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Optische Transceiver-Lösung für 5G-orientiertes Trägernetz

Aktualisierung: 09. Mai 2023 by
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Mit der kommerziellen Verfügbarkeit der 5G-Technologie ist die Entwicklung von 5G-Mobilfunk- und Wireless-Netzen in rasantem Tempo vorangekommen. Die erhebliche Zunahme der Dichte der Basisstationen sowie die Anforderungen an Latenz, Bandbreite und Netzflexibilität haben die Anforderungen an die 5G-Netzarchitektur und die damit verbundenen Übertragungslösungen erhöht. Damit steigt auch die Qualität der in 5G-Netzen eingesetzten Glasfaser-Transceiver. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Glasfaser-Transceiver-Lösung für 5G Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Netzwerke.

 

5G-Trägernetz-Topologie

Das 5G-Trägernetz kann Verbindungen für drahtlose 5G-Zugangs- und Kernnetze bereitstellen. Die Netzarchitektur und die Bandbreite wurden erheblich verändert, um im Vergleich zu 4G-Netzen eine größere Bandbreite, geringere Latenzzeiten und mehr Verbindungsdienste zu ermöglichen.

Bei 5G wurde ein Teil der physikalischen Schicht von der ursprünglichen BBU (Baseband Unit) der 4G-Ära zur AAU (Active Antenna Unit) verlagert. Auch die Schnittstelle wurde von der ursprünglichen CPRI mit 100 Gbit/s auf 25 Gbit/s geändert. Und die Nicht-Echtzeit-Funktionen der BBU werden in die CU (Centralized Unit) verlagert, um Vorbereitungen für das Clouding-Netz zu treffen. Auf diese Weise ist die DU (Distribution Unit) der einzige Teil der BBU. Mit anderen Worten: Das 5G-Zugangsnetz hat sich von der zweistufigen Architektur von BBU und RRU zu einer dreistufigen Architektur von CU, DU und AAU entwickelt. Dies gewährleistet nicht nur eine hohe Bandbreite und niedrige Latenzzeiten des Netzes, sondern trägt auch zu einer flexiblen Zeitplanung zum Schutz des Netzes und zur Steuerung der Verwaltung bei.

Topologiearchitektur des 5G-Trägernetzes.jpg

Abbildung 1: Topologiearchitektur des 5G-Trägernetzes

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, ist das 5G-Trägernetz in drei Teile unterteilt: AAU, DU und CU, die die 5G-Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Netze darstellen.

 

5G-Trägernetz-Technologie

Die Anwendungen von 5G Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Übertragungen sind grundsätzlich unterschiedlich, so dass auch die Anforderungen an Transceiver und Übertragungsdistanzen verschieden sind.

5G-Fronthaul-Technologie

Bei der 5G-Fronthaul-Übertragung sind die Anforderungen an die Bandbreite und die Latenzzeit (unter 100 µs) sehr hoch, so dass die eCPRI-Schnittstelle mit 25 Gbit/s als optimale Wahl für das 5G-Fronthaul-Netz angesehen wird. In Anbetracht der Bequemlichkeit und Effizienz des Netzwerkaufbaus basiert die anfängliche 5G-Fronthaul-Verbindung auf einer direkten Glasfaserverbindung, die durch eine passive WDM-Verbindung und eine aktive WDM/OTN/SPN-Verbindung ergänzt wird. Die direkte Glasfaserverbindung ist einfach zu warten, verbraucht aber mehr Glasfaserressourcen. Als ergänzende Lösung kann die WDM-Verbindung Glasfaserressourcen einsparen und hat eine längere Übertragungsstrecke als die direkte Glasfaserverbindung. Jedoch ist sie teuer.

5G-Fronthaul-Technologie.png

Verbindung Glasfaser-Direktverbindung Passive WDM-Verbindung Aktive WDM-/OTN-/SPN-Verbindung
Topologie Architektur Punkt-zu-Punkt Punkt-zu-Punkt Volltopologie
WDM-Technologie Nein Ja Nein
CPRI/eCPRI Nein Ja Ja
Netzwerkschutz Nein Nein Ja(L0/L1)
Leistungsüberwachung Nein Nein Ja(L0/L1)
Fernverwaltung Nein Nein Ja(L0/L1)
Ressourcenverbrauch von Glasfasern Groß Klein Klein
Netzwerk-Budget Niedrigste Mittel Höchste

 

  • Die Glasfaser-Direktverbindung wird verwendet, um jede AAU und DU zu verbinden, was einfach zu implementieren ist und viele Glasfaserressourcen spart. Die grauen 25G-Lichtmodule sind die Dominanz der Direktverbindung bei der Fronthaul-Übertragung sein. Sie können bidirektionale Übertragungen mit zwei Fasern und einer Faser unterstützen, um eine Übertragungsdistanz von 330 m bzw. 10 km zu erreichen.

  • Mit der passiven WDM-Verbindung können mehrere Wellenlängen gemultiplext und über ein Faserpaar oder eine einzelne Faser übertragen werden, um mehrere AAUs mit DUs zu verbinden und Fasern zu sparen. Aufgrund der technischen Komplexität ist es für die Netzwerkadministratoren jedoch schwierig die tägliche Wartung durchzuführen. Im Allgemeinen werden für diese Verbindung 10G- oder 25G-Farblichttransceiver (WDM-Module) mit einer Übertragungsdistanz von 10 km und 20 km eingesetzt.

    Für eine aktive WDM/OTN/SPN-Verbindung müssen OTN-Geräte (wie WDM-Mux/Demux, OADM, EDFA, OEO usw.) zwischen dem AAU-Standort und dem DU-Geräteraum eingesetzt werden. Es nutzt auch die WDM-Technologie und bietet mehrere AAU-zu-DU-Verbindungen unter Verwendung eines Glasfaserpaars oder einer einzelnen Faser. Normalerweise werden für die Verbindung von AAU/DU mit WDM/OTN/SPN die 10G/25G grauen optischen Module mit einer kurzen Übertragungsstrecke verwendet. Die Verbindungen zwischen WDM/OTN/SPN-Netzwerkgeräten können mit bidirektionalen 10G/25G/50G/100G-Dual-Fiber- oder Single-Fiber-Glasfaser-Transceivern realisiert werden. Im Vergleich zur passiven WDM-Lösung ist die aktive WDM-Verbindung flexibler und kosteneffektiver. Zudem kann sie leicht implementiert werden und wird wahrscheinlich schrittweise von 5G verwendet.

In Anbetracht der Netzwerkbudgets könnten 10G-Glasfasermodule von einigen Netzwerkdienstleistern für die 5G-Fronthaul-Übertragung eingesetzt werden. Die Branche bevorzugt jedoch die Verwendung von 25G-Modulen, da die Netzgranularität 25 Gbps beträgt. Das heißt, dass 25G- und 100G-Glasfasertransceiver die optimale Wahl für das 5G-Fronthaul-Netzwerk sein können. Die folgende Abbildung zeigt die Spezifikationen von 25G- und 100G-Transceivern.

Datenrate Formtyp Übertragungsentfernung Wellenlänge Modulationsformat Sender & Empfänger
25 Gbit/s SFP28 70~100 m 850 nm NRZ VCSEL+PIN
25 Gbit/s SFP28 300 m 1310 nm NRZ FP/DFB+PIN
25 Gbit/s SFP28 300 m 1310 nm NRZ FP/DFB+PIN
25 Gbit/s SFP28 10 km 1310 nm NRZ DFB+PIN
25 Gbit/s SFP28 BiDi 10/15/20 km 1270/1330 nm NRZ/PAM4 DFB+PIN/APD
25 Gbit/s SFP28 10 km CWDM NRZ DFB+PIN
25 Gbit/s Tunable SFP28 10/20 km DWDM NRZ EML+PIN
100 Gbit/s QSFP28 70~100 m 850 nm NRZ VCSELs+PINs
100 Gbit/s QSFP28 10 km 4WDM-10 NRZ DFBs+PINs
100 Gbit/s QSFP28 10 km 1310 nm PAM4/DMT EML+PIN
100 Gbit/s QSFP28 BiDi 10 km CWDM4 NRZ DFBs+PINs

Hinweis: Die oben genannten optischen Module müssen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllen, wie z. B. die industrielle Temperatur (-40℃~+85℃), die Staubbeständigkeit und so weiter.

5G Midhaul & Backhaul - Technologie

Da die Anforderungen an Bandbreite und Netzwerkflexibilität für 5G-Midhaul- und Backhaul-Netze grundsätzlich gleich sind, können sie dieselbe Technologie wie IPRAN (Internet Protocol Radio Access Network), PTN und OTN verwenden. Sie können die gleiche Technologie für die Übertragung verwenden, wie IPRAN- (Internet Protocol Radio Access Network), PTN- und OTN-Technologien usw. Im Folgenden werden zwei Verbindungsmethoden für 5G Midhaul- und Backhaul-Netze vorgestellt.

OTN- und IPRAN-Verbindung: Für die 5G-Midhaul-Übertragung werden paketverstärkte OTN-Geräte mit Routing- und Weiterleitungsfunktionen eingesetzt, während das 5G-Backhaul-Netz weiterhin das BGP-Protokoll für das Routing und die Weiterleitung zwischen IPRAN- und OTN-Geräten verwendet. Um die Nachfrage nach großer Kapazität und Netzwerk-Slicing von 5G zu befriedigen, werden IPRAN Hochgeschwindigkeits-Schnittstellentechnologien wie 25G bit/s, 50 Gbit/s und 100 Gbit/s eingeführt oder die Einführung neuer Schnittstellentechnologien wie FlexE (flexibles Ethernet) in Betracht gezogen, um eine physische Isolierung zu erreichen und eine bessere Qualitätssicherung für die 5G-Übertragung zu bieten.

Ende-zu-Ende-OTN-Verbindung: End-zu-Ende-OTN-Netzwerkgeräte mit Paketerweiterung werden für die 5G-Midhaul- und Backhaul-Übertragung eingesetzt. Verglichen mit der oben genannten Lösung verfügt sie über starke Netzwerkfähigkeiten und Ende-zu-Ende-Wartungsfunktionen, um die Probleme der Interoperabilität und der berufsübergreifenden Koordination zwischen OTN und IPRAN zu vermeiden.

5G Midhaul- und Backhaul-Topologiearchitektur.png

Abbildung 2: 5G Midhaul- und Backhaul-Topologiearchitektur

Darüber hinaus decken die 5G Midhaul- und Backhaul-Netze die Zugangs-, Aggregations- und Kernschicht des MAN (Metropolitan Area Network) ab. Die im MAN verwendeten optischen Transceiver ähneln den Transceivern, die in bestehenden Übertragungsnetzen und Rechenzentren verwendet werden. Die 25G/50G/100G Graulicht- oder Farblichtmodule werden hauptsächlich für das Metro-Zugangsschichtnetz verwendet und das Metro-Konvergenz- und Kernschichtnetz wird hauptsächlich 100G/200G 400G DWDM Farblichtmodule verwenden. Die folgende Abbildung zeigt die grundlegenden Parameter von Glasfasertransceivern, die in der 5G-Midhaul- und Backhaul-Übertragung verwendet werden.

Datenrate Formtyp Übertragungsentfernung Wellenlänge Modulationsformat Sender & Empfänger
25 Gbit/s SFP28 40 km 1310 nm NRZ EML+APD
50 Gbit/s QSFP28/SFP56 10 km 1310 nm PAM4 EML/DFB+PIN
50 Gbit/s QSFP28 BiDi 10 km 1270/1330 nm PAM4 EML/DFB+PIN
50 Gbit/s QSFP28/SFP56 40 km 1330 nm PAM4 EML+APD
50 Gbit/s QSFP28 BiDi 40 km 1295.56/1309.14 nm PAM4 EML+APD
100 Gbit/s QSFP28 10 km CWDM/LWDM NRZ DFBs/EMLs+PINs
100 Gbit/s QSFP28 40 km LWDM NRZ EMLs+APDs
100 Gbit/s QSFP28 10/20 km DWDM PAM4/DMT EMLs+PINs
100/200/400 Gbit/s CFP2-DCO 80~120 km PM QPSK/8-QAM/16-QAM IC-TROSA+ITLA PAM4/DMT
200/400 Gbit/s OSFP/QSFP-DD 2/10 km LWDM PAM4 EMLs+PINs
 

Fazit

Derzeit gibt es mit der Verbreitung der 5G-Anwendungen mehrere optische Modultechnologien und Lösungen für das 5G-Trägernetz, was ein großes Potenzial und große Herausforderungen für den Markt für optische Transceiver darstellt. Da es auf dem Markt eine große Nachfrage nach optischen 5G-Transceivern gibt und die Entwicklung von optischen 5G-Modulen im Moment schwierig ist, könnten die Preise kurzfristig etwas teuer sein. Es wird davon ausgegangen, dass mit der kontinuierlichen Reife der 5G-Technologie und -Anwendung der Preis für optische 5G-Transceiver in Zukunft allmählich sinken wird und der Markt weiterhin vielversprechend ist.

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