400G骨干全光网面临的机遇和挑战.pdf

专题Topic 400G来了编辑1甄清岚400G骨干全光网面临的机遇和挑战中国电信股份有限公司研究院吕凯盛夏王曦朔刘宇旸李俊杰2008年前后，全光网概念在中国首次出现，全光网、全光城市等愿景随即在全国各地得到广泛宣传。电话和宽带网络均开始在接入层采用光纤替代铜线，即“光进铜退”，这一时期被定义为“全光网1.0”，其核心特征是：城域/本地网以光纤接入（FTTx）技术为核心实现全光接入。2 0 17 年，FTT和百兆入户的比例均超过9 0%，标志着“全光网1.0”的实现。同年，中国电信率先提出“全光网2.0”概念，指出当传输和接入都实现光纤化以后，交换层也引入基于光分插复用设备（ROADM）的全光交换技术后才能构成严格意义上的全光网。2 0 18 年世界光纤通信大会（O F C）上，中国电信首次明确“全光网2.0”的主要特征，包括依托ROADM设备、10 0 Gbit/s和超100Gbit/s相干传输技术、智能波长交换光网络（WSON）控制平面和一跳直达全光架构，实现波长波段级全光调度、分钟级波特率业务发放、秒级恢复跨段数/2 2 dB和毫秒级时延。此后，通道数“全光网2.0”概念通道间隔逐渐被业界接受，内涵也不断丰富。截至今日，中国电信已建成一张覆盖全国的一二干融合的骨干全光交换网络，覆盖了近2 0 0 座城市，包括50 0 个以上的ROADM节点和2 0 0 0 个以上的光放大（O A）节点，标志着“全光网2.0”在骨干网层面进入稳步发展阶段。作为“全光网2.0”的六大核心特征之一，全光传输技术在骨干网中贯彻始终的发展方向是提高传输速率、扩展频谱以及延长无电中继传输距离。近年来，全国一体化算力网络、数据中心等数字基础设施的建设，催生了跨区域节点和中心间的大流量互联需求，推动骨干传输技术进一步演进升级，为中长期面向算力的高品质、确定性运力网络构建坚实的光底座。在此信息技术发展的表140 0 G传输技术标准工作现状电信企标一数据行标中心互联DCI系统城域波分系统调制格式PM-16QAMC4.8T约6 0 GBaud46475GHz时代契机下，40 0 G骨干全光网技术近年来被学术界和工业界广泛讨论，这一技术也被业界普遍认为是骨干传输网络跨越未来十年的技术大代际。基于此，本文将从骨干传输技术的历史发展、40 0 G技术当前所具备的能力以及面临的挑战几方面进行分析，并结合自身的网络需求以及规划思路对中国电信未来骨干全光网络进行展望。骨干40 0 G全光传输技术发展骨干全光传输技术自从进入相干时代以来，已经经历了三代演进。从2011年开始，10 0 GPM-QPSK技术作为主流技术一直应用至今，是跨越十年以上的一个大的技术代际，应用的频谱范围已经从初期的4TH逐步发展到行标（制定中）骨干波分系统PM-16QAMPM-16QAM-PS预计C4.8T/C4T/C4.8TC4.8T+L4.8T约6 0 GBaud预计约9 0 GBaud8预计1740/48预计48/9 6100GHz预计10 0 GHzPM-QPSK预计C6T/C6T+L6T预计约130 GBaud预计2 5/2 0预计40/8 0预计150 GHZ10400G来了 Topic编辑I甄清岚专题表2 40 0 G不同调制格式下的性能等效50 GHz间隔调制波特率波道间隔BTBOSNRG.652光纤入速率格式(GBaud)PM-400GQPSKPCS-400G仿真传输(GHz)容限（dB)纤功率（dBm）BTBOSNRG.652光纤入容限（dB)纤功率（dBm）12815091.610016QAM性能16617.54.511.214.51.21.527*22dB17*22dB4.8THZ，支持8 0 波一9 6 波的波分复用(WDM)传输。从2 0 18 年开始，2 0 0 GPM-QPSK技术进入应用周期，结合6 THz的频谱范围，可以支持8 0 波，共计16 Tbit/s单纤总容量，相比于10 0 G系统实现翻倍。然而200GPM-QPSK技术并未得到大规模应用，仅在部分运营商的省际干线网络以及省内干线网络部署。分析其原因有二：一方面是运营商缺乏2 0 0 GbE业务的直接承载需求，另一方面是在扩展容量方面相对于10 0 G系统成效并不突出。进入2 0 2 3年，40 0 GPM-QPSK技术逐步发展成熟，该技术也被产业界普遍认为是引领骨干传输网的下一个大的技术代际，预计将持续十年。技术演进，标准先行。40 0 G传输的技术标准正在制定过程中，如表1所示，目前已经完成的有中国电信用于数据中心互联（DCI)的波分系统企业标准与中国通信标准化协会（CCSA）城域40 0 G波分系统行业标准。电信DCI企标采用PM-16QAM调制格式，传输波段覆盖C波段4.8 THZ，通道数与通道间隔分别为64与7 5GHz,波特率约为6 0 GBaud,跨段数为4跨（2 2 dB）。CCS A 城域波分行业标准采用PM-16QAM调制格式，传输波段覆盖C波段4THz/4.8THz，通道间隔为10 0 GHZ，通道数为40/48，波特率约为6 0 GBaud，跨段数为8 跨（2 2 d B）。C C S A 中长距40 0 G波分系统行业标准已立项，正在编制过程中，预计将包含PM-16QAM-PS和PM-QPSK两种调制码型。支持PM-16QAM-PS码型的波分系统，预计传输波段覆盖C4.8T/C4.8T+L4.8T,波特率约为9 0 GBaud，跨段数预计为17跨（2 2 dB），通道数预计为48/9 6，通道间隔预计为10 0 GHZ；另一种支持PM-QPSK码型的波分系统，预计传输波段覆盖C6T/C6T+L6T，波特率约为130 GBaud，跨段数预计为2 5/2 0 跨（2 2 d B），通道数预计为40/8 0，通道间隔预计为150 GHZ。从2 0 2 1年起，国内运营商开始在实验室组织40 0 G波分的长距传输测试与实验，40 0 G系统传输性能已基本满足现网使用要求，但未满足“C+L”全波长可调的组网要求。40 0 G波分传输系统的实验室测试均由各运营商的集团公司或研究院牵头完成，实验室测试会综合考虑PM-16QAM-PS与PM-QPSK的验证，波长间隔从10 0 GHz到150 GHz不等，采用G.652.D光纤或G.654.E光纤进行传输，重点关注的是40 0 G波分极限传输能力，以及未来可能会采用的扩展波段方案，如C6T与“C+L波段。与此同时，国内运营商组织40 0 G波分骨干网场景现网试验。省公司的干线测试与实验均采用基于PM-16QAM-PS调制码型的传输系统开展验证，波长间隔为10 0 GHZ，采用G.652光纤传输；集团与研究院的测试与实验会综合考虑基于PM-16QAM-PS与QPSK两种调制码型传输系统的验证，波长间隔从10 0 GHZ到150 GHz不等，会采用G.652光纤或G.654.E光纤进行传输，重点关注干线的传输能力。如表2 与表3所示，量化分析来看，只有40 0 GPM-QPSK调制码型的传输距离能够满足长距传输的要求。选择“C6T+L6T”传输波段可以实现8 0 波传输系统，容量可以进一步翻倍，但是传输能力会出现一定的“牺牲”。相比较而言，40 0 GPM-QPSK C6T与10 0 GPM-QPSK的性表310 0 GPM-QPSK与40 0 GPM-QPSK在不同波段的性能100GPM-QPSK波段C6T性能比较基准理论传输性能31*22dB波道数120单纤容量12Tbit/s400GPM-QPSKC6T相差0.5 1dB2527*22dB4016Tbit/s400GPM-QPSKC6T+L6T相差1.5 2 dB2022*22dB8032Tbit/s11专题Topic 400G来了编辑I甄清岚L能差距为0.5 1dB，是容量提升的固有代价；选择使用L6T波段，光层会额外再带来1dB的系统代价。综合判断，“C6T+L6T”的波段方案更有价值，一是可以实现系统容量翻倍；二是可以实现8 0 波的波长调度能力，更适合ROADM组网。“C6T+L6T”骨干40 0 G全光网面临的主要挑战骨干40 0 Gbit/s全光传输系统选择“C6T+L6T”超宽光谱将主要面临4个方面的挑战。一是“C6T+L6T”光系统调优难题。在具有12 THz超大谱宽的传输系统中，存在强烈的受激拉曼散射（SRS）引起的功率转移效应，短波长光载波的功率在经过几十干米的传输后，传输能量会逐步向长波长光载波进行转移；此外，C波段和L波段的光放大器还存在着增益、噪声系数不一致等问题。如图1所示，对于“C6T+L6T”光传输系统而言，即使在发射端对各个波长进行功率调平，仅经过8 0 km的传输距离后，最长波长和最短波长之间的功率差就能达到7 dB，导致不同波长的接收端信噪比存在明显差异，需要提出新的算法实现“C6T+L6T”宽谱SRS控制。在系统调优时，需要兼顾光放增益倾斜补偿和放大器自发辐射噪声（ASE）噪声填充及控制技术等多方面情况。二是“C6T+L6T一体化高速相干光传输模块难题。当前40 0 G光模块仅能分立支持C6T波段或是L6T波段，不具备“C6T+L6T”一体化条件，主要原因在于目前产业界尚不具备能够连续覆盖12 THZ超宽谱的可调谐激光器模块（ITLA）。当前C波段和L波段采用分立的相关光传输模块，并不影响最初阶段的系统部署，只是对工程和维护带来一定程度的不便，但是最终还是需要实现真正的“C6T+L6T”一体化。中国电信期望ITLA的这一技术难题在未来1 2 年内实现突破，实现一体化“C6T+L6T”相干光模块、备品备件归一化。三是“C6T+L6T”一体化波长选择开关（WSS）模块难题。通过应用2.4K乃至4K的高分辨率硅基液晶（LCoS）设计“C6T+L6T”一体化WSS模块，可以在光层上实现12 THZ一体化打通，为8 0波40 0 Gbit/s波长实现一体化全光调度奠定基础；相比于“C6T+L6T”分体化的WSS设计方案，一体化WSS模块板卡集成度能够提升1倍，用料成本进一步降低。该技术预计将于近期实现突破。四是“C6T+L6T”一体化EDFA模块难题。当前产业能力仅具备提供C6T/L6T分离的EDFA模块，想要实现“C6T+L6T”宽谱增益，需要进行特殊材料掺杂，实现超宽谱L6T波段增益介质材料突破，进而重新设计EDFA增益与斜率参数。“C6T+L6T”一体化EDFA模块的实现，可以使得放大器板卡集成度提升1倍，成本大幅降低。总结与展望骨干光传输正在进入40 0 G时代，SRS能量转移MMMMOSC/OTDRC1511nm近年来进行了多次40 0 G长距的实验室以及现网传输试验，充分验证了其传输能力。综合比较后，40 0 GPM-QPSK被认为是更适用于骨干传输网络中的技术选择，结合“C6T+L6T”超宽光谱，可以构建8 0 波、单纤总容量32 Tbit/s的光传输系统。然而，当前的40 0 G系统技术尚未完全成熟，仍有一些技术需要进一步突破。本文中涉及了四大技术挑战，其中光系统调优以及“C6T+L6T”一体化WSS模块两个难题预计将在2 0 2 3年底到2 0 2 4年上半年期间被解决，“C6T+L6T”一体化相干光模块，预计最早2 0 2 5年可以实现突破，届时可以实现整个光系统的8 0 波一体化全光交换能力。而“C6T+L6T”一体化EDFA目前还面临较大的技术挑战，仍需要业界继续进行攻关突破。中国电信将秉承“云网融合”战略，推动骨干“全光网2.0”的持续演进。一方面将结合相关技术和设备的成熟度，适时开展40 0 G骨干全光网的建设；另一方面将针对“C6T+L6T”骨干40 0 G全光网面临的发展瓶颈，特别是本文列举的4个主要技术挑战，开展全面的新技术研究和现网试点工作，带动产业链持续投入，攻坚克难，尽早实现“C6T+L6T”全光一体化的突破，助力骨干全光网全面进入40 0 G时代。BLOSC/OTDRC1511nm图1SRS效应对于“C6T+L6T光传输系统性能的影响12