Как оптическая сетевая инфраструктура поддерживает расширение сетей 5G
Глобальная гонка за развертывание сетей 5G поставила беспрецедентные требования к физической инфраструктуре, которая переносит данные с сотовых сайтов в основные сети. В то время как большая часть общественного внимания сосредоточена на радиовышках, небольших ячейках и распределении спектра, истинным фактором скорости, емкости и низкой задержки 5G является оптическая сетевая инфраструктура, которая образует ее основу. Без надежной, высокопроизводительной оптоволоконной транспортной системы даже самые передовые радиостанции 5G не смогут выполнить свои обещания о гигабитных скоростях, сверхнадежном подключении и поддержке миллионов устройств IoT на квадратный километр.
Оптические сети, построенные в основном вокруг стеклянных волокон, которые передают информацию в виде импульсов света, уже давно являются основой дальнемагистральной и городской связи. Однако появление 5G превратило их из пассивного транспортного слоя в активный, программируемый и глубоко интегрированный компонент беспроводной сети доступа. В этой статье объясняется, как оптическая инфраструктура поддерживает каждый слой 5G - от обратного и среднего до фронтального и основного - и почему постоянные инвестиции в волокно необходимы для следующего поколения мобильной связи.
Фундаментальная роль оптического волокна в 5G
В своей простейшей форме оптическое волокно переносит данные, используя световые сигналы, проходящие через стеклянное или пластиковое ядро. Поскольку свет движется намного быстрее, чем электрические сигналы в меди, и почти не страдает от деградации сигнала на больших расстояниях, волокно предлагает два атрибута, критически важных для 5G: , с очень низкой задержкой и , чрезвычайно низкая задержка . Одна волоконная пара теперь может переносить несколько терабитов данных в секунду, используя мультиплексирование деления длины волны (WDM), которое разделяет свет на десятки или даже сотни различных длин волн, каждый из которых действует как независимый канал данных.
5G требует транспортной сети, которая может обрабатывать возможности, которые на порядок больше, чем 4G LTE. Например, в то время как типичный участок ячеек 4G может нуждаться в пропускной способности 1 Гбит/с или менее, макроячейка 5G, обслуживающая плотные городские районы, может требовать 10 Гбит/с или более. Маленькие ячейки, которые развернуты в кластерах, коллективно требуют еще более высокой совокупной емкости. Только оптическое волокно может экономически масштабироваться для удовлетворения этих потребностей. Кроме того, требования к сверхнизкой задержке 5G приложений - такие как автономная координация транспортных средств, удаленная хирургия или промышленная автоматизация - требуют задержки в оба конца ниже 5 миллисекунд, которые невозможны без передачи волокна на почти скорости света.
Медные соединения, такие как DSL или коаксиальный кабель, не могут поддерживать эти скорости или задержки на расстояниях, превышающих несколько сотен метров. Поэтому каждый план развертывания 5G - будь то плотный городской кластер микроэлементов, пригородный макро-узел или сельский стационарный беспроводной узел доступа - в конечном итоге зависит от волоконного соединения обратного пути. Сдвиг настолько фундаментальный, что термин «волокно к башне» (FTTt) стал стандартным требованием для 5G.
Сравнение волокон с альтернативными технологиями обратного движения
Беспроводные альтернативы, такие как микроволновые и миллиметровые линии связи между точками, иногда могут обеспечивать временный или дополнительный обратный путь, но они страдают от ограничений прямой видимости, ограничений пропускной способности и восприимчивости к выпадению дождя. Спутниковый обратный путь, улучшаясь с созвездиями с низкой околоземной орбитой, все еще вводит проблемы задержки и ограниченную емкость. Волокно остается единственной средой обратного хода, которая может надежно обеспечить многогигабитную емкость, субмиллисекундную задержку и будущую защищенную масштабируемость для сетей 5G. По данным Ассоциации волоконной широкополосной связи, сайты, обслуживаемые оптоволокном, имеют на 15% более высокий средний доход на пользователя и значительно более низкие показатели оттока, чем те, которые используют медь или беспроводной обратный путь.
Оригинальное название: The Fiber Backhaul Imperative
Одним из ключевых технологических новшеств в 5G является массивная MIMO (многократный вход, многократный выход). Вместо нескольких антенн базовые станции 5G могут использовать десятки или даже сотни антенных элементов, каждый из которых способен передавать и принимать независимые потоки данных. Это резко повышает спектральную эффективность и позволяет базовой станции обслуживать многих пользователей одновременно. Однако массивная MIMO генерирует огромное количество данных, которые необходимо перемещать из радиоблока в блок базовой полосы, а затем в базовую сеть.
В типичном развертывании 5G радиоблок (RU) расположен в верхней части башни или на уличной лампе, распределенный блок (DU) находится где-то у основания башни или в соседнем шкафу, а централизованный блок (CU) может находиться в нескольких километрах в центральном офисе. Соединение между RU и DU — известное как fronthaul — требует огромных скоростей передачи данных. Стандарт Common Public Radio Interface (CPRI) для 4G был заменен расширенным CPRI (eCPRI) и другими пакетированными интерфейсами, которые оптимизируют фронтальную передачу для 5G. Даже при сжатии и пакетизации, один массивный MIMO 5G-радио может требовать фронтальных линий связи 25 Гбит/с или более. Этот уровень скорости может поддерживаться только оптическим волокном, часто используя WDM для совместного использования волоконных цепей между несколькими радиостанциями.
Малые клетки и детоксикация волокна
Более высокие полосы частот 5G, особенно миллиметровый спектр (mmWave), имеют очень ограниченный диапазон и могут быть заблокированы зданиями, деревьями и даже дождем. Для обеспечения последовательного покрытия операторы должны развертывать плотный слой небольших ячеек каждые 100-300 метров в городских районах. Каждая маленькая ячейка требует своего собственного оптоволоконного ремонта. Это привело к резкому увеличению числа локаций с волоконным освещением. Крупные операторы тратят миллиарды долларов ежегодно на уплотнение волокна — создание новых волоконных маршрутов для подключения десятков тысяч небольших сотовых сайтов.
В плотных городских условиях волокно должно быть развернуто не только вдоль улиц, но и в зданиях, на крышах, в коммунальных столбах и уличной мебели. Операторы все чаще используют методы микротраншейного прокладки волокна быстро с минимальными нарушениями, а также используют существующие трубопроводы и воздушные волокна. Процесс капиталоемкий, но необходимый; сеть 5G без адекватного ремонта волокон оставит небольшие ячейки голодающими, что приведет к плохому пользовательскому опыту.
Оптические транспортные технологии, поддерживающие 5G
Помимо простого развертывания волоконных кабелей, 5G полагается на передовые оптические транспортные технологии для максимального использования этого волокна. Наиболее важным из них является мультиплексирование (WDM) с дивизионом длины волны (цвета) света, которое позволяет одновременно перемещаться по одному волокну. Системы Dense WDM (DWDM) могут упаковывать 80 или более каналов по паре волокон, каждый из которых несет 100 Гбит / с или более, обеспечивая совокупные мощности в десятках терабитов в секунду. Это важно для 5G, поскольку оно позволяет одной волоконной нити обслуживать несколько сотовых сайтов, разгружать трафик в центры обработки данных и подключаться к основной сети, не требуя дополнительного развертывания волокна.
Когерентная оптическая передача является ещё одной ключевой технологией. Современные когерентные модемы используют передовые форматы модуляции, такие как 16QAM или 64QAM, в сочетании с цифровой обработкой сигналов, чтобы выдвинуть скорость передачи данных за пределы 400 Гбит/с на длину волны, даже на расстояния в сотни километров. Эти системы теперь достаточно экономически эффективны, чтобы использоваться не только в сетях дальнего следования, но и в сетях метро и даже доступа, обслуживающих сайты 5G. Кроме того, Программируемые оптические сети на основе гибкой сети и программно-определяемой сети (SDN) позволяют операторам перенастраивать полосу пропускания в реальном времени, адаптируясь к изменению моделей трафика от пользователей 5G.
Оптический нарез для сетевого нарезки
5G вводит концепцию сетевого среза — создание изолированных виртуальных сетей на общей физической инфраструктуре для обслуживания различных вариантов использования (например, расширенная мобильная широкополосная связь, массивный IoT, сверхнадежная связь с низкой задержкой). Оптические транспортные сети могут поддерживать срез через сегментацию на уровне длины волны или на уровне пакетов. Например, выделенная длина волны может быть назначена частному срезу 5G предприятия, обеспечивая гарантированную полосу пропускания и задержку без помех от другого трафика. Эта возможность вызывает интерес к оптической сети срезки в качестве дополнения к сквозному срезу сети в 5G.
Оптическая инфраструктура для ядра и края 5G
Базовая сеть 5G принципиально отличается от 4G. Она построена на облачной нативной архитектуре с виртуализированными сетевыми функциями, работающими на товарных серверах, часто распределенных на границе сети, чтобы уменьшить задержку. Эта парадигма многодоступных граничных вычислений (MEC) помещает вычислительные и запоминающие ресурсы в пределах 10-20 километров от конечного пользователя, требуя высокоскоростных соединений с низкой задержкой между краевыми центрами обработки данных и сайтами радиодоступа.
Оптические сети являются единственным практическим способом соединения этих краевых узлов. Типичному краевому центру обработки данных может потребоваться подключение 100-400 Гбит/с к его поддерживающим сотовым сайтам, а несколько краевых центров обработки данных должны быть связаны друг с другом и с централизованными ядрами. Это требует плотного оптического соединения, часто реализуемого с использованием технологий DWDM или пассивной оптической сети (PON). XGS-PON и NG-PON2 (пассивные оптические сети следующего поколения) развертываются для мобильного фронтального и бэк-холдинга, предлагая симметричные 10 Гбит/с или более на абонента при использовании существующего волокна для домашней (FTTH) инфраструктуры. Эта конвергенция сетей фиксированного и мобильного доступа является основной тенденцией в 5G, поскольку операторы стремятся максимизировать ценность своих волоконных активов.
Решение проблем оптической инфраструктуры для 5G
Несмотря на свои явные преимущества, развертывание оптической сетевой инфраструктуры для 5G сталкивается с несколькими значительными проблемами. Высокие первоначальные капитальные затраты . Укладка нового волокна - будь то под землей, на нитей или через существующие каналы - является дорогостоящей, особенно в плотных городских районах, где разрешения, права на проезд и затраты на строительство высоки. Одна миля волоконно-оптического кабеля может стоить десятки тысяч долларов для установки, в зависимости от местности и существующей инфраструктуры.
Другая проблема заключается в мощности и пространстве . Активное оптическое оборудование, такое как WDM-модули, усилители и когерентные приемопередатчики, должно размещаться в уличных шкафах, хижинах или укрытиях базовых станций. Они часто имеют ограниченные бюджеты мощности и возможности охлаждения, требующие тщательной конструкции для обеспечения надежности. Кроме того, необходимость в физическом волоконном подключении на каждом небольшом участке сотовой связи означает, что сроки развертывания могут растягиваться на годы, особенно в городах, где разрешения на рытье трудно получить.
Наконец, безопасность и устойчивость являются проблемами. Отрезанное волокно может уничтожить целый кластер ячеек 5G, и поскольку оптические кабели часто устанавливаются вблизи дорог или других коммунальных служб, случайные разрезы являются обычным явлением. Операторы должны развертывать избыточные пути волокна, часто на физически разнообразных маршрутах, и осуществлять автоматическое переключение защиты для поддержания непрерывности обслуживания.
Инновации снижают барьеры развертывания
К счастью, несколько инноваций делают оптическое развертывание для 5G более быстрым и экономически эффективным. Нечувствительное к изгибу волокно , например, позволяет более резко согнуть кабели без потери сигнала, что облегчает их маршрутизацию через плотные трубопроводы, строительные подъемники и уличные отверстия. Это сокращает время установки и позволяет более гибко проектировать сеть.
Микротранширование стало популярным методом установки волокон на тротуарах и дорогах. Узкий слот (обычно 1-2 дюйма в ширину и 6-12 дюймов в глубину) разрезается, волоконный кабель прокладывается, и слот заполнен быстро устанавливающимся соединением. Процесс может быть завершен в дни, а не недели, с минимальным нарушением движения. Некоторые муниципалитеты теперь требуют микротранширования для всех новых развертываний волокон, чтобы уменьшить визуальное и физическое воздействие на дороги.
Решения для волоконной арматуры также совершенствуются. Легкие волоконные кабели могут быть натянуты на существующие столбы питания или телефонные столбы, а новые методы подвесного кабеля позволяют прокладывать более длинные промежутки между полюсами без необходимости в средних пролетных структурах. Это особенно полезно для сельских 5G-магистралей, где затраты на траншеи непомерны, но существуют пути на полюсах.
Что касается активного оборудования, то появление фотоники кремниевых элементов и интегрированных когерентных приемопередатчиков снижает стоимость высокоскоростных оптических соединений. Когерентный модуль 400G, который всего несколько лет назад стоил десятки тысяч долларов, теперь стоит небольшую часть этого, что делает его жизнеспособным для развертывания на каждом участке сотовой связи. Аналогичным образом, приемопередатчики малоформатного фактора (SFP и QSFP) для PON и волоконного волокна точки-точки обеспечивают оптическое подключение к самому радиоблоку, устраняя необходимость в отдельном оптическом транспортном оборудовании.
Кроме того, виртуализация сетевых функций и SDN позволяют операторам централизованно управлять оптическими ресурсами, организовывать задания длины волны и автоматизировать восстановление неисправностей. Это снижает эксплуатационные расходы и позволяет динамически масштабировать оптический слой по мере роста требований к трафику.
Будущее: 6G и дальше
Заглядывая вперед, роль оптической инфраструктуры будет только углубляться. 6G, который, как ожидается, прибудет около 2030 года, потребует еще более высоких скоростей передачи данных (возможно, 1 Тбит/с на пользователя), субмикросекундной задержки и интеграции с датчиком и ИИ. Частоты Терагерца и интеллектуальные поверхности потребуют невероятно плотной ткани точек радиодоступа, каждая из которых требует чрезвычайной пропускной способности. Фотоника и интегрированная оптика, вероятно, будут встроены непосредственно в антенные массивы, создавая полностью оптическое формирование луча и распределение сигнала внутри радиоголовки.
Кроме того, беспроволочная оптическая связь (лифит и лазерные линии связи) может дополнять традиционное волокно для последних нескольких метров в ультраплотных средах, таких как стадионы или заводские полы. Однако для подавляющего большинства транспортной сети волокно останется единственной средой, способной обеспечить требуемый масштаб. Термин «всеволокно» может стать избыточным, потому что беспроводные сети будут все чаще, по сути, просто радиорасширением волоконно-оптического магистраля.
Заключение
Оптическая сетевая инфраструктура - это не просто поддерживающий элемент расширения 5G - это важный активатор. От обратного пути, связывающего каждую макро- и малую ячейку с ядром, до фронтального соединения массивных радиостанций MIMO, до межсоединений краевого центра обработки данных, волоконная оптика обеспечивает пропускную способность, низкую задержку и масштабируемость, которые требуют 5G. В то время как такие проблемы, как стоимость, сложность развертывания и физическое пространство, сохраняются, инновации в типах волокон, методах установки и технологиях оптического транспорта неуклонно снижают барьеры.
Для операторов связи инвестирование в плотный, программируемый оптический слой сегодня создает основу, которая не только поддержит полную реализацию 5G, но и облегчит переход к тому, что будет дальше. Будущее беспроводной связи, в буквальном смысле, несет свет.
Для дальнейшего чтения: Волоконно-полосатая ассоциация предоставляет отраслевые сведения о тенденциях развертывания волокон. Подробный технический обзор оптического транспорта в 5G доступен из Light Reading. Справочник по массивным требованиям MIMO и волокна можно найти в Википедия в статье Massive MIMO. Для реальных тематических исследований развертывания Ericsson 5G Transport White Paper является авторитетным ресурсом.