從“工業互聯網”到5G光(guāng)模塊市場(chǎng)和(hé)技術

在剛剛過去的(de)兩會期間，一個(gè)被廣泛關注的(de)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，其核心思想爲實現互聯網與機器設備的(de)結合，利用(yòng)對(duì)機器運轉産生的(de)大(dà)數據分(fēn)析，提升機器的(de)運轉效率。

諸如西門子、海爾、格力等傳統制造業龍頭，利用(yòng)現代通(tōng)信技術，逐漸形成“制造業+互聯網”的(de)經營模式；而谷歌(gē)、微軟等互聯網企業，現在也(yě)開始沿著(zhe)“互聯網+制造業”的(de)方向，進軍消費電子産品、無人(rén)駕駛等行業。

上述兩種路徑分(fēn)别形成了(le)未來(lái)工業互聯網的(de)雛形，而這(zhè)和(hé)阿裏巴巴總裁馬雲提出的(de)“新制造”概念不謀而合：制造業不會消失，隻有落後的(de)制造業會消失。在當前更重視制造業的(de)政策環境下(xià)，尤其是經過2018年中美(měi)貿易摩擦的(de)陣痛之後，去庫存、去産能已成爲通(tōng)信器件商的(de)共識。爲進一步提高(gāo)生産效率，适應日益精細化(huà)的(de)客戶需求，“工業互聯網”應運而生。

?5G技術指标和(hé)典型場(chǎng)景

與傳統印象中以淘寶、京東爲代表的(de)消費互聯網不同，工業互聯網通(tōng)過開放、全球化(huà)的(de)網絡将人(rén)、數據和(hé)機器連接起來(lái)，機器變得(de)更加智能，我們可(kě)以從機器裏面獲得(de)的(de)數據開發出客戶想要的(de)服務。工業互聯網對(duì)海量機器之間低延時(shí)、高(gāo)可(kě)靠性和(hé)安全性的(de)通(tōng)信提出了(le)更高(gāo)要求，這(zhè)就需要第五代移動通(tōng)信系統(5G)的(de)支持。

舉個(gè)某德國研究所的(de)例子：在5G網絡下(xià)，對(duì)飛(fēi)機噴氣式發動機所用(yòng)的(de)扇葉盤進行測試發現，利用(yòng)毫秒級的(de)低延時(shí)能力控制和(hé)實時(shí)監控生産工藝，可(kě)以将打磨時(shí)間降低25%, 質量提升20%。

所以, 5G的(de)真正厲害之處不在于幾秒鐘(zhōng)就可(kě)以下(xià)載一部高(gāo)清電影(yǐng)，也(yě)不是可(kě)以實現自動駕駛等現在看上去可(kě)能是個(gè)泡沫的(de)産業，而是提升工業生産效率，把人(rén)、機器設備、工業産品和(hé)工業服務互聯互通(tōng)，通(tōng)過機器學習(xí)實現智能控制、提升産品品質，進一步解決長(cháng)久以來(lái)困擾無數企業家的(de)問題：如何平衡産能和(hé)市場(chǎng)需求之間的(de)關系。

很長(cháng)時(shí)間以來(lái)，人(rén)們期望用(yòng)技術拉動市場(chǎng)，而現實時(shí)常反之——比如物(wù)聯網概念的(de)提出由來(lái)已久，至今未能妥善落地。爲了(le)解決這(zhè)些箭在弦上的(de)問題，政府一定會不遺餘力地發展5G技術，并且會更加務實和(hé)謹慎。

雖然當前有很多(duō)針對(duì)5G的(de)質疑，人(rén)們認爲實際的(de)5G技術水(shuǐ)平并沒有比4G高(gāo)出多(duō)少；但由于政策支持和(hé)人(rén)口紅利，國内始終是最大(dà)的(de)市場(chǎng)，對(duì)市場(chǎng)前景筆者還(hái)是抱樂(yuè)觀态度。國内5G市場(chǎng)主要劃分(fēn)如下(xià)：

器件商在生産環節上受核心芯片的(de)制約，在遵守行業相關标準的(de)條件下(xià)産品同質化(huà)嚴重，由于日趨激烈的(de)競争環境不得(de)不減少産品利潤以求獲得(de)市場(chǎng)占有率。由于曆史原因，當前絕大(dà)部分(fēn)的(de)光(guāng)網絡采用(yòng)的(de)是傳統封閉系統，即網絡中所有硬件設備與控制軟件都來(lái)自于一家廠商。

雖然在過去的(de)幾十年裏這(zhè)種系統被證明(míng)具有很強的(de)商業可(kě)實現性，但是随著(zhe)層出不窮的(de)海量業務的(de)出現，運營商希望能擁有更大(dà)的(de)網絡自主權，實現軟硬件的(de)徹底解耦。如果運營商能夠完全主導開放性光(guāng)網絡，這(zhè)将給更多(duō)器件商帶去機會。

業内普遍認爲, 2019年将是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(hé)5G FWA網絡有226個(gè), 14家運營商已宣布預商用(yòng)部署或有限可(kě)用(yòng)性啓動非3GPP标準或3GPP标準的(de)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(yòng)的(de)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(kě)用(yòng)性有限或非3GPP标準的(de)服務。從2018年至2023年間，運營商5G網絡投資将超2000億美(měi)元，而且實際可(kě)能遠(yuǎn)不止于此。

國外運營商衆多(duō)，互聯網資源豐富，美(měi)韓等發達市場(chǎng)在5G部署和(hé)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(de)将是中國。

?光(guāng)模塊産業在行業的(de)位置

在更加具有不确定性的(de)5G市場(chǎng)面前, 2018年發生了(le)幾大(dà)并購(gòu)案件：去年3月(yuè)份, Lumentum斥資18億美(měi)元收購(gòu)Oclaro; 11月(yuè)，全球第一大(dà)光(guāng)無源器件廠商II-VI以32億美(měi)元收購(gòu)Finisar。商場(chǎng)如戰場(chǎng)，合縱連橫自古存在，面對(duì)激烈的(de)收購(gòu)和(hé)競争，器件商需要拿出對(duì)策。

上文已經提到了(le)光(guāng)器件商的(de)尴尬處境，從芯片研發到通(tōng)信設備的(de)集成，擁有較好經濟效益的(de)企業尚且選擇了(le)發揮資金優勢、集成各技術平台以求獲得(de)最優的(de)市場(chǎng)競争力，這(zhè)對(duì)規模較小的(de)企業來(lái)說市場(chǎng)威脅無疑更加緻命。

并且值得(de)注意的(de)是，原先的(de)設備商（比如華爲、中興）自身也(yě)開始研究光(guāng)模塊産品；這(zhè)時(shí)刻提醒國内器件商堅持技術創新、簡約設計和(hé)産品高(gāo)可(kě)靠性以提高(gāo)産品的(de)綜合競争力，尤其是在資本和(hé)人(rén)才遠(yuǎn)遠(yuǎn)落後的(de)情況下(xià)。

運營商的(de)動作給國内器件廠商帶來(lái)的(de)機會不言自明(míng)。随著(zhe)移動速率的(de)提高(gāo)，基站密度越來(lái)越高(gāo)，對(duì)承載的(de)光(guāng)纖網的(de)容量需求和(hé)光(guāng)纖連接的(de)密度需求也(yě)越來(lái)越高(gāo), 5G的(de)競争實際上正在演變爲一場(chǎng)光(guāng)纖基礎設施的(de)競争。

以5G前傳場(chǎng)景爲例，有機構預測, 5G前傳承載技術中光(guāng)纖占據70%的(de)市場(chǎng)份額，有源WDM-OTN占領20%的(de)市場(chǎng)，無源WDM占領剩餘的(de)10%的(de)市場(chǎng)。

光(guāng)通(tōng)信網絡中間的(de)傳輸介質是光(guāng)纖，在光(guāng)網絡中投資最大(dà)的(de)永遠(yuǎn)是光(guāng)纖資源；由于政策及人(rén)口因素，國内的(de)城(chéng)市等大(dà)部分(fēn)區(qū)域光(guāng)纖資源比較豐富，而鄉村(cūn)及城(chéng)外大(dà)部分(fēn)區(qū)域光(guāng)纖資源非常緊缺。

如果說骨幹網、核心網好比高(gāo)鐵幹線，那麽前傳場(chǎng)景則類似于縣道、村(cūn)村(cūn)通(tōng)——将直接面對(duì)無數個(gè)終端用(yòng)戶，因此挑戰甚多(duō)。

當前運營給出了(le)3個(gè)前傳解決思路。

?應用(yòng)于5G前傳的(de)5G OMUX

當然更高(gāo)效的(de)回傳網路是波分(fēn)複用(yòng)設備直接下(xià)沉至基站，即有源WDM方案，可(kě)兼容現網2G/3G/4G業務，且可(kě)實現更多(duō)L3層業務管理(lǐ)和(hé)優化(huà)功能，但是這(zhè)會使得(de)CAPEX（資本支出）增大(dà)。

這(zhè)三者的(de)優劣勢的(de)對(duì)比如上表所示。我國運營商經過多(duō)年的(de)網絡建設和(hé)優化(huà)，已形成較爲穩定的(de)城(chéng)域光(guāng)纜網, 5G的(de)高(gāo)速率、低時(shí)延等對(duì)光(guāng)纖容量及連接密提出更高(gāo)要求，對(duì)網絡拓撲提出挑戰，光(guāng)纖基礎設施架構、功能、拓撲和(hé)光(guāng)纖類型都将發生變化(huà)。

當前典型的(de)城(chéng)域接入層光(guāng)纜拓撲包括點到點、接入主幹鏈和(hé)主幹環等。接入主幹光(guāng)纜的(de)典型纖芯數量爲144/288芯，配線段光(guāng)纜的(de)典型纖芯數量爲12/24芯，主要光(guāng)纖類型爲G.652光(guāng)纖。中國有句古話(huà)叫做(zuò)“因地制宜”，所有的(de)解決方案都應圍繞現有的(de)光(guāng)纖鋪設資源進行。

面向5G網絡, 25/50/100Gb/s新型光(guāng)模塊逐漸在前傳、中傳和(hé)回傳接入層引入，Nx100/200/400Gb/s高(gāo)速光(guāng)模塊将在回傳彙聚和(hé)核心層引入。5G光(guāng)模塊在傳輸距離、調制方式、工作溫度和(hé)封裝等方面存在不同方案，需結合應用(yòng)場(chǎng)景、成本等因素适需選擇。

比如前傳場(chǎng)景下(xià)的(de)AAU側光(guāng)模塊涉及到室外應用(yòng)，風吹日曬是難免的(de)，這(zhè)就需要工業級(-40℃~85℃)的(de)模塊産品，這(zhè)和(hé)數據中心的(de)場(chǎng)景不太一樣；再加上前傳光(guāng)模塊在整體市場(chǎng)中占比較大(dà)，在技術上體現實力、在成本上體現人(rén)文關懷就自然成了(le)運營商對(duì)器件商的(de)殷殷期盼。

實現低成本、高(gāo)質量最根本的(de)手段是技術創新，包括網絡架構、物(wù)理(lǐ)層光(guāng)器件、網絡協議(yì)等各個(gè)方面的(de)創新。

比如4G時(shí)代遠(yuǎn)端射頻(pín)模塊(RRU)和(hé)基帶處理(lǐ)單元(BBU)之間的(de)信号傳輸使用(yòng)CPRI協議(yì), 3GPP對(duì)應爲5G更高(gāo)的(de)帶寬需求新出了(le)新标準eCPRI, 前傳接口帶寬被壓縮至25G, 這(zhè)是在網絡協議(yì)層面降低了(le)成本。25G低成本可(kě)調諧激光(guāng)器對(duì)産業鏈發展的(de)研究、25G/50G DWDM光(guāng)模塊的(de)标準化(huà)、25G BiDi光(guāng)模塊的(de)研發是當前亟待解決的(de)難題。

無源器件方面低成本的(de)工業級AAWG仍然是未來(lái)WDM-PON網絡乃至整個(gè)前傳領域中的(de)重中之重，并且随著(zhe)各設備商對(duì)布線鏈路預算(suàn)的(de)日益減少，高(gāo)斯型AAWG由于低插損的(de)特性被越來(lái)越多(duō)的(de)客戶所接受，但是在波長(cháng)偏移量的(de)控制等方面，當前的(de)産品仍不成熟。在鏈路光(guāng)功率預算(suàn)滿足時(shí)，可(kě)考慮使用(yòng)PLC splitter。

有源器件光(guāng)模塊是實現光(guāng)電轉換的(de)關鍵産品，在芯片能力制約的(de)前提下(xià)，大(dà)容量需求的(de)5G網絡增加光(guāng)模塊帶寬主要通(tōng)過波分(fēn)複用(yòng)和(hé)光(guāng)纖并行的(de)方式——這(zhè)些方案都不可(kě)避免地增加了(le)系統成本：比如100G單模并行的(de)PSM4采用(yòng)了(le)四根光(guāng)纖，相比于CWDM4來(lái)說，這(zhè)是昂貴的(de)，因此标準組織給其定義的(de)是500m傳輸距離而不是其能力範圍内的(de)10km。

?易飛(fēi)揚(gigalight) 100G QSFP28 PSM4（矽光(guāng)）

我們可(kě)不可(kě)以通(tōng)過純粹的(de)技術方式在減少對(duì)激光(guāng)器帶寬和(hé)數量的(de)要求的(de)情況下(xià)進行擴容操作呢(ne)？

答(dá)案是可(kě)行的(de)。在更高(gāo)速率下(xià), PAM4調制結合DSP數字信号處理(lǐ)芯片成爲了(le)重要方式——比如5G的(de)中傳網絡和(hé)回傳接入層對(duì)50Gbit/s速率的(de)光(guāng)模塊有所需求，考慮到降低成本，基于25G速率激光(guāng)器和(hé)PAM4調制格式的(de)光(guāng)模塊成爲了(le)具有極具吸引力的(de)方案。

PAM4技術的(de)優勢在于不增加帶寬的(de)前提下(xià)就能成倍提高(gāo)比特率，代價在于對(duì)噪聲更爲敏感。如下(xià)圖所示，信噪比(SNR)與信号幅度密切相關；眼圖張開的(de)幅度越小，标志著(zhe)從接收端以固定的(de)信噪比分(fēn)辨出原始信号就更加困難。

PAM4技術存在信噪比與信号帶寬之間的(de)權衡，當然我們可(kě)以通(tōng)過模拟CDR或者數字信号處理(lǐ)芯片DSP進行信号補償，具體原理(lǐ)這(zhè)裏略而不表。另外, 50G PAM4産品需要高(gāo)線性度的(de)電芯片，并且給産品的(de)一緻性測試帶來(lái)了(le)一定的(de)困難。

?PAM4波形圖原理(lǐ)示意

大(dà)于80km的(de)場(chǎng)景我們要用(yòng)到相幹傳輸的(de)技術。相幹技術以其帶寬大(dà)、靈敏度高(gāo)的(de)優勢成爲當前線路側最重要的(de)解決方案之一，高(gāo)階調制技術（比如DP-QPSK）的(de)使用(yòng)使得(de)相幹光(guāng)系統比傳統系統擁有更高(gāo)的(de)頻(pín)譜利用(yòng)率；最重要的(de)是，相幹通(tōng)信對(duì)光(guāng)纖信道沒有要求，我們可(kě)以直接使用(yòng)鋪設好的(de)光(guāng)纖資源。

但是相幹技術是複雜(zá)并且昂貴的(de)，如何将應用(yòng)于遠(yuǎn)程骨幹網的(de)相幹技術簡化(huà)，在滿足200km以内的(de)5G回傳網絡要求的(de)前提下(xià)盡可(kě)能地降低成本，是一個(gè)非常好的(de)研究課題。

?易飛(fēi)揚(gigalight)應用(yòng)于100G CWDM4的(de)極簡設計版mini TOSA

2018年是驚心動魄的(de)一年，由于中興禁令以及後續貿易戰的(de)影(yǐng)響，全球在内的(de)很多(duō)項目發展受到了(le)一定的(de)挫折。

超大(dà)規模數據中心、光(guāng)纖到戶(FTTH)以及DWDM無源器件的(de)蓬勃發展一定程度上挽救了(le)去年的(de)全球銷售額。

5G蓄勢待發，初期部署将從2019年開始，大(dà)規模商用(yòng)将從2020年開始。整個(gè)5G建設周期, 5G宏基站數量很可(kě)能是4G的(de)1.5~2倍，基站按三扇區(qū)考慮，預計整個(gè)5G網絡會帶來(lái)數千萬量級的(de)25/50/100Gbps高(gāo)速光(guāng)模塊用(yòng)量；進一步考慮我國數據中心巨大(dà)的(de)發展空間，電信寬帶用(yòng)戶3倍于美(měi)國，高(gāo)速光(guāng)模塊的(de)發展前景則更加可(kě)觀。

根據中信證券2017年的(de)預測, 5G整體的(de)光(guāng)模塊市場(chǎng)将達到306億，比起4G增加了(le)725%; 無線小基站市場(chǎng)份額爲3065億，比4G增長(cháng)了(le)2125%, 如果考慮到毫米波的(de)應用(yòng)，基站數目還(hái)會大(dà)幅增加。

光(guāng)模塊産業是屬于技術驅動型的(de)制造業的(de)一部分(fēn)，我國相關研究和(hé)生産處于全球領先的(de)水(shuǐ)平，不乏一些知名企業。由于市場(chǎng)差異，美(měi)國市場(chǎng)更重視超大(dà)數據中心光(guāng)模塊的(de)需求，以VCSEL激光(guāng)器芯片方案爲主的(de)短距離多(duō)模産品的(de)大(dà)量需求給國内一些企業來(lái)帶了(le)商機；而中國不同，超大(dà)數據中心市場(chǎng)尚未起步，更多(duō)以FTTH應用(yòng)的(de)WDM-PON産品以及DWDM系統的(de)設備升級作爲主要業務增長(cháng)點。

未來(lái)五年大(dà)部分(fēn)光(guāng)傳輸設備支出的(de)增長(cháng)将來(lái)自對(duì)200Gbps速率的(de)相幹模塊需求。可(kě)插拔200G CFP-DCO和(hé)CFP2-DCO解決方案的(de)升級将有助200G闆塊在2019年進一步擴張。咨詢機構Dell’Oro預測，未來(lái)五年，相幹200G DWDM收入将以30%的(de)複合年增長(cháng)率增長(cháng)。

?易飛(fēi)揚(gigalight) 100G CFP DCO相幹模塊

半導體技術的(de)革新将有力地推動未來(lái)光(guāng)通(tōng)信技術的(de)發展。基于晶圓和(hé)标準化(huà)的(de)CMOS工藝，矽基材料不僅具有高(gāo)調制帶寬(>30GHz)的(de)技術特性，在器件尺寸、集成規模和(hé)成本方面也(yě)具有相當的(de)優勢，被業界認爲可(kě)用(yòng)來(lái)在短距離波分(fēn)複用(yòng)和(hé)長(cháng)距離相幹傳輸的(de)場(chǎng)景下(xià)發揮作用(yòng)。當前矽光(guāng)技術被首先應用(yòng)于數據中心場(chǎng)景的(de)100G PSM4。

傳統100G PSM4方案使用(yòng)4個(gè)25G速率的(de)激光(guāng)器分(fēn)别調制4路信号經4根光(guāng)纖（MPO高(gāo)密度連接器）傳輸100G的(de)總體速率。引入矽光(guāng)技術後，調制器和(hé)無源光(guāng)路可(kě)以高(gāo)度集成，大(dà)幅節約了(le)芯片成本（光(guāng)模塊中40%是光(guāng)芯片成本，其中20%左右的(de)激光(guāng)器成本節約3/4）。

但是從實際效果來(lái)講，當前基于矽光(guāng)的(de)100G PSM4模塊由于内部結構并沒有實際的(de)變化(huà)，在成本和(hé)性能上也(yě)沒有特别大(dà)的(de)提升；矽光(guāng)技術仍然需要解決光(guāng)源、封裝和(hé)調制速率等問題，産業鏈還(hái)需要更加成熟和(hé)完善。

5G是一個(gè)巨大(dà)的(de)市場(chǎng)，涉及到的(de)技術和(hé)産品衆多(duō)。對(duì)于5G市場(chǎng)和(hé)技術，筆者也(yě)是初入門庭。本篇市場(chǎng)分(fēn)析主要針對(duì)5G光(guāng)模塊産業的(de)一些背景并結合采訪提綱、兩會熱(rè)點做(zuò)出一些觀點性陳述，勉強成文；對(duì)于底層技術的(de)理(lǐ)解尚不深刻，行文難免浮誇，如有不當之處，歡迎批評指正。了(le)解更多(duō)光(guāng)模塊信息，請訪問易飛(fēi)揚gigalight官網：https://www.gigalight.com/cn/

參考文獻： 

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