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Solution d'Émetteur-récepteur Optique pour Réseau Porteur 5G

Mis à jour depuis le 15 mai, 2023 by
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Avec la commercialisation de la technologie 5G, le développement des réseaux mobiles et sans fil 5G a progressé à un rythme rapide. L'augmentation significative de la densité des stations de base, ainsi que les exigences en matière de latence, de bande passante et de flexibilité du réseau, ont placé des exigences plus élevées sur les architectures de réseaux 5G et les solutions de transmission associées. La qualité des émetteurs-récepteurs à fibre optique utilisés dans les réseaux 5G est ainsi améliorée. Cet article examine les solutions d'émetteurs-récepteurs à fibre optique pour les réseaux 5G front-haul, mid-haul et back-haul.

Topologie des Réseaux Porteurs 5G

Le réseau porteur 5G peut fournir des connexions pour les réseaux sans fil 5G d'accès et centraux. Son architecture de réseau et sa bande passante ont été considérablement modifiées pour s'adapter à une bande passante plus large, à une latence plus faible et à davantage de services de connexion par rapport aux réseaux 4G.

La 5G a déplacé une partie de la couche physique de l'unité de bande de base (BBU, baseband unit en anglais) originale de l'ère 4G vers l'unité d'antenne active (AAU, active antenna unit en anglais). L'interface est également passée du CPRI original de 100 Gbit/s à 25 Gbit/s. Enfin, les fonctions en temps non réel de la BBU sont transférées vers l'unité centralisée (CU, centralized unit en anglais) afin de préparer le réseau d'informatique en nuage (clouding). Ainsi, l'unité de distribution (DU, distribution unit en anglais) est la seule partie de la BBU. En d'autres termes, le réseau d'accès 5G est passé d'une architecture à deux niveaux (BBU et RRU) à une architecture à trois niveaux (CU, DU et AAU). Cela permet non seulement d'assurer une large bande passante et une faible latence du réseau, mais aussi de contribuer à une programmation flexible, à la protection du réseau et au contrôle de la gestion.

Architecture topologique du réseau 5G porteur

Figure 1 : Architecture topologique du réseau 5G porteur

Comme le montre la figure ci-dessus, le réseau porteur 5G est divisé en trois parties : AAU, DU et CU, qui sont les réseaux 5G frontaux, intermédiaires et dorsaux (front-haul, mid-haul et back-haul).

Technologie du Réseau Porteur 5G

Les applications de transmission 5G front-haul, mid-haul et back-haul étant fondamentalement différentes, les exigences en matière d'émetteurs-récepteurs et de distances de transmission varient également.

Technologie 5G Front-Haul

La transmission 5G front-haul est stricte en ce qui concerne la bande passante et la latence (inférieure à 100µs), de sorte que l'interface eCPRI 25Gbps est considérée comme un choix optimal pour le réseau 5G front-haul. Compte tenu de la commodité et de l'efficacité de la construction du réseau, la connexion initiale du front-haul 5G est basée sur une connexion directe par fibre, complétée par une connexion WDM passive et une connexion WDM/OTN/SPN active. Parmi elles, la connexion directe par fibre est facile à entretenir mais consomme plus de ressources en fibre. Comme solution complémentaire, la connexion WDM permet d'économiser les ressources en fibres et d'avoir une distance de transmission plus longue que la connexion directe par fibres, mais son coût est élevé.

Technologie 5G Front-Haul

Connexion Connexion directe par fibre optique Connexion WDM passive Connexion WDM/OTN/SPN active
Architecture topologique Point à point Point à point Topologie complète
Utilise la technologie WDM Non Oui Non
CPRI/eCPRI Non Oui Oui
Protection du réseau Non Non Oui (L0/L1)
Suivi des performances Non Non Oui (L0/L1)
Gestion à distance Non Non Oui (L0/L1)
Consommation de ressources en fibres Grande Faible Faible
Budget du réseau Faible Moyen Grand
  • La connexion directe par fibre est utilisée pour relier chaque AAU et DU, pouvant être déployée facilement et permettant d'économiser un grand nombre de ressources en fibre. Les modules de lumière grise 25G domineront la connexion directe dans la transmission frontale. Ils peuvent prendre en charge la transmission bidirectionnelle à deux fibres et à fibre unique pour atteindre une distance de transmission de 330 m et de 10 km respectivement.

  • La connexion WDM passive peut multiplexer plusieurs longueurs d'onde et les transmettre sur une paire de fibres ou sur une seule fibre afin de connecter plusieurs AAU à des DU et d'économiser de la fibre. Cependant, elle pose des difficultés aux administrateurs de réseau pour la maintenance quotidienne en raison de sa complexité technique. Généralement, les émetteurs-récepteurs à lumière colorée 10G ou 25G (modules WDM) sont utilisés pour cette connexion avec une distance de transmission de 10 km et 20 km.

  • La connexion WDM/OTN/SPN active nécessite le déploiement de dispositifs OTN (tels que Mux/Demux WDM, OADM, EDFA, OEO, etc.) entre le site de l'UAA et la salle d'équipement de l'UD. Elle utilise également la technologie WDM et fournit plusieurs connexions AAU à DU en utilisant une paire de fibres optiques ou une seule fibre. En général, les modules optiques 10G/25G à lumière grise avec une courte distance de transmission sont utilisés pour connecter les UAA/UAD avec WDM/OTN/SPN. Les connexions entre les dispositifs de réseau WDM/OTN/SPN peuvent être réalisées par des émetteurs-récepteurs bidirectionnels à fibre optique 10G/25G/50G/100G à double fibre ou à fibre unique. Par rapport à la solution WDM passive, la connexion WDM active est plus flexible et plus rentable, elle peut être déployée facilement et sera probablement utilisée progressivement par la 5G.

Compte tenu des budgets du réseau, certains fournisseurs de services de réseau pourraient utiliser des modules de fibre optique 10G pour le déploiement du réseau dans la transmission frontale 5G. Néanmoins, l'industrie préfère utiliser des modules 25G car la granularité du réseau est de 25Gbps. En d'autres termes, les émetteurs-récepteurs à fibre optique 25G et 100G peuvent être les meilleurs choix pour le réseau frontal 5G. La figure suivante présente les spécifications des émetteurs-récepteurs 25G et 100G.

Taux de données Format Distance de transmission Longueur d'onde Format de modulation Émetteur et récepteur
25Gbit/s SFP28 70~100m 850nm NRZ VCSEL+PIN
25Gbit/s SFP28 300m 1310nm NRZ FP/DFB+PIN
25Gbit/s SFP28 300m 1310nm NRZ FP/DFB+PIN
25Gbit/s SFP28 10km 1310nm NRZ DFB+PIN
25Gbit/s SFP28 BiDi 10/15/20km 1270/1330nm NRZ/PAM4 DFB+PIN/APD
25Gbit/s SFP28 10km CWDM NRZ DFB+PIN
25Gbit/s Tunable SFP28 10/20km DWDM NRZ EML+PIN
100Gbit/s QSFP28 70~100m 850nm NRZ VCSELs+PINs
100Gbit/s QSFP28 10km 4WDM-10 NRZ DFBs+PINs
100Gbit/s QSFP28 10km 1310nm PAM4/DMT EML+PIN
100Gbit/s QSFP28 BiDi 10km CWDM4 NRZ DFBs+PINs

Note : Les modules optiques mentionnés ci-dessus doivent répondre à des exigences de fiabilité, comme la température industrielle (-40℃~+85℃), la résistance à la poussière, etc.

Technologie 5G Mid-Haul et Back-Haul

Étant donné que les exigences en matière de largeur de bande et de flexibilité de la mise en réseau sont fondamentalement les mêmes pour les réseaux 5G de moyenne et grande distance, ils peuvent utiliser la même technologie pour la transmission, comme la technologie IPRAN (Internet Protocol Radio Access Network), PTN et OTN, etc. Deux méthodes de connexion pour les réseaux 5G de moyenne et grande distance sont présentées ci-dessous.

Connexion OTN et IPRAN : les équipements OTN améliorés par paquets et dotés de fonctions de routage et de transfert sont utilisés pour la transmission 5G mid-haul, tandis que le réseau 5G back-haul continue d'adopter le protocole BGP pour le routage et le transfert entre les dispositifs IPRAN et OTN. Afin de répondre à la demande de grande capacité et de segmentation du réseau 5G, IPRAN introduira des technologies d'interface à haut débit telles que 25Gbit/s, 50Gbit/s et 100Gbit/s, ou envisagera d'adopter de nouvelles technologies d'interface telles que FlexE (Ethernet flexible) pour réaliser l'isolation physique et offrir une meilleure assurance de la qualité pour la transmission 5G.

Connexion OTN de bout en bout : les dispositifs de réseau OTN améliorés par paquets de bout en bout sont appliqués pour les transmissions 5G mid-haul et back-haul. Par rapport à la solution ci-dessus, elle dispose de fortes capacités de mise en réseau et de maintenance de bout en bout pour éviter les problèmes d'interopérabilité et de coordination interprofessionnelle entre OTN et IPRAN.

Technologie 5G Mid-Haul et Back-Haul

Figure 2 : Architecture de la topologie 5G Mid-Haul et Back-Haul

En outre, les réseaux 5G mid-haul et back-haul couvrent la couche d'accès, la couche d'agrégation et la couche centrale du MAN (réseau métropolitain), et les émetteurs-récepteurs optiques utilisés dans son MAN sont similaires aux émetteurs-récepteurs utilisés dans les réseaux de transmission et les centres de données existants. Parmi ceux-ci, les modules 25G/50G/100G à lumière grise ou à lumière colorée seront principalement utilisés pour le réseau métropolitain de la couche d'accès, et le réseau métropolitain de convergence et de la couche centrale utilisera principalement des modules optiques colorés DWDM 100G/200G/400G. La figure suivante présente les paramètres de base des émetteurs-récepteurs à fibre optique utilisés dans la transmission 5G mid-haul et back-haul.

Taux de données Format Distance de transmission Longueur d'onde Format de modulation Émetteur et récepteur
25Gbit/s SFP28 40km 1310nm NRZ EML+APD
50Gbit/s QSFP28/SFP56 10km 1310nm PAM4 EML/DFB+PIN
50Gbit/s QSFP28 BiDi 10km 1270/1330nm PAM4 EML/DFB+PIN
50Gbit/s QSFP28/SFP56 40km 1330nm PAM4 EML+APD
50Gbit/s QSFP28 BiDi 40km 1295.56/1309.14nm PAM4 EML+APD
100Gbit/s QSFP28 10km CWDM/LWDM NRZ DFBs/EMLs+PINs
100Gbit/s QSFP28 40km LWDM NRZ EMLs+APDs
100Gbit/s QSFP28 10/20km DWDM PAM4/DMT EMLs+PINs
100/200/400Gbit/s CFP2-DCO 80~120km PM QPSK/8-QAM/16-QAM IC-TROSA+ITLA PAM4/DMT
200/400Gbit/s OSFP/QSFP-DD 2/10km LWDM PAM4 EMLs+PINs

Conclusion

Actuellement, avec la multiplication des applications 5G, il existe de nombreuses technologies et solutions de modules optiques pour les réseaux porteurs 5G, ce qui représente un énorme potentiel et de grands défis pour le marché des émetteurs-récepteurs optiques. Étant donné que le marché des émetteurs-récepteurs optiques 5G connaît une forte demande et que le développement des modules optiques 5G est difficile à l'heure actuelle, les prix pourraient être un peu élevés à court terme. Il est estimé qu'avec la maturité continue de la technologie et des applications 5G, le prix des émetteurs-récepteurs optiques 5G diminuera progressivement à l'avenir et le marché restera toujours aussi prometteur.

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