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從“工業互聯網”到5G 在剛剛過去的兩會期間，一個被廣泛關注的概念——“工業互聯網”于今年首次被寫入政府工作報告。“工業互聯網”由GE公司最先提出，其核心思想為實現互聯網與機器設備的結合，利用對機器運轉產生的大數據分析，提升機器的運轉效率。 諸如西門子、海爾、格力等傳統制造業龍頭，利用現代通信技術，逐漸形成“制造業+互聯網”的經營模式；而谷歌、微軟等互聯網企業，現在也開始沿著“互聯網+制造業”的方向，進軍消費電子產品、無人駕駛等行業。 上述兩種路徑分別形成了未來工業互聯網的雛形，而這和阿里巴巴總裁馬云提出的“新制造”概念不謀而合：制造業不會消失，只有落后的制造業會消失。在當前更重視制造業的政策環境下，尤其是經過2018年中美貿易摩擦的陣痛之后，去庫存、去產能已成為通信器件商的共識。為進一步提高生產效率，適應日益精細化的客戶需求，“工業互聯網”應運而生。 ◮5G技術指標和典型場景 與傳統印象中以淘寶、京東為代表的消費互聯網不同，工業互聯網通過開放、全球化的網絡將人、數據和機器連接起來，機器變得更加智能，我們可以從機器里面獲得的數據開發出客戶想要的服務。工業互聯網對海量機器之間低延時、高可靠性和安全性的通信提出了更高要求，這就需要第五代移動通信系統(5G)的支持。 舉個某德國研究所的例子：在5G網絡下，對飛機噴氣式發動機所用的扇葉盤進行測試發現，利用毫秒級的低延時能力控制和實時監控生產工藝，可以將打磨時間降低25%, 質量提升20%。 所以, 5G的真正厲害之處不在于幾秒鐘就可以下載一部高清電影，也不是可以實現自動駕駛等現在看上去可能是個泡沫的產業，而是提升工業生產效率，把人、機器設備、工業產品和工業服務互聯互通，通過機器學習實現智能控制、提升產品品質，進一步解決長久以來困擾無數企業家的問題：如何平衡產能和市場需求之間的關系。 很長時間以來，人們期望用技術拉動市場，而現實時常反之——比如物聯網概念的提出由來已久，至今未能妥善落地。為了解決這些箭在弦上的問題，政府一定會不遺余力地發展5G技術，并且會更加務實和謹慎。 5G市場的一些背景雖然當前有很多針對5G的質疑，人們認為實際的5G技術水平并沒有比4G高出多少；但由于政策支持和人口紅利，國內始終是最大的市場，對市場前景筆者還是抱樂觀態度。國內5G市場主要劃分如下： 器件商在生產環節上受核心芯片的制約，在遵守行業相關標準的條件下產品同質化嚴重，由于日趨激烈的競爭環境不得不減少產品利潤以求獲得市場占有率。由于歷史原因，當前絕大部分的光網絡采用的是傳統封閉系統，即網絡中所有硬件設備與控制軟件都來自于一家廠商。 雖然在過去的幾十年里這種系統被證明具有很強的商業可實現性，但是隨著層出不窮的海量業務的出現，運營商希望能擁有更大的網絡自主權，實現軟硬件的徹底解耦。如果運營商能夠完全主導開放性光網絡，這將給更多器件商帶去機會。 業內普遍認為, 2019年將是5G元年。根據GSA統計，截至2018年底，全球197家運營商正在投資（包括測試、試驗、計劃、試驗性部署或已推出）5G移動和5G FWA網絡有226個, 14家運營商已宣布預商用部署或有限可用性啟動非3GPP標準或3GPP標準的5G或5G固定無線接入服務。 5G移動方面，一半以上運營商處于正在測試或試驗階段，已推出服務或宣布預商用的運營商約占7%; 5G固定無線接入方面, 38%運營商處于正在測試或試驗階段, 20%左右運營商已推出可用性有限或非3GPP標準的服務。從2018年至2023年間，運營商5G網絡投資將超2000億美元，而且實際可能遠不止于此。 國外運營商眾多，互聯網資源豐富，美韓等發達市場在5G部署和服務推出方面處于領先地位；如若從社會環境考慮，預測期間主導資本支出的將是中國。 ◮光模塊產業在行業的位置 在更加具有不確定性的5G市場面前, 2018年發生了幾大并購案件：去年3月份, Lumentum斥資18億美元收購Oclaro; 11月，全球第一大光無源器件廠商II-VI以32億美元收購Finisar。商場如戰場，合縱連橫自古存在，面對激烈的收購和競爭，器件商需要拿出對策。 上文已經提到了光器件商的尷尬處境，從芯片研發到通信設備的集成，擁有較好經濟效益的企業尚且選擇了發揮資金優勢、集成各技術平臺以求獲得最優的市場競爭力，這對規模較小的企業來說市場威脅無疑更加致命。 并且值得注意的是，原先的設備商（比如華為、中興）自身也開始研究光模塊產品；這時刻提醒國內器件商堅持技術創新、簡約設計和產品高可靠性以提高產品的綜合競爭力，尤其是在資本和人才遠遠落后的情況下。 國內運營商5G技術方案運營商的動作給國內器件廠商帶來的機會不言自明。隨著移動速率的提高，基站密度越來越高，對承載的光纖網的容量需求和光纖連接的密度需求也越來越高, 5G的競爭實際上正在演變為一場光纖基礎設施的競爭。 以5G前傳場景為例，有機構預測, 5G前傳承載技術中光纖占據70%的市場份額，有源WDM-OTN占領20%的市場，無源WDM占領剩余的10%的市場。 光通信網絡中間的傳輸介質是光纖，在光網絡中投資最大的永遠是光纖資源；由于政策及人口因素，國內的城市等大部分區域光纖資源比較豐富，而鄉村及城外大部分區域光纖資源非常緊缺。 如果說骨干網、核心網好比高鐵干線，那么前傳場景則類似于縣道、村村通——將直接面對無數個終端用戶，因此挑戰甚多。 當前運營給出了3個前傳解決思路。 解決思路 1光纖豐富的區域以光纖直驅為主，一扇區一根光纖(One Fiber One Cell)�？紤]到光纖資源的節省，上下行能保證高精度時間同步，單纖雙向的BiDi模塊更具優勢，采用eCPRI接口。低成本的25G可調諧激光器一直是業界難題，目前尚處于技術攻關期；而在波長選擇上，業界認為1270nm（上行）/1330nm（下行）方案有利于實現低成本。解決思路 2光纖資源稀缺的場景采用無源波分系統，一基站一根光纖(One Fiber One Site)。將一個基站所有業務波長復用至一根或一對光纖進行回傳，由于此處需要大量的彩光模塊，給安裝、備件和維護帶來一些不便，此場景下需要光模塊支持波分復用或是波長可調諧；無源器件可使用基于TFF工藝的5G OMUX。◮應用于5G前傳的5G OMUX 當然更高效的回傳網路是波分復用設備直接下沉至基站，即有源WDM方案，可兼容現網2G/3G/4G業務，且可實現更多L3層業務管理和優化功能，但是這會使得CAPEX（資本支出）增大。 解決思路 3光纖資源極度稀缺的情況下，多基站一根光纖(One Fiber N Sites)。這是一個點到多點的WDM無源方案。比如使用40波長的AAWG，可覆蓋6個基站（每個基站3扇區，共18個AAU, 20波上行、20波下行）。此拓撲結構符合基于PON的光無源網絡，最大限度地利用舊現網ODN網絡。 這三者的優劣勢的對比如上表所示。我國運營商經過多年的網絡建設和優化，已形成較為穩定的城域光纜網, 5G的高速率、低時延等對光纖容量及連接密提出更高要求，對網絡拓撲提出挑戰，光纖基礎設施架構、功能、拓撲和光纖類型都將發生變化。 當前典型的城域接入層光纜拓撲包括點到點、接入主干鏈和主干環等。接入主干光纜的典型纖芯數量為144/288芯，配線段光纜的典型纖芯數量為12/24芯，主要光纖類型為G.652光纖。中國有句古話叫做“因地制宜”，所有的解決方案都應圍繞現有的光纖鋪設資源進行。 面向5G網絡, 25/50/100Gb/s新型光模塊逐漸在前傳、中傳和回傳接入層引入，Nx100/200/400Gb/s高速光模塊將在回傳匯聚和核心層引入。5G光模塊在傳輸距離、調制方式、工作溫度和封裝等方面存在不同方案，需結合應用場景、成本等因素適需選擇。 比如前傳場景下的AAU側光模塊涉及到室外應用，風吹日曬是難免的，這就需要工業級(-40℃~85℃)的模塊產品，這和數據中心的場景不太一樣；再加上前傳光模塊在整體市場中占比較大，在技術上體現實力、在成本上體現人文關懷就自然成了運營商對器件商的殷殷期盼。 5G關鍵技術以及降低成本策略實現低成本、高質量最根本的手段是技術創新，包括網絡架構、物理層光器件、網絡協議等各個方面的創新。 比如4G時代遠端射頻模塊(RRU)和基帶處理單元(BBU)之間的信號傳輸使用CPRI協議, 3GPP對應為5G更高的帶寬需求新出了新標準eCPRI, 前傳接口帶寬被壓縮至25G, 這是在網絡協議層面降低了成本。25G低成本可調諧激光器對產業鏈發展的研究、25G/50G DWDM光模塊的標準化、25G BiDi光模塊的研發是當前亟待解決的難題。 無源器件方面低成本的工業級AAWG仍然是未來WDM-PON網絡乃至整個前傳領域中的重中之重，并且隨著各設備商對布線鏈路預算的日益減少，高斯型AAWG由于低插損的特性被越來越多的客戶所接受，但是在波長偏移量的控制等方面，當前的產品仍不成熟。在鏈路光功率預算滿足時，可考慮使用PLC splitter。 有源器件光模塊是實現光電轉換的關鍵產品，在芯片能力制約的前提下，大容量需求的5G網絡增加光模塊帶寬主要通過波分復用和光纖并行的方式——這些方案都不可避免地增加了系統成本：比如100G單模并行的PSM4采用了四根光纖，相比于CWDM4來說，這是昂貴的，因此標準組織給其定義的是500m傳輸距離而不是其能力范圍內的10km。 ◮易飛揚(gigalight) 100G QSFP28 PSM4（硅光） 我們可不可以通過純粹的技術方式在減少對激光器帶寬和數量的要求的情況下進行擴容操作呢？ 答案是可行的。在更高速率下, PAM4調制結合DSP數字信號處理芯片成為了重要方式——比如5G的中傳網絡和回傳接入層對50Gbit/s速率的光模塊有所需求，考慮到降低成本，基于25G速率激光器和PAM4調制格式的光模塊成為了具有極具吸引力的方案。 PAM4技術的優勢在于不增加帶寬的前提下就能成倍提高比特率，代價在于對噪聲更為敏感。如下圖所示，信噪比(SNR)與信號幅度密切相關；眼圖張開的幅度越小，標志著從接收端以固定的信噪比分辨出原始信號就更加困難。 PAM4技術存在信噪比與信號帶寬之間的權衡，當然我們可以通過模擬CDR或者數字信號處理芯片DSP進行信號補償，具體原理這里略而不表。另外, 50G PAM4產品需要高線性度的電芯片，并且給產品的一致性測試帶來了一定的困難。 ◮PAM4波形圖原理示意 大于80km的場景我們要用到相干傳輸的技術。相干技術以其帶寬大、靈敏度高的優勢成為當前線路側最重要的解決方案之一，高階調制技術（比如DP-QPSK）的使用使得相干光系統比傳統系統擁有更高的頻譜利用率；最重要的是，相干通信對光纖信道沒有要求，我們可以直接使用鋪設好的光纖資源。 但是相干技術是復雜并且昂貴的，如何將應用于遠程骨干網的相干技術簡化，在滿足200km以內的5G回傳網絡要求的前提下盡可能地降低成本，是一個非常好的研究課題。 ◮易飛揚(gigalight)應用于100G CWDM4的極簡設計版mini TOSA 成本方面我們需要注意的幾點• 根據不同傳輸距離和場景選擇不同的產品。短距離的應用場景如果使用支持傳輸100km的激光器那就顯得有些過分。比如OTN客戶側100m以內的傳輸場景我們可以使用基于VCSEL激光器和多模光纖的SR產品, 10km左右的距離我們可以使用DFB激光器等。• 簡潔的器件設計。具體體現在優化無源器件、高度集成模塊內部結構等方面。比如非氣密性環境的激光器芯片不必使用昂貴的氣密性封裝管殼、100G CWDM4產品不采用制冷激光器、抗反射的激光器芯片不再使用隔離器等。 • 核心部件完全國產化，這是降成本的根本。光模塊中的光學引擎、芯片等核心部件的制備我們依舊十分依賴國外，如果我們能夠完全自研核心部件，這將給整個5G市場帶去福音。 對未來市場的預測2018年是驚心動魄的一年，由于中興禁令以及后續貿易戰的影響，全球在內的很多項目發展受到了一定的挫折。 超大規模數據中心、光纖到戶(FTTH)以及DWDM無源器件的蓬勃發展一定程度上挽救了去年的全球銷售額。 5G蓄勢待發，初期部署將從2019年開始，大規模商用將從2020年開始。整個5G建設周期, 5G宏基站數量很可能是4G的1.5~2倍，基站按三扇區考慮，預計整個5G網絡會帶來數千萬量級的25/50/100Gbps高速光模塊用量；進一步考慮我國數據中心巨大的發展空間，電信寬帶用戶3倍于美國，高速光模塊的發展前景則更加可觀。 根據中信證券2017年的預測, 5G整體的光模塊市場將達到306億，比起4G增加了725%; 無線小基站市場份額為3065億，比4G增長了2125%, 如果考慮到毫米波的應用，基站數目還會大幅增加。 光模塊產業是屬于技術驅動型的制造業的一部分，我國相關研究和生產處于全球領先的水平，不乏一些知名企業。由于市場差異，美國市場更重視超大數據中心光模塊的需求，以VCSEL激光器芯片方案為主的短距離多模產品的大量需求給國內一些企業來帶了商機；而中國不同，超大數據中心市場尚未起步，更多以FTTH應用的WDM-PON產品以及DWDM系統的設備升級作為主要業務增長點。 未來五年大部分光傳輸設備支出的增長將來自對200Gbps速率的相干模塊需求�？刹灏�200G CFP-DCO和CFP2-DCO解決方案的升級將有助200G板塊在2019年進一步擴張。咨詢機構Dell’Oro預測，未來五年，相干200G DWDM收入將以30%的復合年增長率增長。 ◮易飛揚(gigalight) 100G CFP DCO相干模塊 半導體技術的革新將有力地推動未來光通信技術的發展。基于晶圓和標準化的CMOS工藝，硅基材料不僅具有高調制帶寬(>30GHz)的技術特性，在器件尺寸、集成規模和成本方面也具有相當的優勢，被業界認為可用來在短距離波分復用和長距離相干傳輸的場景下發揮作用。當前硅光技術被首先應用于數據中心場景的100G PSM4。 傳統100G PSM4方案使用4個25G速率的激光器分別調制4路信號經4根光纖（MPO高密度連接器）傳輸100G的總體速率。引入硅光技術后，調制器和無源光路可以高度集成，大幅節約了芯片成本（光模塊中40%是光芯片成本，其中20%左右的激光器成本節約3/4）。 但是從實際效果來講，當前基于硅光的100G PSM4模塊由于內部結構并沒有實際的變化，在成本和性能上也沒有特別大的提升；硅光技術仍然需要解決光源、封裝和調制速率等問題，產業鏈還需要更加成熟和完善。 總結5G是一個巨大的市場，涉及到的技術和產品眾多。對于5G市場和技術，筆者也是初入門庭。本篇市場分析主要針對5G光模塊產業的一些背景并結合采訪提綱、兩會熱點做出一些觀點性陳述，勉強成文；對于底層技術的理解尚不深刻，行文難免浮夸，如有不當之處，歡迎批評指正。了解更多光模塊信息，請訪問易飛揚gigalight官網：https://www.gigalight.com/cn/ 參考文獻： 1. 華為技術有限公司《開放光網絡傳輸系統關鍵技術》白皮書 2017-3-212. IMT-2020(5G)推進組《5G承載網絡架構和技術方案》白皮書 2018-9 3. 余建軍 遲楠《高速光纖通信中數字信號處理算法原理與應用》（第一卷） 清華大學出版社 |
