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2019/6/13 09:04

5G时代的光通信何去何从?韦乐平这样回答

C114通信网  李明

C114讯 6月13日特稿(李明)光通信早已成为电信网发展的速率和成本的瓶颈,因此在全民谈5G的今天,光通信对于5G的商用部署至关重要。

那么,在5G时代,光通信面临哪些新的机遇?将呈现哪些新的发展趋势?对此,在本周举行的“2019中国光网络研讨会”上,工信部通信科技委常务副主任、中国电信科技委主任、中国光网络研讨会主席韦乐平为我们进行了详细解读。

全球5G已进入商用关键期

当前,全球5G已进入商用关键期。标准状态方面,2018年6月,3GPP已完成基础版5G(R15)标准,主要面向增强型移动宽带(eMBB)商用场景;到2019年9月,完整版5G(R16)标准也将完成,主要面向高可靠低时延(uRLLC)商用场景。

商用状态方面,2019年5月底,已经有韩国、美国、芬兰、英国等国家12个运营商开始5G商用,其中韩国宏站规模年底达8万。采用非独立组网NSA模式和开启eMBB应用,但网络不稳定,基站手机的功耗及价格均很高,预计2020年全球将进入5G规模商用阶段。

在国内,中国5G已经开启商用化进程。韦乐平指出,2019年6月6日,工信部已经正式颁布4张5G商用牌照:中国移动(2.6/4.9G)、中国电信(3.5G)、中国联通(3.5G)、中国广电(700M/4.9G)分获牌照。

“2019年本来应该是预商用,现在变成商用了,等于提前半年商用化。”韦乐平对三大运营商5G商用部署进行了预测:2019年三大运营商将在超过40个城市商用部署5G,部署8-10万个宏站,已有NSA单模芯片手机,但功耗和价格都较高,年底有双模芯片手机,明年唯有双模手机可以入网;2020年规模商用:数百个城市,60-80万宏站,多来源NSA/SA和TDD/FDD双模手机规模商用;2021年-2027年大规模商用:聚焦城市和县城及发达乡镇,数百万量级的宏站和千万级小基站。

全光网是5G的起点和最理想承载技术

如此庞大的5G网络如何承载?“全光网是5G的起点!”韦乐平认为,全光网是5G最理想的承载技术。“光纤网络的巨大可用频谱(10THz)、超大容量(100Tbps)、超高速率(1Tbps)是5G网络的最理想的承载技术。”

韦乐平指出,向全光网演进主要分为三步:第一步,传输链路光纤化,传输都已经实现光纤化,正在向200-400Gbps演进;第二步,接入网光纤化,正在推进配线段和引入线乃至桌面的光化,进入攻坚战,光进铜全退依然路长;第三步,传输节点引入光交换CTC骨干网将在年底前全面部署ROADM,形成骨干全光网,并继续向大小城域网乃至接入网延伸。

全光网2.0时代已经全面开启:我国首张骨干ROADM网运营一年,效果明显,节约成本30-50%、能耗和空间约50%,业务配置效率大幅提升,时延最低,波长一跳直达。省际干线和省内干线将规模应用,大城域网将随需启用,城域和接入网需进一步降低WSS成本。这些都标志着全光网从1.0(全光纤网,已覆盖91%家庭)开始迈向全光网2.0(全光自动调度)新时代。2019年中国开建骨干ROADM节点高达466个;2019年中国电信骨干网最大节点容量可达370Tbps,已经有需要32维WSS(可达300Tbps)。基于ROADM全光网将向基于OXC全光网演进。此外,全光网还需要走向SDN控制。

降低光器件成本是降低5G成本的重要路径

需要特别关注的是,5G的高成本将影响运营商的部署进程,即便按保守的容量站方式部署,5G也需要比4G增加投资约50%,绝大多数运营商难以承受。其中前传成本最敏感、分担成本的用户数最少、对维护效率影响最大。

在韦乐平看来,降低前传成本的思路包括:1.架构重构:接口开放、硬件白盒化、软件开源化;2.采用eCPRI接口:速率降4倍,从100G降至25Gbps;3.光器件成本是瓶颈,光器件规模小、手工操作多、温度苛刻、传输距离长、技术创新慢,是降低前传成本的关键。

其中,5G时代光器件的成本已经构成整个5G网络成本的重要部分,降低其成本成为降低5G成本的重要路径。韦乐平指出,实现低成本光器件的思路主要包括:一是技术创新:网络架构、网络协议、光物理层;二是产品分级:不同距离采用不同技术实现最低成本,4G时代,分别采用VCSEL、FP、DFP技术来适配不同距离,避免过度设计,降低成本;三是量产规模:其一尽量减少选项,提高量产规模;其二是国产化;其三是不同领域技术共享;四是采购模式:光器件单独采购增加数量,减少开销。

硅光子技术是根本性突破方向

可见,光通信成为电信网发展的速率和成本的瓶颈,光器件是瓶颈的瓶颈,而光芯片是瓶颈的立方,占设备成本大头的光域成本不受摩尔定律恩惠。

“硅光子技术是根本性突破方向,各种光子集成技术都可以带来不同程度的改进和突破,但只有硅光子技术可以享受到摩尔定律带来的巨大好处,从而可望在成本、功耗、集成度上带来根本性突破。硅光子技术的思路:利用现有CMOS的投资、设施、经验和技术设计和制造光器件和光集成,从而达到CMOS水平。”韦乐平说。

硅光集成的使用场景包括:公网,长途和城域网用量不大(数千上万),距离远(数十上百公里),器件成本偏高;接入网用量大,距离短,但使用环境苛刻(-40°到85°)。数据中心:用量大、更新快、距离短、成本低、速率高、端口密度高、功耗大、环境好(0°-70°)。适用场景和演进路径:从环境好、成本低的DC开始(100/400G互连),待温度和成本解决后进入移动前传(25G,10公里)和回传(100/200/400G,几十公里),然后逐步向城域网和长途网延伸(100/200/400G,几十上百公里)。

光纤、光模块、WDM器件等迎来新机遇

当然,随着5G开启商用,光通信在面临新的挑战的同时,也面临新的机遇。

谈及5G时代的光纤机遇,韦乐平指出,按照上行边缘速率3Mbps考虑,3.5GHz上行比1.8GHz差9dB。按照3.5G独立组网,所需室外宏站至少是4G的2倍;按照3.5G+1.8G/2.1G协同组网,所需室外宏站也至少是4G的1.2倍;室内覆盖若靠小基站,需数千万个。

“可见,5G仍需大量光纤连接各种基站,至少需要几亿芯公里。启用毫米波后,则基站数还会大幅增加。5G云化网络需新建诸多DC,带来光纤和模块需求。”对于5G对新型光纤的需求,韦乐平认为,骨干高容量路由转向超低损G.654E光纤,4dB增益;室内站和DC带来抗弯曲和新一代多模光纤需求。

光模块在5G时代也将迎来巨大机遇。韦乐平指出,按照上行边缘速率3Mbps和不同组网方式,所需5G室外宏站数至少是4G的1.2-2倍;若室内覆盖主要依靠数千万个小基站,预计5G会带来数千万量级25/50/100Gbps光模块用量。进一步考虑我国数据中心的巨大发展空间(美国占IDC数45%,我国宽带用户是美国的3倍,但才占8%),高速光模块的发展空间更加可观。同时,基于PAM4的4电平调幅是目前主流技术方案,波特率仅为速率50%,可望降低带宽需要和用低成本光器件,增强色散容限,20公里400ps/nm。

5G时代WDM器件也迎来新的机遇,韦乐平指出,WDM的驱动因素包括:大规模多天线技术对系统带宽的巨大驱动;光纤紧张区域、光缆工程受限和成本代价;5G无线接入新架构的影响,包括BBU集中化;城域网WDM/OTN的边缘化趋势和5G承载需要。多样化的WDM系统包括:无源WDM彩光,无源WDM PON;有源WDM OTN和WDM /M-OTN彩光。关键器件的性价比挑战包括:关键是可调激光器(传输距离、温度、良品率、成本)和WDM器件(主要是AWG器件)。

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