400G時代光傳送網(wǎng)的機遇及挑戰(zhàn)

柳 晟 中國移動通信有限公司研究院工程師

李允博 中國移動通信有限公司研究院高級工程師

王 磊 中國移動通信有限公司研究院高級工程師

李 晗 中國移動通信有限公司研究院高級工程師

1 引言

傳送網(wǎng)設備功耗的快速增長，正在成為運營商網(wǎng)絡建設的一個難題。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、視頻等業(yè)務的快速發(fā)展，中國移動骨干網(wǎng)的流量正以每年50%～80%、每5年10～15倍的速度增長。2009—2013年，由于移動服務、集客業(yè)務、家庭寬帶業(yè)務的開展，中國移動骨干網(wǎng)的帶寬從5Tbit/s增長到50Tbit/s，如圖1（a）所示。隨著4G LTE的大規(guī)模部署，無線網(wǎng)絡網(wǎng)速的提升，網(wǎng)絡流量預計將以更快的速度增長，給網(wǎng)絡的建設帶來了更大挑戰(zhàn)。

光傳送網(wǎng)中通常最受關(guān)注的性能是光傳輸設備的傳輸距離和傳輸容量，而在近來的實際網(wǎng)絡建設中，設備的功耗也變得越來越重要，設備供電、散熱受機房環(huán)境制約，最終會影響傳輸設備的實際部署。隨著流量的快速增長，傳輸距離的不斷提高，光傳輸設備的功耗也在迅速增長。

高的功耗帶來了許多負面影響，包括增加網(wǎng)絡運營成本、造成芯片過熱、增加機房供電系統(tǒng)負擔、要求更大的機房架間距離，以及更高要求的空調(diào)制冷等。如圖1（b）所示，由設備和空調(diào)消耗的功耗分別約占傳輸機房總功耗的53%和35%。近些年，為了部署新型大容量光傳輸設備，許多機房被升級到更高標準，這也讓運營商產(chǎn)生了很大的額外開銷。

2 功耗分析

圖1 OTN設備的總功耗和每比特功耗

為了實現(xiàn)業(yè)務靈活調(diào)度，提供各種保護恢復能力，提升線路傳輸效率，省際省內(nèi)骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)核心層中部署的光傳輸設備要求具有大交叉容量和長傳輸距離。作為一種傳輸高速、大顆粒業(yè)務的技術(shù)，光傳送網(wǎng)OTN（Optical Transport Network）設備已經(jīng)廣泛部署在網(wǎng)絡的各個層面，為傳送網(wǎng)的規(guī)劃和管理帶來了很大的靈活性。另一方面，隨著傳輸速率從10G上升到100G，長途傳輸性能也在不斷刷新紀錄，但是OTN設備的高功耗成為網(wǎng)絡建設和運維一個實際面對的問題。圖2說明了在過去的6年中，一個滿配OTN設備的總功耗和每比特功耗的變化趨勢。

圖2 OTN設備的總功耗和每比特功耗

盡管每比特能耗從1.55nJ降低到0.85nJ，設備的總功耗卻從約3900W增長到超過2萬W，設備的交叉容量也從3.2T增長到25.6T。目前，交叉容量最大的25.6T OTN設備的功耗已經(jīng)增長到約2萬W，這給運營商的傳輸機房帶來了很大的功耗壓力。

表1展示了25.6TOTN設備的功耗組成。交叉芯片和Framer芯片分別消耗約11%和20%的總功耗，光模塊消耗約40%的功耗，每個相干100G光模塊需要約70W的功耗，其中有超過1億個邏輯門的光DSP芯片需要40W功耗。從數(shù)據(jù)分析可知，OTN設備中的電子芯片和電子元件將消耗絕大部分的功耗。

為了評估100G和400G傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，中國移動在國內(nèi)率先開展了實驗室測試和現(xiàn)網(wǎng)試點。100G和400G信號分別在G.652、超低損光纖ULL（Ultra Low Loss）和大有效面積光纖 LEAF（Large Effective Area Fiber）上進行傳輸性能測試。超低損光纖的纖芯材料為純二氧化硅，有效面積為90μm2，熔接后的損耗為0.175dB/km。大有效面積光纖的有效面積為120μm2，熔接后的損耗為0.165dB/km。系統(tǒng)方面，100G系統(tǒng)采用PM-QPSK調(diào)制格式，400G系統(tǒng)采用雙載波的PM-16QAM調(diào)制格式。

根據(jù)試驗結(jié)果結(jié)合理論分析，采用PM-QPSK調(diào)制格式的100G系統(tǒng)理論上能夠在G.652光纖上傳輸約4000km（3dB OSNR余量），采用PM-16QAM調(diào)制格式的400G系統(tǒng)能夠在G.652光纖上傳輸約600km。對于超低損光纖和大有效面積光纖，400G的傳輸距離可以被延長到約840km和1100km。PM-16QAM調(diào)制格式的400G系統(tǒng)比PM-QPSK調(diào)制格式的100G系統(tǒng)有更高的頻譜效率，在理論上PM-QPSK的背靠背OSNR容限比PM-16QAM好約6.7dB。而測試結(jié)果表明，PM-16QAM比PM-QPSK需要約8dB更高的OSNR余量，8dB意味著PM-QPSK的傳輸距離是PM-16QAM的6.3倍，因為考慮到電中繼，從理論上等價于PM-16QAM需要6.3倍的板卡才能達到與PM-QPSK相等的總的傳輸距離。考慮到測試中PM-16QAM調(diào)制格式每100G功耗約為PM-QPSK調(diào)制格式功耗的80%，在同樣的總速率、相同的總傳輸距離情況下，PM-16QAM的功耗是PM-QPSK的約5倍，如表2所示。根據(jù)上述分析從功耗的角度看，在相同的傳輸距離和傳輸容量的前提下，采用PM-QPSK的100G系統(tǒng)整體功耗比采用PM-16QAM的400G更好。

3 網(wǎng)絡基礎的變化

目前，業(yè)務對于帶寬的需求持續(xù)增長，100G網(wǎng)絡建設蓬勃發(fā)展，客戶側(cè)出現(xiàn)100GE信號后，400GE信號的應用也指日可待。為了提高傳輸效率，線路側(cè)速率需要從100G向400G演進，但是傳輸距離和功耗是運營商部署400G系統(tǒng)最主要的障礙，需要構(gòu)架新的傳送網(wǎng)的基礎設施，應對新的挑戰(zhàn)。

表1 OTN設備的功耗組成

表2 100和400G系統(tǒng)測試

●更新的電子器件

光傳輸設備中電子集成電路消耗了超過50%的總功耗，所以CMOS工藝的提升對于降低功耗非常重要。光DSP ASIC芯片的邏輯門尺寸將從目前的28nm減小到20nm或更小，每次尺寸更新可降低約30%的功耗。

●硅光技術(shù)發(fā)展

作為傳統(tǒng)光材料的替代，硅光技術(shù)非常具有前景。硅光技術(shù)具有低功耗、高密度、重利用、低成本、高產(chǎn)量CMOS制造工藝的優(yōu)點。由于硅光和28nm CMOS技術(shù)的成熟，相干100G CFP封裝光模塊已經(jīng)商用化，相干100G CFP2封裝光模塊也將預計在1～2年內(nèi)成熟。根據(jù)中國移動2015年1月的測試結(jié)果，相干100G CFP模塊OSNR容限在13dB左右，糾前BER在1.6E-2量級。相干100G CFP的板卡功耗優(yōu)勢較為明顯，相同密度的相干100G CFP板卡功耗相對于100G MSA板卡功耗降低了30%。

●新型傳輸媒介

新型高性能光纖，例如超低損光纖、大有效面積光纖，如果能夠部署在光傳送網(wǎng)中，則能在提高傳輸距離的同時減少成本和功耗。利用拉曼放大器、新型光再生器等技術(shù)，非電中繼距離有望被進一步的提高。

●新型節(jié)點技術(shù)

除了設備和光纖層面，通過優(yōu)化組網(wǎng)方式也能降低網(wǎng)絡的總功耗。目前，業(yè)界已經(jīng)能夠提供方向無關(guān)、顏色無關(guān)、沖突無關(guān)的ROADM器件產(chǎn)品，傳統(tǒng)光交叉技術(shù)的波長沖突問題得到了進一步的緩解。網(wǎng)絡中同時引入光交叉和電交叉，即光電混合交叉，可以在保持OTN電交叉的靈活性的同時，在光層調(diào)度一些波長，減小一些電交叉矩陣和線路板卡的使用。

此外，未來的光傳輸網(wǎng)絡可以為感知型光網(wǎng)絡，能夠隨著網(wǎng)絡流量、業(yè)務路徑、損耗、OSNR、色度色散、偏振模色散的變化，改變網(wǎng)絡的參數(shù)配置。

4 結(jié)束語

在一些實際部署場景，功耗已經(jīng)成為目前運營商部署光傳輸設備的主要限制因素，而不是通常的傳輸距離或容量。對于每比特每單位傳輸距離的功耗，雖然PM-16QAM調(diào)制格式的400G系統(tǒng)有更高的頻譜效率，但是PM-16QAM調(diào)制格式的400G系統(tǒng)比PM-QPSK調(diào)制格式的100G系統(tǒng)有更大的功耗。因此，提升400G傳輸距離成為下一步研究的重點，同時應該升級光傳送網(wǎng)的基礎設施以滿足新的需求，包括部署新型光纖和放大器。

1 T.N.Nielsen,et al.Engineering Silicon Photonics Solutions for Metro DWDM.In Proc.OFC/NFOC 2014

2 TechView.Optical Breakthroughs Put 40/100 Gigabit on the Fast Track.Electronic Design.2010

3 Seb J.Savory.Digital Signal Processing for Coherent Systems.In Proc.OFC/NFOC 2012

4 Christoph Lange,et al.Realistic Energy-saving Potential of Load-adaptive Operation in Conventional and Platform-consolidated Operator Networks.In Proc.ECOC 2013