超100G波分部署方案研究

王少偉，蔣 明

（1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司湖南省分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100070）

0 引 言

未來網(wǎng)絡(luò)將從以核心網(wǎng)為中心面向連接的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，向以DC為中心面向內(nèi)容和應(yīng)用的方向轉(zhuǎn)型。預(yù)計(jì)到2022年，DC之間的流量占骨干網(wǎng)流量的比重將達(dá)到80%。上述業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的需求均成為下一代以太網(wǎng)速率發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，需要大容量、高密度數(shù)據(jù)傳送及交換處理，對(duì)下一代速率的端到端傳送系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究日益重要，以便能持續(xù)提升全網(wǎng)帶寬容量并降低每比特傳輸成本，滿足運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和投資收益方面的迫切要求。

目前，100GE/100G標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)商用成熟，IEEE、ITU-T以及OIF等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織和論壇紛紛展開下一代以太網(wǎng)速率需求和技術(shù)演進(jìn)方面的研究。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)容量需求和技術(shù)方案可行性，結(jié)合IEEE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，展開超100G波分部署方案的研究，以期為后續(xù)全面商用提供技術(shù)積累。

1 超100G波分關(guān)鍵技術(shù)

由高速傳輸系統(tǒng)的演進(jìn)趨勢(shì)可知，大容量（頻譜效率高）、長(zhǎng)距離和低成本是光傳輸系統(tǒng)永恒不變的追求。100G的頻譜效率是10G的10倍，而頻譜效率的提升是降低每比特傳輸成本的關(guān)鍵。從容量需求角度出發(fā)，200G應(yīng)在頻譜效率上相對(duì)100G提升一倍，并應(yīng)有類似100G系統(tǒng)的傳輸距離。但是，如圖1所示，基于香農(nóng)極限定律，隨著頻譜效率的持續(xù)提升，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖容量已經(jīng)接近物理極限，在100G基礎(chǔ)上提升一倍的譜效率會(huì)導(dǎo)致傳輸距離急劇下降。因此，要實(shí)現(xiàn)200G相對(duì)100G容量提升一倍并維持類似的傳輸距離是一種極端挑戰(zhàn)。

圖1 光傳輸系統(tǒng)的香農(nóng)極限分析

提升光傳送線路速率有3個(gè)技術(shù)途徑，分別為提升單波波特率、高階調(diào)制和多載波技術(shù)[1]。

（1）提升信號(hào)的波特率是提升線路速率最直接的方法，可以直接提高線路速率，并降低單位比特的傳輸成本。由于采用更高的波特率需要分配更大的單通道帶寬，因此單純提升波特率并不能提升頻譜效率（單纖容量）。同時(shí)，受到調(diào)制器、接收機(jī)、ADC/DAC等光電器件的帶寬和采樣率的限制，波特率不可無限制提高。

（2）高階調(diào)制通過將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行振幅或相位調(diào)制提升頻譜效率。雖然高階調(diào)制可以顯著提升系統(tǒng)的頻譜效率，但由于受到香農(nóng)極限的限制，高階調(diào)制對(duì)接收OSNR有更高的要求，這意味著傳輸距離的下降。

（3）在100G及之前的時(shí)代，單載波是主流；在超100G光傳輸上，出于傳輸距離的考慮，多載波將是可行的解決方案。因此，可通過多載波提升線路速率，實(shí)現(xiàn)未來400G乃至T比特以太網(wǎng)的長(zhǎng)距離傳輸。

目前，主流的超100G解決方案通常以100G彈性速率（Flexrate）的方式實(shí)現(xiàn)，即同一塊單板根據(jù)不同傳輸距離通過軟件編程方式選擇合適的調(diào)制編碼格式，盡可能沿用100G產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)有器件，以降低系統(tǒng)升級(jí)成本。通過可編程技術(shù)可以根據(jù)傳輸距離和帶寬容量的需求，靈活匹配最佳線路速率，提升鏈路總?cè)萘康耐瑫r(shí)，降低總功耗和建網(wǎng)成本，如圖2所示。

圖2 可編程技術(shù)

2 超100G波分的部署

2.1 100G升級(jí)至超100G波分技術(shù)特點(diǎn)

從100G波分升級(jí)超100G波分?jǐn)?shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：從100G到超100G波分，光傳送線路速率及頻譜效率得到了極大提升；超100G波分技術(shù)基于現(xiàn)網(wǎng)的G.652/G.655光纜，在無電中繼情況下傳輸距離降低，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)調(diào)整帶來了一定挑戰(zhàn)；超100G波分技術(shù)采用靈活的調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)超100G硬件歸一化，通過軟件編程方式選擇合適的調(diào)制編碼格式，盡可能沿用100G產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)有器件，以降低系統(tǒng)升級(jí)成本。

2.2 組網(wǎng)方案的選擇

目前，400G波分技術(shù)主流采用雙載波16QAM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有G.652/G.655光纜無電中繼500 km以內(nèi)的傳輸。在G6.54E光纜未大規(guī)模部署前提下，需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模改造，實(shí)施難度大、成本高。200G波分技術(shù)相對(duì)更加成熟，目前已廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)無電中繼600～1 000 km傳輸。

目前主流運(yùn)用的碼型有以下3種[2-3]。

碼型1：200G 16QAM，單載波實(shí)現(xiàn)200G，30G波特率，可實(shí)現(xiàn)600 km無電中繼傳輸，傳輸距離和容量較大，適于城域應(yīng)用和中短距干線，是目前城域商用200G傳輸?shù)闹髁鹘鉀Q方案。

碼型2：200G e16QAM，200G e16QAM是基于壓縮熵編碼實(shí)現(xiàn)的200G中長(zhǎng)距傳輸方案。通過單載波實(shí)現(xiàn)200G，30G波特率，可實(shí)現(xiàn)1 000 km無電中繼傳輸，傳輸距離較普通的16QAM方案增加30%，適于國(guó)干和區(qū)域干線，是目前區(qū)域干線商用200G傳輸?shù)闹髁鹘鉀Q方案。

碼型3：200G QPSK，單載波實(shí)現(xiàn)200G，60G波特率，可實(shí)現(xiàn)2 000 km無電中繼傳輸。由于采用高波特率會(huì)占用更大的譜寬，需要光層彈性技術(shù)（flexgrid）的配合。

通過上述硬件不變，軟件可編程方式調(diào)節(jié)線路速率，可以實(shí)現(xiàn)超100G硬件歸一化，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)要求選取合適方案完成現(xiàn)網(wǎng)100G OTN系統(tǒng)的升級(jí)。

2.3 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 引入超100G波分技術(shù)，可有效提升集成度，降低槽位占用和系統(tǒng)功耗

通過200G波分技術(shù)的應(yīng)用可以使系統(tǒng)容量提升一倍到16T，提高波道利用效率[4]。采用單槽位2×200G單板，比現(xiàn)網(wǎng)2×100G線路單板單槽位帶寬提升一倍，單Gbit/s功耗降低40%以上，未來配合單槽位4×100G支路單板（CFP可插拔光模塊），進(jìn)一步節(jié)省電子架槽位，降低功耗。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)帶寬按需靈活調(diào)整，超100G硬件歸一化

采用線路速率100G/200G/400G可編程技術(shù)，通過硬件不變，軟件可編程方式調(diào)節(jié)線路速率，在網(wǎng)絡(luò)前期只需開通低速率滿足當(dāng)前要求。例如，將來隨著帶寬增長(zhǎng)需要更高帶寬、更大容量，無需升級(jí)硬件板卡即可實(shí)現(xiàn)在線業(yè)務(wù)平滑升級(jí)發(fā)放，從而帶來更低的TCO投入。

圖3 與100G波分帶寬及能耗對(duì)比

3 結(jié) 論

隨著200G、400G等超100G波分技術(shù)的日益成熟，超100G波分技術(shù)將逐步部署應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，滿足業(yè)務(wù)高速發(fā)展的需求。因此，需充分了解各種組網(wǎng)方案特點(diǎn)和要求，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)狀況選取合適的組網(wǎng)方案，可在最大程度保護(hù)原有投資的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)。