เครือข่ายไร้สาย

การสื่อสารเคลื่อนที่ยังคงรูปแบบการพัฒนาของเทคโนโลยีหนึ่งรุ่นต่อทศวรรษ และผ่านการพัฒนา 1G, 2G, 3G และ 4G การก้าวกระโดดจากรุ่นสู่รุ่น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแต่ละครั้ง ล้วนมีส่วนช่วยอย่างมากในการยกระดับอุตสาหกรรมและการพัฒนาทางเศรษฐกิจและสังคม จาก 1G เป็น 2G การเปลี่ยนจากการสื่อสารแบบอะนาล็อกเป็นดิจิทัลได้เกิดขึ้นจริง และการสื่อสารเคลื่อนที่ได้เข้าสู่ครัวเรือนหลายพันครัวเรือน จาก 2G เป็น 3G และ 4G การเปลี่ยนแปลงจากบริการเสียงเป็นข้อมูลเกิดขึ้นจริง และอัตราการรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นหลายร้อยเท่า ส่งเสริมความนิยมและความเจริญรุ่งเรืองของแอปพลิเคชันอินเทอร์เน็ตบนมือถือ ในปัจจุบัน เครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้รวมเข้ากับทุกแง่มุมของชีวิตทางสังคม ซึ่งเปลี่ยนแปลงการสื่อสารของผู้คน การสื่อสาร และแม้กระทั่งวิถีชีวิตทั้งหมดของผู้คนอย่างลึกซึ้ง เครือข่าย 4G ได้สร้างเศรษฐกิจอินเทอร์เน็ตที่รุ่งเรือง แก้ปัญหาผู้คนสื่อสารกันได้ทุกที่ทุกเวลา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอินเทอร์เน็ตบนมือถือ บริการและบริการใหม่ๆ จึงเกิดขึ้น และการรับส่งข้อมูลผ่านมือถือก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
ในฐานะที่เป็นเครือข่ายการสื่อสารเคลื่อนที่รูปแบบใหม่ 5G จะไม่เพียงแก้ปัญหาการสื่อสารระหว่างมนุษย์กับมนุษย์เท่านั้น แต่ยังมอบประสบการณ์ทางธุรกิจที่สมจริงยิ่งขึ้นให้กับผู้ใช้ เช่น ความจริงเสริม ความจริงเสมือน และวิดีโอความละเอียดสูงพิเศษ (3D) แต่ยังจะช่วยแก้ปัญหาการสื่อสารระหว่างคนกับสิ่งของ ตอบสนองความต้องการด้านการแพทย์เคลื่อนที่ เครือข่ายยานยนต์ บ้านอัจฉริยะ การควบคุมอุตสาหกรรม การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม และแอปพลิเคชัน IoT อื่นๆ ในท้ายที่สุด 5G จะแทรกซึมทุกภาคส่วนของเศรษฐกิจและสังคม และกลายเป็นโครงสร้างพื้นฐานใหม่ที่สำคัญเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงทางดิจิทัล เครือข่าย และอัจฉริยะของเศรษฐกิจและสังคม

เทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นที่ 5 (5G) เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่บรอดแบนด์รุ่นใหม่ที่มีความเร็วสูง ความหน่วงต่ำ และการเชื่อมต่อขนาดใหญ่ สิ่งอำนวยความสะดวกด้านการสื่อสาร 5G เป็นโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างผู้คน เครื่องจักร และสิ่งของต่างๆ
International Telecommunication Union (ITU) ได้กำหนดสถานการณ์การใช้งานหลัก 5 รูปแบบสำหรับ XNUMXG ได้แก่ Enhanced Mobile Broadband (eMBB) การสื่อสารที่มีความหน่วงแฝงต่ำ (URLLC) ที่มีความน่าเชื่อถือสูงเป็นพิเศษ และการสื่อสารระดับเครื่องขนาดใหญ่ (mMTC) Enhanced Mobile Broadband (eMBB) มุ่งเน้นไปที่การเติบโตอย่างรวดเร็วของทราฟฟิกอินเทอร์เน็ตบนมือถือและมอบประสบการณ์การใช้งานแอพพลิเคชั่นที่เหนือชั้นให้กับผู้ใช้อินเทอร์เน็ตบนมือถือ Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC) มุ่งเน้นไปที่การควบคุมทางอุตสาหกรรม การแพทย์ทางไกล การขับรถอัตโนมัติ และแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมแนวตั้งอื่นๆ ที่มีความต้องการสูงสำหรับเวลาแฝงและความน่าเชื่อถือ Massive Machine Type Communication (mMTC) มุ่งเน้นไปที่เมืองอัจฉริยะ บ้านอัจฉริยะ การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม และแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่อาศัยการส่งสัญญาณ mMTC ส่วนใหญ่ใช้สำหรับเมืองอัจฉริยะ บ้านอัจฉริยะ การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม และแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่กำหนดเป้าหมายการตรวจจับและการรวบรวมข้อมูล
ITU ได้กำหนดตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักแปดตัวสำหรับ 5G ซึ่งความเร็วสูง เวลาแฝงต่ำ และการเชื่อมต่อขนาดใหญ่เป็นคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุด ด้วยอัตราประสบการณ์ผู้ใช้สูงถึง 1 Gbps เวลาแฝงต่ำถึง 1 มิลลิวินาที และการเชื่อมต่อของผู้ใช้สูงถึง 1 ล้านการเชื่อมต่อ/ตารางเมตร กิโลเมตร.

ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักในการสื่อสารเคลื่อนที่ 5G
1. ต้องใช้อัตราสูงสุด 10-20Gbit/s เพื่อตอบสนองการรับส่งข้อมูลปริมาณมาก เช่น วิดีโอ HD และความจริงเสมือน
2. ความหน่วงของอินเทอร์เฟซทางอากาศต่ำเพียง 1 มิลลิวินาที เพื่อตอบสนองการใช้งานแบบเรียลไทม์ เช่น การขับรถอัตโนมัติและการแพทย์ทางไกล
3. ด้วยความสามารถในการเชื่อมต่อหลายล้านการเชื่อมต่อ/ตารางกิโลเมตรของอุปกรณ์เพื่อตอบสนองการสื่อสาร IoT
4. ควรปรับปรุงประสิทธิภาพของสเปกตรัมมากกว่า 3 เท่าเมื่อเทียบกับ LTE
5. ครอบคลุมพื้นที่กว้างอย่างต่อเนื่องและความคล่องตัวสูงด้วยอัตราประสบการณ์ผู้ใช้ 100Mbit/s
6. ความหนาแน่นของทราฟฟิกตั้งแต่ 10Mbps/m2 ขึ้นไป
7. Mobility รองรับการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง 500 กม./ชม

โมดูลออปติคัลเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของชั้นทางกายภาพของเครือข่าย 5G ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไร้สายและการส่งสัญญาณ และค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นในอุปกรณ์ระบบ มากกว่า 50-70% ในอุปกรณ์บางอย่าง ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของ 5G ราคาประหยัด ครอบคลุมกว้าง
สถานการณ์การใช้งานทั่วไปและการวิเคราะห์ความต้องการแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 สถานการณ์การใช้งานโมดูลออปติคัลแบริ่ง 5G และการวิเคราะห์ความต้องการ

สถานการณ์การใช้งานทั่วไปของการส่งสัญญาณด้านหน้า 5G แสดงอยู่ในรูปที่ 1 รวมถึงการเชื่อมต่อผ่านสายไฟเบอร์โดยตรง WDM แบบพาสซีฟและ WDM แบบแอ็คทีฟ / เครือข่ายการขนส่งออปติก (OTN) / เครือข่ายแพ็กเก็ตแบบแบ่งส่วน (SPN) และอื่นๆ สถานการณ์ไฟเบอร์โดยตรงโดยทั่วไปใช้โมดูลออปติคัลสีเทา 25Gb/s ซึ่งสนับสนุนทั้งประเภทสองทิศทางแบบไฟเบอร์สองทิศทางและแบบสองทิศทางแบบไฟเบอร์เดี่ยว โดยส่วนใหญ่รวมถึงระยะการส่งข้อมูล 300 ม. และ 10 กม. สถานการณ์ WDM แบบพาสซีฟส่วนใหญ่ประกอบด้วย WDM แบบพาสซีฟแบบจุดต่อจุดและ WDM-PON โดยใช้ไฟเบอร์คู่หรือไฟเบอร์เดียวเพื่อให้ได้การเชื่อมต่อ AAU ไปยัง DU หลายรายการ โดยทั่วไปต้องใช้โมดูลออปติคัลสี 10Gb/s หรือ 25Gb/s สำหรับสถานการณ์ WDM/OTN ที่ใช้งานอยู่ โดยทั่วไปต้องใช้โมดูลสีเทาระยะใกล้ 10Gb/s หรือ 25Gb/s ระหว่างอุปกรณ์ AAUs/DUs และ WDM/OTN/SPN และ N x 10/25/50/100Gb/s dual-fiber bi - โมดูลสีสองทิศทางแบบทิศทางเดียวหรือแบบเส้นใยเดี่ยวเป็นสิ่งจำเป็นระหว่างอุปกรณ์ WDM/OTN/SPN

รูปที่ 1 สถานการณ์การใช้งานทั่วไปสำหรับการส่งต่อ 5G

ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับโมดูลออปติคัลสำหรับสถานการณ์การใช้งานการส่งสัญญาณด้านหน้า 5G มีดังนี้

(1) ตรงตามช่วงอุณหภูมิระดับอุตสาหกรรมและข้อกำหนดความน่าเชื่อถือสูง: เมื่อพิจารณาถึงสภาพแวดล้อมการใช้งานกลางแจ้งทั้งหมดของ AAU โมดูลออปติคอลการส่งผ่านด้านหน้าต้องเป็นไปตามช่วงอุณหภูมิระดับอุตสาหกรรมที่ -40 ℃ ~ + 85 ℃ รวมทั้งกันฝุ่นและ ข้อกำหนดอื่น ๆ

(2) ต้นทุนต่ำ: ความต้องการรวมสำหรับโมดูลออปติคัลใน 5G คาดว่าจะสูงกว่า 4G โดยเฉพาะอย่างยิ่งโมดูลออปติคัลการส่งสัญญาณด้านหน้าหลายสิบล้านรายการ และต้นทุนต่ำเป็นหนึ่งในความต้องการหลักของอุตสาหกรรมสำหรับโมดูลออปติคัล เลเยอร์การเข้าถึงจะใช้โมดูลออปติคัลสีเทาหรือสีเป็นหลักที่ 25Gb/s, 50Gb/s และ 100Gb/s ในขณะที่เลเยอร์รวมและสูงกว่าจะใช้โมดูลออปติคัลสี DWDM มากกว่าที่ 100Gb/s, 200Gb/s และ 400Gb/s

โมดูลออปติคอลการส่งสัญญาณด้านหน้าเป็นส่วนสำคัญของแบริ่งทางกายภาพของลิงค์ CPRI ที่เชื่อมต่อหน่วยประมวลผลเบสแบนด์ (BBU) และหน่วยความถี่วิทยุระยะไกล (RRU) / หน่วยประมวลผลเสาอากาศที่ใช้งาน (AAU) ตั้งแต่ยุค 2G ที่ 1.25Gb/s ไปจนถึงยุค 3G ที่ 2.5Gb/s จนถึงยุค 4G ที่ 6/10Gb/s อัตราโมดูลออปติคอลแบริ่งยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ระยะการส่งข้อมูลส่วนใหญ่ประกอบด้วย 300m, 1.4km และ 10km เป็นต้น . เมื่อมาถึงยุค 5G จำนวนเสาอากาศ AAU เพื่อให้ได้ 8T/8R ถึง 64T/64R สูงขึ้น 8 เท่า แบนด์วิธของพอร์ต null จาก 20MHz เป็น 100MHz หากคงรูปแบบการตัด CPRI ความต้องการแบนด์วิธจะปรากฏเป็น 10Gb / s ถึง 400Gb/s สูงขึ้น 40 เท่า เพื่อลดแรงกดดันด้านแบนด์วิดท์ อุตสาหกรรมได้นำแผนการตัดวงจร eCPRI มาใช้เพื่อปรับใช้การประมวลผลเบสแบนด์ BBU บางส่วนบน AAU ซึ่งจะช่วยลดความต้องการแบนด์วิดท์ระหว่าง BBU และ AAU ด้วยแบนด์วิธว่าง 100MHz และ 64T/64R ตัวอย่างเช่น ความต้องการแบนด์วิธอินเทอร์เฟซเดี่ยวของ 5G ไปข้างหน้าจะลดลงเหลือลำดับความสำคัญที่ 25Gb/s ซึ่งสามารถรองรับได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการนำห่วงโซ่อุตสาหกรรมอีเทอร์เน็ตที่ครบกำหนดแล้วกลับมาใช้ใหม่
ในช่วงแรกของการปรับใช้ 5G ผู้ให้บริการหลักสามรายจะรวมศูนย์ BBU เพื่อลดความจำเป็นในการใช้ทรัพยากรห้องเซิร์ฟเวอร์ จึงทำให้สามารถปรับใช้ได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม สถานการณ์จำลองเครือข่ายการเข้าถึงวิทยุแบบรวมศูนย์ (CRAN) ใช้ไฟเบอร์แกนหลักจำนวนมาก และอุตสาหกรรมจึงเสนอโซลูชันมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) แบบ 25Gb/s เช่น CWDM 6 คลื่น, LWDM/MWDM 12 คลื่น และ 48- คลื่น DWDM เพื่อบรรจบกันและประหยัดทรัพยากรไฟเบอร์ เมื่อ 5G พัฒนาขึ้น โฟกัสของเวอร์ชันถัดไป (Rel 17/Rel 18) จะอยู่ที่ Sub 10GHz คลื่นมิลลิเมตร และคลื่นความถี่อื่นๆ หากจำนวนเสาอากาศและแบนด์วิธของสนามบินเพิ่มขึ้นอีก โมดูลออปติคัลความเร็ว 50Gb/s และความเร็วสูงจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดแบนด์วิธการส่งสัญญาณด้านหน้า

รูปที่ 2 วิวัฒนาการความต้องการตลับลูกปืนเกียร์ด้านหน้า 5G

โมดูลออปติคอลการส่งสัญญาณด้านหน้าส่วนใหญ่มีอัตราความเร็ว 25Gb/s และ 100Gb/s สองประเภท รองรับระยะการส่งข้อมูลทั่วไปหลายร้อยม. ถึง 20 กม. สถานะเทคโนโลยีเฉพาะตามที่แสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2: สถานะของเทคโนโลยีโมดูลออปติคัลส่วนหน้า 5G

ปัจจุบัน อุตสาหกรรมกำลังสำรวจโซลูชันโมดูลออปติคอลฟรอนท์เอนด์เจเนอเรชันถัดไปที่มีความเร็วสูง คุ้มค่า ตรงตามข้อกำหนดด้านอุณหภูมิระดับอุตสาหกรรมระดับฟรอนต์เอนด์ และรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาวมากกว่า 3 ปี โดยความต้องการที่เป็นไปได้แสดงอยู่ใน ตารางที่ XNUMX

ตารางที่ 3 ความต้องการที่เป็นไปได้สำหรับโมดูลออปติคัลใหม่สำหรับการส่งสัญญาณไปข้างหน้า 5G

โมดูลออปติกแบ็คฮอล 5G ส่วนใหญ่ประกอบด้วย 25Gb/s, 50Gb/s, 100Gb/s, 200Gb/s และ 400Gb/s โดยมีระยะการส่งข้อมูลทั่วไปตั้งแต่ไม่กี่กิโลเมตรไปจนถึงหลายร้อยกิโลเมตร รองรับโปรโตคอลอินเทอร์เฟซที่หลากหลาย เช่น CPRI eCPRI, Ethernet และ OTN รวมถึงรูปแบบการมอดูเลต เช่น NRZ, PAM4 และ DMT ตารางที่ 4

ตารางที่ 4: สถานะของเทคโนโลยีโมดูลออปติคัลแบ็คฮอลใน 5G

ด้วยความสมบูรณ์ที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีโมดูลออปติคอล 400Gb/s 30/40 กม. และวิวัฒนาการของโมดูลออปติคัล 800Gb/s ระยะต่อไปของโมดูลออปติคัลแบ็คฮอล 5G จะเผชิญกับโซลูชันใหม่ๆ มากขึ้น ด้วยอายุที่เพิ่มขึ้นของโมดูลออปติคัล 400Gb/s 30/40 กม. และวิวัฒนาการของโมดูลออปติคัล 800Gb/s ระยะต่อไปของ 5G จะเห็นตัวเลือกใหม่เพิ่มเติมสำหรับโมดูลออปติคัลแบ็คฮอล

ตารางที่ 5 ความต้องการที่เป็นไปได้สำหรับโมดูลออปติคัลใหม่สำหรับแบ็คฮอล 5G

ในระยะยาว การวิจัยเทคโนโลยี 6G และการสำรวจการใช้งานยังคงก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง ความสามารถในการรับส่งข้อมูลไปข้างหน้าของ 6G มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก จากรายงานการวิจัยเทคโนโลยี 6G Wireless Hotspot Technology (2020) ระบุว่า 6G จะถูกรวมเข้ากับคลาวด์คอมพิวติ้ง บิ๊กดาต้า และปัญญาประดิษฐ์ และจะมีมิติและความกว้างของการเชื่อมต่อไร้สายเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งสามารถรองรับสถานการณ์การใช้งานต่างๆ เช่น การส่งสัญญาณวิดีโอแบนด์วิธขนาดใหญ่พิเศษ IoT อุตสาหกรรมที่มีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษ และการเชื่อมต่อระหว่างอากาศ-อวกาศ-ท้องฟ้า เป็นต้น ประสิทธิภาพของระบบจำเป็นต้องรองรับอัตราสูงสุด 1Tb/s และอัตราประสบการณ์ผู้ใช้ 1Gb/s และข้อกำหนดการส่งผ่านเครือข่ายการเข้าถึงวิทยุ 6G จะเพิ่มขึ้น 100 เท่าเมื่อเทียบกับอัตราสูงสุดของ 5G และความต้องการใหม่สำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายระหว่างอากาศ-อวกาศ-อวกาศแบบบูรณาการจะต้องใช้ปัจจัย 10 ในแง่ของความสามารถในการรับส่งข้อมูลไปข้างหน้า