Достижения в оптических трансиверах для 5g и беспроводных сетей

Оптические приемопередатчики стали незаменимыми строительными блоками в архитектуре современных беспроводных сетей. Поскольку системы пятого поколения (5G) масштабируются от начального развертывания до плотного, повсеместного покрытия, транспортная сеть должна обеспечивать огромную пропускную способность, строгие границы задержки и исключительную надежность. Оптические приемопередатчики обеспечивают мосты физического уровня, которые соединяют удаленные радиоблоки (RRU) с распределенными блоками (DU), DU с централизованными блоками (CU) и CUs к ядру - превращая электрические сигналы в световые импульсы, которые проходят километры волокна с минимальным затуханием. Эволюция этих устройств ускоряется, обусловленная необходимостью 400 Гбит / с и 800 Гбит / с в переднем, среднем и заднем сегментах. В этой статье рассматривается текущее состояние и траектория оптической приемопередающей технологии, сосредоточив внимание на ее критической роли в 5G и ее последствиях для будущих поколений беспроводной связи.

Критическая роль оптических приемопередатчиков в инфраструктуре 5G

Сети 5G принципиально отличаются от предыдущих поколений своей архитектурой. Сдвиг в сторону централизованных и облачных сетей радиодоступа (C-RAN и O-RAN) отделяет обработку базовой полосы от радиорубки, требуя высокопроизводительных, низколатентных связей между этими функциональными элементами. Оптические приемопередатчики являются рабочими лошадками этих линий, несущими оцифрованные радиосигналы или пакеты Ethernet по одномодовому или многорежимному волокну.

В типичном развертывании 5G сегмент фронтальной магистрали соединяет радиоблок (RU) с распределенным блоком (DU). В зависимости от функциональной опции разделения эта линия связи может нести оцифрованные образцы в фазе / квадратуре (IQ) с использованием общего публичного радиоинтерфейса (CPRI) или расширенного CPRI (eCPRI). Для массивной конфигурации MIMO с 64 приемопередатчиками и полосой пропускания 100 МГц один поток антенны требует около 25 Гбит / с пропускной способности фронтальной магистрали; с несколькими потоками общая пропускная способность может превышать 100 Гбит / с. Таким образом, оптические приемопередатчики должны поддерживать 25 Гбит / с, 100 Гбит / с или даже 400 Гбит / с на линию при сохранении строгих бюджетов времени и задержки - часто ниже 100 микросекунд.

В условиях средней и задней полосы, когда DU подключаются к центральным блокам и далее к мобильному ядру, расстояния могут составлять десятки километров. Здесь когерентные оптические приемопередатчики, использующие цифровую обработку сигналов (DSP), обеспечивают скорость передачи данных от 100 Гбит/с до 800 Гбит/с на дальних полосах без повторителей. Эти приемопередатчики обычно развертываются в стандартизированных подключаемых форм-факторах, таких как QSFP-DD, OSFP и CFP2-DCO, что позволяет операторам постепенно масштабировать емкость.

Последние технологические достижения

Более высокие показатели данных с продвинутой модуляцией

Возможно, наиболее заметным достижением является скачок скорости передачи данных на полосу. Ранние развертывания 5G использовали 10 Гбит/с и 25 Гбит/с приемопередатчики, но системы текущего поколения широко используют 100 Гбит/с на полосу с использованием PAM4 (четырехуровневая импульсная амплитудная модуляция). PAM4 удваивает битрейт по отношению к NRZ, кодируя два бита на символ на четырех уровнях амплитуд. В настоящее время индустрия стандартизировала 100 Гбит/с на электрическую и оптическую полосу, позволяя использовать 400 Гбит/с с использованием четырех полос (4×100G) в форм-факторах QSFP-DD и OSFP.

Заглядывая вперед, 200 Гбит/с на полосу, нацеленную на 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с подключаемых приемопередатчиков. Когерентная технология - когда-то зарезервированная для подводных и наземных сетей дальнего следования - также мигрирует на линии с короткими рамками. Стандарт 400ZR, например, определяет когерентный интерфейс для 400 Гбит/с на протяжении 80-120 км с использованием модуляции 64QAM или 16QAM. Этот когерентный подключаемый подход снижает потребление энергии и площадь по сравнению с более ранними дискретными когерентными линейными картами. В результате когерентные оптические приемопередатчики теперь жизнеспособны для DCI (интерконнектор центра обработки данных) и передовых приложений в рамках 5G обратного пути.

Для дальнейшего чтения об эволюции PAM4 и когерентных интерфейсов см. статью IEEE о оптических интерфейсах 400G/800G для беспроводных xHaul.

Миниатюризация и интеграция высокой плотности

Уплотнение сети — отличительная черта 5G — требует, чтобы оптические приемопередатчики уменьшались при поддержке все более высоких портовых показателей. SFP56 (электрический интерфейс, соответствующий SFP28, но с поддержкой PAM4) и SFP112 (112 Гбит/с на полосу) позволяют операторам модернизировать существующие слоты SFP + до более высоких скоростей без изменения оборудования хоста. Между тем, модули QSFP-DD800 и OSFP 800G обеспечивают восемь или четыре высокоскоростные электрические полосы, соответственно, в пакете, не намного больше, чем большой палец.

Кремниевая фотоника (SiPh) сыграла важную роль в достижении этой миниатюризации. Благодаря интеграции оптических модуляторов, детекторов и волноводов в стандартные процессы изготовления CMOS, кремниевая фотоника уменьшает количество дискретных компонентов и упрощает сборку. Компании теперь предлагают приемопередатчики мощностью 100 Гбит/с и 400 Гбит/с SiPh, которые работают по одномодовому волокну с низким рассеиванием мощности. Совместно упакованная оптика (CPO) принимает интеграцию дальше, размещая оптический двигатель рядом с коммутатором ASIC, устраняя штраф за электрическую доступность подключаемых модулей. В то время как CPO все еще созревает, ранние демонстрации показывают 50%-ное снижение мощности для коммутаторов 51.2 Тбит/с, что является критическим преимуществом для центров обработки данных 5G.

Инновации в области энергоэффективности

Потребление энергии является доминирующим операционным расходом в мобильных сетях. Оптические приемопередатчики для 5G должны обеспечивать высокую пропускную способность без непропорционального увеличения потребления энергии. Последние инновации были сосредоточены на снижении мощности на бит с помощью передовых алгоритмов DSP, улучшенных схем драйверов и усилителей и эффективных лазерных источников.

Например, использование цифрового пре-искажения (DPD) и прекодирования Томлинсона-Харашимы компенсирует ограничения полосы пропускания драйверов модулятора, позволяя снизить напряжения качения. На стороне приемника когерентные DSP, реализованные в 7 нм или 5 нм CMOS, снижают энергопотребление более чем на 40% по сравнению с поколениями 16 нм. Кроме того, интегрированные усилители SOA (полупроводникового оптического усилителя) на стороне передатчика уменьшают потребность во внешнем усилении во многих линиях метро.

Толчок к «зеленому» 5G также стимулировал развитие режимов простоя и сна с низким энергопотреблением для приемопередатчиков, динамически регулируя напряжение и частоту на основе нагрузки на трафик. Эти методы могут снизить среднее энергопотребление на 30-50% в непиковые часы.

Расширенный охват и управление дисперсией

В то время как многие 5G-соединения относительно короткие (менее 20 км), обратные соединения с региональными точками агрегации могут превышать 80 км. Эффекты хроматической дисперсии и поляризации становятся значительными на этих расстояниях, особенно при более высоких скоростях бауда. Современные приемопередатчики включают в себя расширенную цифровую компенсацию дисперсии в приемнике DSP, устраняя необходимость в специализированных модулях компенсации дисперсии. Некоторые когерентные приемопередатчики также используют аналоговые-цифровые преобразователи высокой пропускной способности (ADC), которые используют выборку со скоростями выше скорости бауда, что позволяет уравнять интерсимвольные помехи из-за дисперсии режима поляризации.

Для сверхдальнемагистральных применений новые методы передачи, такие как вероятностное формирование созвездий (PCS), позволяют приемопередатчикам динамически адаптировать форматы модуляции на основе условий связи, увеличивая охват до 30% в некоторых случаях. Появляющаяся многодиапазонная передача (с использованием O-, E-, S-, C- и L-диапазонов) обещает расширить емкость дальше без развертывания нового волокна, хотя для этого требуются широкополосные оптические усилители.

Последствия для сетей Beyond 5G и 6G

Архитектурные требования к системам, выходящим за пределы 5G (B5G) и шестого поколения (6G), выводят оптический транспорт за пределы текущих ограничений. Ключевые драйверы включают субмиллисекундную сквозную задержку, терабит-персекундные радиоинтерфейсы и бесшовную интеграцию с краевым ИИ и зондированием.

Поддержка сверхнадежных низкозадержанных коммуникаций

Ожидается, что 6G потребует сверхвоздушной задержки до 100 микросекунд, что, в свою очередь, требует оптической транспортной сети с сквозной задержкой менее 50 микросекунд. Это оставляет небольшой запас для ретрансляции или буферизации. Оптические приемопередатчики, которые поддерживают детерминированную задержку - достигнутые благодаря строгой синхронизации часов и устранению джиттера - имеют решающее значение. Достижения в чувствительных ко времени сетях (TSN) по оптическому Ethernet в сочетании с настраиваемыми лазерными стабилизаторами, позволяют распределять часы с низким джиттером по волокну. Кроме того, использование полностью оптических коммутаторов и мультиплексирование деления длины волны (WDM) может уменьшить промежуточные преобразования O / E / O, которые вводят задержку.

Создание массивных MIMO и формирование луча

Массивные MIMO-решения с сотнями антенных элементов генерируют огромные требования к пропускной способности на переднем плане. Для базовой станции 6G с 256 антеннами и 1 ГГц полосы пропускания каждый поток может требовать 200 Гбит/с, что приводит к совокупному спросу на передний ход в десятках терабитов в секунду. Оптические приемопередатчики, способные обрабатывать 400 Гбит/с или 800 Гбит/с на линию связи, агрегированные с помощью мультиплексирования длин волн, являются единственным жизнеспособным подходом к транспортировке этих данных. Когерентные оптические приемопередатчики с интегрированными лазерами, настраиваемыми на длину волны, обеспечивают гибкое назначение длины волны, упрощая сетевую инженерию для крупномасштабных антенных систем.

Сетевой нарез и программируемость

Будущие беспроводные сети будут в значительной степени полагаться на сетевое нарезка для предоставления специализированных соглашений на уровне обслуживания для вариантов использования, таких как промышленная автоматизация, голографическая связь и автономные транспортные средства. Оптические приемопередатчики развиваются для поддержки программируемого распределения полосы пропускания на основе каждого канала. Программно-определяемые оптические приемопередатчики могут мгновенно регулировать формат модуляции, накладные расходы на коррекцию ошибок и выходную мощность для соответствия требованиям к срезам. Эта адаптивность обеспечивается перенастраиваемыми цифровыми сигнальными процессорами и настраиваемыми фотонными компонентами.

Интеграция с AI и автоматизацией

Оптические приемопередатчики все чаще внедряются с возможностями мониторинга — измерением принимаемой мощности, отношением сигнал-шум и частотой ошибок бита в реальном времени. В сочетании с аналитикой, основанной на ИИ, эти данные позволяют прогнозировать техническое обслуживание, локализацию неисправностей и автономную маршрутизацию. Например, центральный двигатель ИИ может обнаружить деградирующий приемопередатчик на передней панели и инструктировать контроллер SDN переключаться на длину волны резервного копирования до сбоя связи. Эта способность самозаживления необходима для высокой доступности, необходимой в сетях 6G.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на быстрый прогресс, остаются некоторые препятствия, прежде чем оптические приемопередатчики смогут полностью поддерживать видение B5G и 6G.

Сокращение затрат и объем производства

Стоимость высокоскоростных когерентных приемопередатчиков, хотя и снижается, по-прежнему на порядок выше, чем решения с модулированной интенсивностью прямого обнаружения (IM/DD). Для широкого развертывания в сети радиодоступа, особенно в небольших ячейках и корпоративных фемтосотах, затраты на приемопередатчик должны опускаться ниже 100 долларов США за единицу для 100 Гбит/с ссылок. Это требует достижений в интеграции в масштабе пластин, автоматизированном тестировании и упаковке. Стандартизация форм-факторов и электрических интерфейсов (например, стандарт 100G-Lane от OIF) помогает увеличить объем и снизить стоимость за счет выравнивания экосистемы.

Связанной с этим областью исследований является разработка недорогих платформ кремниевой фотоники, которые могут поддерживать как высокоскоростные модуляторы, так и фотоприемники на одном кристалле. Модуляторы SiPh имеют ограниченную пропускную способность по сравнению с устройствами ниобата лития (LiNbO3), но модуляторы с истощением несущих в продвинутых узлах закрывают разрыв.

Термическое управление и надежность

Поскольку приемопередатчики упаковывают больше полос и более высокоскоростных DSP в меньшие корпуса, тепловая плотность увеличивается. Внутренняя температура модуля QSFP-DD мощностью 400 Гбит/с может превышать 70 °C при полной нагрузке, что ускоряет старение лазеров и приводной электроники. Будущая упаковка должна включать в себя передовые теплораспределители, микрофлюидики или термоэлектрические охладители (TEC) с улучшенной эффективностью. В то же время требования к надежности поля для оборудования 5G/6G являются строгими - типичное среднее время между отказами (MTBF) цели превышают 1 миллион часов. Испытание надежности на уровне модуля приемопередатчика должно учитывать температурный цикл, влажность и вибрацию в наружных средах.

Интеграция с кремниевой фотоникой и электроникой

Сопакованная оптика представляет собой конечный уровень интеграции, но остаются многие инженерные проблемы: допуски выравнивания между оптикой и электроникой, тепловой коэффициент несоответствия расширения и выход гибридной сборки. Исследования в области печати микропередачи и связывания пластин направлены на объединение лазеров III-V с кремниевыми фотонными схемами в масштабе пластин. Кроме того, разработка оптических интерпозиторов, которые маршрутизируют свет между чипами, может устранить необходимость в подключаемых модулях в будущих коммутаторах высокой емкости.

Будущие направления исследований

Помимо 6G, сети могут требовать мощности терабит на линию связи. Космическое разделение мультиплексирования (SDM) - с использованием волокон с несколькими режимами, многоядерных волокон или волоконных пучков - предлагает путь к масштабированию емкости без увеличения спектральной эффективности. SDM-приемопередатчики должны будут обрабатывать несколько пространственных каналов одновременно, требуя новых фотонных интегральных схем с независимыми путями для каждого ядра или режима. Ранние прототипы продемонстрировали передачу 1 Pbps по многоядерному волокну, но стоимость приемопередатчика остается непомерной для коммерческого развертывания.

Еще одна зарождающаяся область - использование оптических приемопередатчиков в оптических каналах свободного пространства (FSO) для беспроводного обратного хода. Это может обеспечить волоконно-подобную емкость для труднодоступных областей без траншей. Гибридные приемопередатчики, которые могут переключаться между оптоволоконными и FSO операциями, изучаются для гибких сценариев развертывания.

Для углубленного анализа рынка тенденций оптических приемопередатчиков обратитесь к отчету LightCounting о прогнозе рынка оптических коммуникаций .

Полный обзор транспортных требований 6G доступен в процедурах OFC 2024 , в частности, в сессиях по оптическому доступу и переднего прохода.

Наконец, в цифровой библиотеке IEEE Xplore размещены многочисленные статьи о передовых методах модуляции для оптических линий связи за пределами 5G, таких как , эта статья 2023 года о когерентных приемопередатчиках 800G для мобильного обратного хода .

Заключение

Оптические приемопередатчики превратились из простых электронно-оптических преобразователей в сложные, программно-конфигурируемые устройства, которые образуют основу сетей 5G и будут лежать в основе сетей 6G. Достижения в модуляции (PAM4, когерентный 400ZR, 800G), миниатюризации форм-фактора (QSFP-DD, OSFP, CPO), энергоэффективности (CMOS DSP, маломощные лазеры) и достижения (компенсация цифровой дисперсии, вероятностное формирование) позволяют сетевым архитекторам удовлетворять экстремальные требования сверхплотных, высокопроизводительных беспроводных систем. Тем не менее, проблемы с затратами, тепловой и интеграцией сохраняются, что побуждает к продолжению исследований в кремниевой фотонике, совместной оптике и мультиплексировании космического подразделения. Траектория ясна: оптические приемопередатчики останутся критическим фактором каждого нового поколения беспроводной связи, гарантируя, что транспортная сеть сможет идти в ногу с неустанным ростом мобильного трафика данных и появлением приложений с высокой пропускной способностью, чувствительных к задержке.