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5G发展加大电信市场对光模块需求,光模块行业发展前景广阔

发布时间:2018-11-19 点击数:78
光通信系统以光纤作为传输介质,因此传输的信号是光信号,但对信息作分析处理时必须转换成电信号才能进行。光模块是实现光通信系统中光信号和电信号转换的重要器件。光模块可以按照封装方式、传输速
率、传输速率和波长等多种方式进行分类。

光模块主要用于电信领域和数据中心领域,在安防监控、广播电视、智能电网等领域应用逐步得到推广。在电信领域,光通信系统已经在骨干网、城域网、接入网(包括 FTTx 和无线接入网 RAN)得到了广泛应用,电信领域的光模块通常对传输距离有较高的要求。在数据中心中,光模块主要用于数据中心内部服务器、存储设备之间的互联,供数据中心使用的光模块要求传输速率快,但是传输距离相对较短。

表 1:光模块主要分类情况

分类方式

主要类别

按功能划分

发射模块(transmitter)、接收模块(receiver)、收发一体模块(transceiver)


按封装方式划分

1×9、GBIC、SFF、SFP、X2、XFP、SFP+、CSFP、CFP、QSFP、QSFP+、SFP28、QSFP28、

SFP56、OSFP、QSFP-DD 等

按速率划分

1.25Gps、2.5Gps、10Gps、25Gps、40Gps、100Gps、200Gps、400Gps 等

按传输协议类型划分

SDH/SONET、Ethernet、Fiber Channel 等

按传输距离

SR、LR、IR、ER、ZR、SR4、LR4、IR4、ER4、LX4 等

按光波传输方式

单波长通信系统用光模块、波分复用系统用光模块(分为 CWDM、DWDM 两种)

按载波波长(对单波长通信系统)

850nm、1310nm、1550nm 等

按激光器/探测器类型

激光器类型:VCSEL、FP、DFB 等;探测器类型:PIN、APD 等

按网络拓扑结构划分

点对点光模块、点对多点光模块

光纤入户逐步进入稳定升级期,5G 发展驱动电信市场光模块需求

随着人们更加频繁参与互联网活动,数据存量和流量均呈现几何数的增长,根据 Cisco VNI 报告,2016 年全球 IP 流量为 96EB/月,2021 年全球 IP 流量将达到 278.11EB/月,2016-2021 年CAGR 为 24%,其中固网流量达 187.39EB/月,CAGR 为 23%,移动流量达 48.27 EB/月,CAGR 为 46%。Cisco 在 2017 年对未来全球
IP 流量各个部分的预测值均高于 2016 年的预测值。

目前,ITU 和 3GPP 等均在积极推进 5G 标准制定和完善,国内三大运营商也先后公布 5G 时间表,现在5G 技术研发试验第三阶段工作已经在有序进行,预计 2020 年可实现 5G 商用。5G 的发展将带来对带宽需求的提升,并带动新一轮通信基础设施的投资高峰,成为驱动光模块市场增长的重要推动力。


相对于 4G 而言,5G 的组网更加灵活,根据中国电信《5G 时代光传送网技术白皮书》,在 5G 时代,核心网将从省网下沉到城域网,原先的 EPC(演进型分组核心网)将拆分为 New Core 和 MEC(移动边缘计算)两部分。在 RAN(Radio Access Network,无线接入网)方面,4G 的BBU(Building Baseband Unit,室内基带处理单元)将被拆分为 CU(集中单元)和 DU(分布单元),其中 CU 侧重于处理非实时信息,DU 侧重于处理时延敏感的底层信息,一个 CU 可以与多个 DU 连接,同时 DU 和CU(或者 RRU/AAU,AAU 为RRU 与天线的结合)可以分开部署、也可以集中部署。
在 5G 的网络架构下,New Core 和 MEC 之间、各个 MEC 之间、CU 和 MEC 之间、CU 和 DU 之间、DU 和 RRU/AAU 之间均存在或可能存在连接需求,这在 4G 网络架构中并不存在,各个单元的连接通过光纤实现,因而 5G 对光模块的需求将有较大幅度的增加。
与 4G 技术相比,5G 的数据传输速率是 4G 的多倍,5G 将会带来较大的光模块需求,不仅量会增加,平均价格也会提升,主要原因是光模块速率将从 4G 时期的 6G、10G 为主向 25G、50G 为主转变,而回传网络将会部署 200G 和 400G 高速光模块,这些将带来巨大的增量市场。

4G 和 5G 承载网架构比较

图:4G 和 5G 承载网架构比较

C-RAN 不同网络结构示意图

图:C-RAN 不同网络结构示意图


我国大陆地区基本的 FTTH 建设已经完成,FTTH 建设已经从大规模部署转向稳定升级,今后对光模块的需求的主要驱动因素将来自与无线领域(由 5G 驱动)和数据中心领域,Lightcounting 预计我国光模块市场规模(包括有源光缆)将由 2017 年的 16 亿美元增长到 2023 年的 35 亿美元,CAGR 为 13.9%。在光模块市场结构方面,FTTx 对光模块的需求占比将明显下降,预计将由 2017 年的 38%下降到 2023 年的 23%,无线领域对光模块的需求将由 11%提升到 18%,以太网领域(主要是数据中心)将成为光模块需求的最大来源,
2023 年占比达 39%。

2017 年我国光模块应用占比预测
图:2017 年我国光模块应用占比预测


2023 年我国光模块应用占比预测

图:2023 年我国光模块应用占比预测


在电信市场,根据 Lightcounting 预计,2017 年全球FTTx 和无线接入市场对光通信设备的采购约为 1 亿台,对应光模块/光器件的销售收入为 13 亿美元,同比下降 22%,这种下降主要是大部分国家 LTE 网络升级已经完成,同时中国 FTTx  推进出现了中断。Lightcounting  预测 2018-2022 年全球光模块/光器件销售收入

CAGR 约为 12%,2018 年的增长主要受益于中国 FTTx 加快推进,2019-2022 年的增长则主要由 5G 网络的建设驱动。



数据通信领域是光模块市场重要增长点

根据 Cisco GCI 报告,2016 年全球数据中心 IP 流量约为 6.82ZB/年,预计到 2021 年达到 20.56ZB/年, 2016-2021 年 CAGR 为 24.69%。2021 年,预计数据中心到用户之间的流量约为 3.06ZB/年,CAGR 为 25.2%; 数据中心之间流量约为 2.80ZB/年,CAGR 为 32.7%;数据中心内部流量约为 14.70ZB/年,CAGR 为 23.4%。Cisco 还预测全球超级数据中心将从 2016 年 338 个增长到 2020 年的 628 个,超级数据中心的服务器数量占全部数据中心服务器的比重将从 27%增长到 53%。

2015-2021 年数据中心 IP 流量情况及预测

图:2015-2021 年数据中心 IP 流量情况及预测

2015-2021 年全球超级数据中心数量及预测

图:2015-2021 年全球超级数据中心数量及预测

随着虚拟化、云计算等技术的兴起,大型数据中心逐步居于主导地位,数据中心的网络架构逐渐由传统三层拓扑网络向叶脊拓扑网络演进。
传统三层网络由底层的接入层(Access)、中层的汇聚层(Aggregation)和上层的核心层(Core)组成, 其中,接入层是向本地网段提供工作站接入,为服务器提供连接;汇聚层是提供接入层之间、接入层与核心层的连接;核心层提供汇聚层之间的高吞吐量连接、同时与骨干网连接(核心层可与汇聚层合并)。这种三层拓扑结构适用于数据中心与外部的数据传输(纵向传输),但是不利于数据中心内部的数据传输(横向传输),主机间传输需经过多台网络设备,造成较大的延迟性甚至阻塞数据传输。
传统三层网络结构

图:传统三层网络结构

叶脊拓扑网络是两层结构,包括脊交换机(spine)和叶交换机(leaf),数据中心与外部的连接可以通过(边缘)脊交换机或(边缘)叶交换机实现。在该结构下,每台脊交换机与每台叶交换机之间都要进行连接。相对于传统结构而言,叶脊网络扩大了接入层和汇聚层,主机之间的连接通道数量大大增加,数据传输的效率得到了有效提升。叶脊网络下,脊交换机、叶交换机的数量与交换机的接口数量有关,同时也需要满足收敛比要求(收敛比:交换机的下行链路带宽和上行链路带宽的比值,数据中心一般要求不超过 3:1),一个叶脊网络的设备数量可由下列公式得到:
脊交换机的数量=叶交换机的上行链路端口数

叶交换机的数量=脊交换机的下行链路端口数
服务器的数量=叶交换机的下行链路端口数×叶交换机的数量

在传统结构中核心层和汇聚层、汇聚层和接入层的连接,以及叶脊结构下的脊交换机和叶交换机之间的连接都需要通过光纤实现。采用叶脊结构,连接相同数量服务器所需要的网络设备数量更多(如果服务器规格相同),同时由于要求每台脊交换机和每台叶交换机之间都实现连接(传统结构不需要每台接入层交换机和每台汇聚层交换机互联),因而对光模块的需求将成倍提升(按照图 19 传统三层网络结构的连接方式,骨干层与汇聚层连接需要光模块 2*6=12 对,汇聚层和接入层连接需要光模块 3*2*4=24 对,共需要 36 对光模块;如果按照叶脊结构的连接方式,为保持可比性,采用 6 个脊交换机,12 个叶交换机,实现连接需要光模块 6*12=72 对)。

典型叶脊拓扑网络结构
图:典型叶脊拓扑网络结构

根据 Lightcounting 在 2017 年 10 月底发布的报告,预计 2017 年全球光模块/光器件销售收入与 2016 年基本持平,云计算市场继续增长,电信市场出现了下降,主要是因为中国市场需求下降明显,华为和中兴在2016 年积累的较多库存。在该报告中,Lightcounting 预计 2017 年光收发模块销售收入约为 62 亿美元,同比增长 3%,其中以太网收发模块增长率有望达到 17%。在 2016 年 10 月的报告中,Lightcounting 预测 2017-2021 年全球电信市场光模块/光器件销售收入 CAGR 约为 10%左右,而 2017-2021 年全球云计算中心市场光模块/光器件销售收入平均增速约为 20%左右,光模块/光器件在云计算中心市场增速远快于电信市场。
全球主要网络内容服务商(ICP)资本开支迅速增长,Lightcounting 数据显示,2017 年第三季度,阿里巴巴、Facebook、Google 在基础设施的投资分别增长 142%、62%、39%,Facebook 还披露其 2018 年资本支出约为 2017 年的 2 倍。

2010-2022 年全球光模块/光器件市场销售收入构成及预测

图:2010-2022 年全球光模块/光器件市场销售收入构成及预测



2.1 光模块速率不断升级,400G 逐步商业落地

根据Ethernet Alliance 和 IEEE,目前单通道SFP 光模块速率已经达到 50G,通过采用多通道的方式,光模块速率已经能够达到 400G,单通道 100G SFP 光模块正在研发之中。
IEEE 在 2015 年已经发布 400G 的初稿,并之后启动了 400Gb/s 光模块和器件等标准化工作,同时在 2016-2017 年正式发布了 400G 标准。光子集成和电子集成、ADC/DSP 技术将是 400G 光通信模块以及系统商用化的关键。在未来 2-3 年内,随着技术逐渐走向成熟以及相关标准的讨论和制定,400G 系统商用的序幕也即将拉开。400G 光模块产品的普及和商用将逐步加速落地实现。
Lightcounting 预测亚马逊、Facebook、谷歌、微软对以太网光模块的需求总量在 2022 年达到 20 亿美元, 占全球需求量的 30%,就短期来看,100G 光模块仍是这几家 ICP 采购光模块的主要类型,预计到 2020 年左右达到峰值,而 200G/400G 产品销售收入有望在 2018 年形成规模,在 2019-2022 年实现快速增长。

光模块速率演进图
图:光模块速率演进图

亚马逊/Facebook/谷歌/微软对光模块采购及预测
图:亚马逊/Facebook/谷歌/微软对光模块采购及预测




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