.694.2 definiert den CWDM-Standard, der sechs Wellenlängen mit einem Abstand von 20 Nanometern bietet. In der drahtlosen 5G-Fronthaul-Konfiguration mit drei Kanälen werden sechs Wellenlängen benötigt. Vorzugsweise sollte CWDM6 die Wellenlängen 1271, 1291, 1311, 1331, 1351 und 1371 Nanometer enthalten, da die ersten vier Wellenlängen den ersten vier Wellenlängen von CWDM4 ähnlich sind. Die Chiphersteller müssen also nur die letzten beiden Wellenlängen unterbringen. Im Vergleich dazu werden in Sechs-Kanal-Szenarien 12 Wellenlängen benötigt, für die wir uns für 2 x CWDM6 und zwei Fasern oder 1 x CWDM12 und eine Faser entscheiden können. CWDM12 ist möglich, indem sechs Wellenlängen von 1471, 1491, 1511, 1551 und 1571 Nanometern in CWDM6 hinzugefügt werden.

MWDM

MWDM wurde Ende 2019 von der China Communications Standards Association vorgeschlagen. Bei MWDM werden 12 Wellenlängen erhalten, indem sechs Wellenlängen von CWDM6 durch einen thermoelektrischen Kühler erweitert werden. Die 12 MWDM-Wellenlängen haben einen ungleichen Abstand zueinander und umfassen 1267,5, 1274,5, 1287,5, 1294,5, 1307,5, 1314,5, 1327,5, 1334,5, 1347,5, 1354,5, 1367,5 und 1374,5 Nanometer-Wellenlängen. Im Vergleich zum CWDM6 ist der MWDM12 mit einem zusätzlichen thermoelektrischen Kühler (TEC) und dessen Treiber ausgestattet.

LWDM

Bei der LWDM-Technologie beträgt der Kanalabstand 800 GHz (oder etwa 4,4 Nanometer). Dadurch können mehr Wellenlängen im O-Band auf Kosten einer geringfügigen Beeinträchtigung der Dispersion angeboten werden. Die 400GBASE-LR8-Schnittstelle wird von IEEE 802.3 auf der Grundlage von LWDM8 mit 1273,54, 1277,89, 1282,26, 1286,66, 1295,56 und 1300,05, 1305,58 und 1309,14 Nanometern definiert. Die letzten vier dieser Wellenlängen sind für 100GBASE-LR4 üblich. Das CCSA hat vier Wellenlängen (1269,23, 1291,10, 1313,73 und 1318,35 Nanometer) zu den oben erwähnten acht LWDM8-Wellenlängen integriert, um LWDM12 zu schaffen. Der optische Chip ist der einzige Unterschied zwischen MWDM12 und LWDM12.

DWDM

ITU-T G.698.4 bildet die Grundlage für die DWDM-Technologie und ist in Metro- und Backbone-Netzen weit verbreitet. Bei DWDM reichen die Wellenlängen von 1520 Nanometern bis 1567 Nanometern, die in einem Abstand von etwa 0,78 Nanometern vorliegen. Die Wellenlängen, die diese Technologie unterstützt, können 96, 48, 40, 20, 12 oder 6 betragen. DWDM ist jedoch aufgrund der höheren Transceiver-Kosten eine teure Wahl und wird in Szenarien mit unzureichenden Glasfaserressourcen in Betracht gezogen.

Welche ist die beste Wahl?

Wie bereits erwähnt, sind für MWDM wegen des engen Wellenlängenabstands TEC-Steuerungen und kundenspezifische Wellenlängenchips erforderlich. Bei LWDM hingegen ist die Lieferkette für optische DML-Chips noch nicht ausgereift, und die Kosten für den EML-Laser sind hoch. Bei DWDM sind die verwendeten Chips kostspielig, und es werden auch TEC-Steuerungen benötigt. Daher ist der CWDM6 die einzige verfügbare Option, die keine TEC-Steuerungen erfordert, und die DML-Laser sind auf dem Markt leicht erhältlich. Aus diesem Grund gilt CWDM6 als die kostengünstigste und praktikabelste Lösung für Netzbetreiber.

Drahtlose Fronthaul-Transceiver Beschränkung

Die Übertragungsdistanz von standardmäßigen drahtlosen optischen Fronthaul-Modulen ist auf 10 Kilometer begrenzt. Die Betreiber werden jedoch eine größere Übertragungsdistanz benötigen, wenn sie sich für den Einsatz von CRAN entscheiden. Forschungsergebnissen zufolge werden in den kommenden fünf Jahren 3 % aller eingesetzten grauen optischen Module eine Übertragungsdistanz von mehr als 10 Kilometern benötigen. Das folgende forschungsbasierte Diagramm zeigt, was Experten für die kommenden Jahre erwarten!

Optische 100G DSFP-Transceiver-Module

Es ist ziemlich offensichtlich, dass wir mit der Entwicklung von 5G mehr Fronthaul-Übertragungskapazität benötigen werden. Allerdings sind die Basisbandkarten in den Mobilfunk-Basisstationen mit festen Panel-Ports ausgestattet. Daher müssen die Gerätehersteller über Möglichkeiten zur Verbesserung der Übertragungskapazität der Ports nachdenken.

Die optischen DSFP-Transceiver sind eine hervorragende Lösung für die wachsenden 5G-Fronthaul-Anforderungen. Obwohl sie hauptsächlich für Ethernet-Protokolle verwendet werden, können DSFP für verschiedene drahtlose eCPRI-Fronthaul-Konfigurationen eingesetzt werden. Der DSFP-Standard wurde 2018 veröffentlicht und bietet eine maximale Übertragungsrate von 100Gb/s. Die DSFP-Module sind mit der Struktur der SFP-Module kompatibel. Die integrierte Verkapselungstendenz des DSFP-Moduls ermöglicht den Betrieb mit zwei Kanälen zum Senden und Empfangen von Daten und verdoppelt somit die Übertragungskapazität. Gegenwärtig sind 25G SFP28-Transceiver der Standard.

25G SFP28 abstimmbare, farbige optische Module

C-RAN spielt eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung der 5G-Netzinfrastruktur. In Zukunft werden wir mehr farbige Transceivermodule benötigen. Zunächst werden optische CWDM6-Transceiver aufgrund ihrer einfachen Verfügbarkeit und ihres niedrigen Preises häufig eingesetzt. Die Wellenlängenkonfiguration ist jedoch zeit- und arbeitsaufwändig, weshalb die farbige, abstimmbare DWDM-Technologie vorgeschlagen wurde.

Die abstimmbaren und festen DWDM-Wellenlängensysteme haben ähnliche Wellenlängenbereiche und Abstände. Der einzige Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass abstimmbare DWDM-Module die automatische Konfiguration von 12 bis 40 Wellenlängen unterstützen können. An dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass das abstimmbare DWDM kein neues Konzept ist, da es bereits im Transportnetz eingesetzt wurde. Es ist jedoch wesentlich teurer als CWDM6, und es werden Anstrengungen unternommen, die Kosten zu senken.

Fazit:

Der eCPRI-Standard definiert die Merkmale der 5G-Fronthaul-Schnittstellen. 25G-Fronthaul-Schnittstellen sind vollständig konform mit Ethernet-Protokollen. Daher können die vorhandenen optischen 25G-Ethernet-Module auch für den Aufbau von 5G-Fronthaul-Schnittstellen verwendet werden. Die Betreiber suchen jetzt nach kostengünstigeren Lösungen, um die steigenden Kosten der 5G-Basisstationen zu decken. Farbige, abstimmbare 25G-Transceiver haben sich in dem aktuellen Szenario, in dem die Glasfaserressourcen begrenzt und teurer sind, als praktische und praktikable Lösung erwiesen.