面向下一代骨干光傳送的400G技術(shù)及應(yīng)用研究

閆 飛（中國電信集團(tuán)有限公司，北京 100032）

0 引言

近10年互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，流量年均增長率在40%以上，隨著數(shù)字新基建的啟動，5G、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及數(shù)字化辦公、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)容量的增長速度加快。業(yè)務(wù)流量增長推動了骨干網(wǎng)發(fā)展，預(yù)計(jì)骨干網(wǎng)絡(luò)的容量、單節(jié)點(diǎn)的容量增長率均將保持在20%以上。

骨干網(wǎng)絡(luò)需要滿足線路超大帶寬、節(jié)點(diǎn)大容量、靈活調(diào)度等需求，同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、低抖動、低丟包、高可靠、高安全，以支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代千行百業(yè)上云、工業(yè)智造的發(fā)展需求。為實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)目標(biāo)，骨干網(wǎng)需要在技術(shù)和架構(gòu)上持續(xù)創(chuàng)新，引入400 Gbit/s 高速線路、OXC（Optical Cross-Connect）設(shè)備、光電協(xié)同、智能化管控等先進(jìn)技術(shù)。

運(yùn)營商希望在滿足上述需求的同時(shí)，能夠通過技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)頻譜和成本效率最大化，盡可能減少物理空間占用。本文對400G WDM 傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，探索400G WDM 傳輸系統(tǒng)發(fā)展趨勢，結(jié)合400G WDM 在干線和城域的試點(diǎn)情況探討400G 應(yīng)用情況。

1 400G傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

400G WDM 傳輸完成400 Gbit/s 數(shù)據(jù)的端到端傳送，包括客戶側(cè)、400G OTN 封裝映射和400G線路側(cè)光傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

1.1 400G客戶側(cè)技術(shù)

在IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了400G 客戶側(cè)技術(shù)。400G 客戶側(cè)光模塊在傳輸距離上主要包括100 m、500 m、2 km、6 km 和10 km 等規(guī)格。其中10 km 傳輸距離是電信級運(yùn)營商的主要應(yīng)用，在技術(shù)方案上，目前主要有8×50G PAM4 和4×100G PAM4 2 種。8×50G PAM4方案可以滿足10 km傳輸要求，4×100G PAM4可滿足6 km傳輸要求。

1.2 400G OTN封裝映射技術(shù)

400G OTN 主要由服務(wù)層和傳送層構(gòu)成，如圖1 所示。服務(wù)層面向客戶業(yè)務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)顆粒，映射封裝進(jìn)對應(yīng)的低階ODU（LO ODUk 和LO ODUflex）容器，滿足任意業(yè)務(wù)承載需求。

圖1 N×B100G OTN協(xié)議棧（ITU-T G.709）

1.3 400G WDM 線路側(cè)傳輸關(guān)鍵技術(shù)

400G 光系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)80 波干線傳輸，需要突破400G線路側(cè)光模塊、光放大器、光交叉、光系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

1.3.1 400G 線路側(cè)光模塊：向130G+Bd 的QPSK 性能演進(jìn)

400G 線路側(cè)光模塊目前有16QAM、PCS-16QAM和QPSK 3種調(diào)制格式，16QAM 使用60G Bd，適合點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，PCS-16QAM 使用90G Bd，傳輸性能較強(qiáng)，適合城域、省干、中短距省際干線使用，但對于長距省際干線傳輸應(yīng)用，需要采用QPSK 調(diào)制格式，光電芯片的波特率要提升至130G Bd。

1.3.1.1 高速光電器件及合封技術(shù)突破帶寬限制

相干模塊采用傳統(tǒng)分離器件，分離模式阻抗不連續(xù)點(diǎn)多、阻抗不連續(xù)致整體帶寬降低較多，無法支持130G Bd 波特率。如圖2 所示，采用光電合封，將oDSP、調(diào)制器、驅(qū)動器、接收機(jī)等共基板合封，可消除關(guān)鍵阻抗不連續(xù)點(diǎn)，降低反射，提升帶寬。使用合封技術(shù)，帶寬可提升10 GHz 以上，達(dá)到70 GHz，滿足130G Bd的帶寬需求。

圖2 光電合封減少連線阻抗，提升帶寬

1.3.1.2 高性能光算法補(bǔ)償系統(tǒng)損傷，逼近香農(nóng)極限

光電器件指標(biāo)離散性影響性能，端到端傳輸也存在一些損傷，使用常規(guī)方案實(shí)現(xiàn)的模塊性能一般與香農(nóng)極限存在約2 dB 的性能差距。通過DSP 算法對損傷進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)端到端性能最優(yōu)。DSP 算法通過星座整形調(diào)制、器件損傷標(biāo)定、非線性抑制技術(shù)來補(bǔ)償器件一致性指標(biāo)缺陷、串?dāng)_、非線性等問題。通過器件損傷補(bǔ)償、非線性抑制補(bǔ)償?shù)人惴ǎ阅芸商嵘?.5 dB以上。

1.3.2 光放大器：突破材料與工藝，降低噪聲

采用130G Bd波特率的400G QPSK 傳輸波道間隔需要150 GHz，長距傳輸容量需要達(dá)到80波，光纖的工作頻譜要擴(kuò)展到C6T+L6T 波段（C 波段6 THz+L 波段6 THz 共12 THz 頻譜寬度）。業(yè)界已商用的摻鉺光纖在波長超過1 610 nm 后放大性能急劇劣化，需要進(jìn)一步提升光放1 610 nm 波段性能，將增益做到15～30 dB，優(yōu)化噪聲系數(shù)，提升性能。為了在1 610 nm 更長波段獲得更高的增益，摻鉺光纖材料也要突破。采用碲+鉺、鉍+鉺等配方，L 波段放大范圍可擴(kuò)展到6 THz，有效提升L波段長波長放大能力和優(yōu)化噪聲系數(shù)，如圖3所示。

圖3 摻鉺光纖新元素?fù)诫s及工藝突破提升L波段性能

1.3.3 光交叉：控制算法突破使能大帶寬低損耗WSS

波長選擇開關(guān)（Wavelength Selective Switches，WSS）模塊是實(shí)現(xiàn)光信號靈活交叉調(diào)度的核心器件，目前業(yè)界普遍采用基于硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)WSS。

C6T+L6T 波段意味著WSS 需要在更寬的光頻譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多波長的角度偏轉(zhuǎn)，這些需要WSS 控制算法實(shí)現(xiàn)。配合更多像素點(diǎn)的LCoS芯片，需要多維度的創(chuàng)新性控制算法，使能多維度的調(diào)節(jié)，保障當(dāng)LCoS芯片承載更多波長的時(shí)候，插入損耗、端口串?dāng)_和濾波損傷等性能不會有太大的劣化。

WSS 的濾波帶寬由LCoS 橫向分配給單位波長間隔的像素點(diǎn)數(shù)量決定，C6T+L6T波段需要LCoS的像素點(diǎn)達(dá)到2.4K 以上。如圖4 所示，C6T+L6T 波段的WSS有分離和一體化2 種架構(gòu)。分離架構(gòu)的L 波段WSS 可分批部署，減少初期成本，但C 波段和L 波段實(shí)際上是分成2個(gè)平面進(jìn)行交換，調(diào)度靈活性受限；一體化架構(gòu)連纖更簡潔，運(yùn)維更簡單，支持統(tǒng)一C+L光平面調(diào)度。

圖4 C6T/L6T WSS分離及一體架構(gòu)差異

C+L 一體化光交叉的優(yōu)勢為：C6T+L6T 一體化光交叉比C6T WSS+L6T分離式集成度提升一倍，可支持C6T+L6T 全波段無阻塞調(diào)度，光支路側(cè)可支持全波段波長無關(guān)，安裝部署簡單。預(yù)計(jì)1～2 年后可有一體化調(diào)度WSS的商用。

1.3.4 光系統(tǒng)：抑制受激拉曼散射影響，性能最優(yōu)化

受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）會引起短波能量向長波轉(zhuǎn)移，SRS 效應(yīng)大小和波長數(shù)量、波長位置、功率強(qiáng)相關(guān)。在C6T+L6T 系統(tǒng)中，400G波長數(shù)量增加1 倍，SRS 影響變?yōu)? 倍，SRS 效應(yīng)導(dǎo)致的功率、OSNR、非線性變化更明顯。業(yè)界普遍采用填充光應(yīng)對SRS 效應(yīng)對信號光的影響，該方案的優(yōu)點(diǎn)如下。

a）系統(tǒng)性能穩(wěn)定。填充后系統(tǒng)工作在滿波，功率基本不變，性能穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)更安全。

b）運(yùn)維效率高。填充后，提前打通鏈路，全場景可預(yù)測，擴(kuò)容或波長調(diào)度只是簡單的真假波替換過程，不需要耗時(shí)的反饋調(diào)測，效率高。

c）L 波段性能提升，實(shí)現(xiàn)端到端性能和C 波段相當(dāng)。填充后，C 和L 波段都處于滿波狀態(tài)，L 波段通過SRS 效應(yīng)可從C 波段持續(xù)抽取能量，等效功率提升約2 dB，這個(gè)性能收益可以彌補(bǔ)L 波段光放噪聲系數(shù)劣勢。

2 400G傳輸系統(tǒng)發(fā)展趨勢

2.1 擴(kuò)展可利用的新頻譜空間

傳輸技術(shù)的發(fā)展使得光傳輸系統(tǒng)的能力越來越接近于理論極限，新型高頻器件制造工藝的難度也越來越大，單波提速技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)，開拓光纖傳輸系統(tǒng)新的可用頻譜，成為光網(wǎng)絡(luò)行業(yè)實(shí)現(xiàn)傳輸容量擴(kuò)展的創(chuàng)新方向。拓展新波段光纖通信系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)在于開發(fā)能夠滿足新光譜應(yīng)用的光纖放大器。目前，已有支持基于C6T+L6T 波段的光纖放大器。

2.2 突破非線性影響

在WDM 傳輸系統(tǒng)中，受限于光纖的有效面積，即使較小的入射光信號功率也會在光纖中產(chǎn)生光信號與物理信道以及不同信號通道之間的失真等非線性效應(yīng)。

隨著傳輸速率及器件帶寬的提升，信號對非線性失真更加敏感；另一方面，光系統(tǒng)正在占用更寬的頻譜（如C+L），意味著其入纖總光功率相較于僅采用C波段的光系統(tǒng)更大，由此帶來的信號非線性失真效應(yīng)也將更強(qiáng)。因此，信道的非線性補(bǔ)償算法，將是影響下一代光傳輸系統(tǒng)容量進(jìn)一步提升的關(guān)鍵因素。克服光信道非線性信號失真的主要研發(fā)方向包括接近實(shí)際信道的非線性理論模型及準(zhǔn)確且簡潔的非線性補(bǔ)償算法，這也是未來進(jìn)一步提升光纖容量需重點(diǎn)研究的技術(shù)方向。

2.3 網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)度技術(shù)

未來，面向數(shù)據(jù)中心間的協(xié)同計(jì)算，需要考慮T級別大帶寬動態(tài)調(diào)度需求，東西部間傳輸距離遠(yuǎn)，除了光交叉的波長級調(diào)度外，還需從多個(gè)維度提升網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)度能力。

在全光交叉的基礎(chǔ)上，引入OTN 電調(diào)度技術(shù)，讓節(jié)點(diǎn)具備兩層調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)調(diào)度、中繼、匯聚多種功能。波長資源、OTU 線路端口池化部署，管控系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，按需調(diào)度光電資源。

光電跨層調(diào)度開通如圖5所示。當(dāng)光和電跨層打通業(yè)務(wù)時(shí)，需從算路、交叉創(chuàng)建、調(diào)測等維度考慮，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)一鍵式快速開通。

圖5 光電跨層調(diào)度開通

a）光電兩層算路。綜合考慮已有的OCH資源、空閑OTU 端口資源、業(yè)務(wù)SLA 屬性等，使用光電層路由協(xié)同算法，計(jì)算出業(yè)務(wù)路由、資源需求和需要?jiǎng)?chuàng)建的OCH。

b）自動選擇中繼。在光層算路時(shí)，需同步考慮傳輸性能和中繼選擇，通過對光層光參的數(shù)字化建模、精確評估系統(tǒng)收端OSNR、傳輸代價(jià)，自動選擇最佳中繼站點(diǎn)，確定中繼端口和波長分配。

c）交叉創(chuàng)建。完成光電聯(lián)動算路后，把需要?jiǎng)?chuàng)建的光電交叉配置下發(fā)到設(shè)備，使設(shè)備完成光電交叉創(chuàng)建。

d）自動調(diào)測。完成光交叉創(chuàng)建后，自動完成OCH波長的光功率調(diào)測，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動打通。

2.4 數(shù)字孿生和AI使能網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維智能化和自動化

400G WDM 高速光系統(tǒng)更加復(fù)雜，運(yùn)維體系也需要?jiǎng)?chuàng)新，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化和自動化，同時(shí)變被動運(yùn)維為主動防護(hù)，使光網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)一步提升。光網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)維系統(tǒng)在400G 系統(tǒng)上已經(jīng)具備一定的智能化和自動化，整體可采用如圖6所示的架構(gòu)，并逐步演進(jìn)完善。

圖6 智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

物理光網(wǎng)的數(shù)據(jù)底座和AI 算法是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化和自動化的關(guān)鍵?；趯W(wǎng)絡(luò)的感知，將物理光網(wǎng)數(shù)字化，建立數(shù)字孿生系統(tǒng)和各種物理模型，通過模擬仿真、實(shí)時(shí)預(yù)測，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和AI算法，跟蹤過去，預(yù)測未來。

數(shù)字孿生主要的關(guān)鍵技術(shù)如下。

a）光感知打造數(shù)據(jù)底座。通過鏈路、信道、光部件、業(yè)務(wù)4 層光感知體系打造數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底座。為了更快、更全面地進(jìn)行故障預(yù)測、快速調(diào)測、同纜檢測等，除了采集傳統(tǒng)的功率、光信噪比、誤碼率、插損信息外，還需要光系統(tǒng)信息，如鏈路偏振態(tài)、偏振相關(guān)插損、濾波代價(jià)、非線性、時(shí)延、資源狀態(tài)、業(yè)務(wù)質(zhì)量等。

b）模擬仿真，實(shí)時(shí)同步。在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行階段，其狀態(tài)會隨著外界環(huán)境參數(shù)如光纖插損、SOP、業(yè)務(wù)調(diào)度、頻偏等實(shí)時(shí)變化，而數(shù)字孿生模型需要將這些變化實(shí)時(shí)地在數(shù)字空間內(nèi)進(jìn)行同步模擬仿真和計(jì)算。

c）數(shù)據(jù)分析，智能預(yù)測。光物理網(wǎng)絡(luò)中會實(shí)時(shí)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)、AI 等對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識實(shí)現(xiàn)主動異常檢測、預(yù)測性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的智能化和自動化。

在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)根據(jù)不同的場景選取合適的AI 算法，并針對性地進(jìn)行改進(jìn)和適配，典型的AI 算法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、時(shí)間序列預(yù)測算法、聚類算法和邏輯回歸算法等。

3 試點(diǎn)應(yīng)用

筆者參與了同省跨地（市）、跨省的400G WDM 試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證，結(jié)果表明400G WDM 技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，試點(diǎn)驗(yàn)證了400GE 業(yè)務(wù)接入、400G OTN 封裝能力均可以滿足業(yè)務(wù)需求，400G 線路PCS-16QAM 傳輸性能可滿足城域、省干、中短距省際干線應(yīng)用要求，QPSK傳輸性能可滿足長距省際干線傳輸應(yīng)用要求，光層系統(tǒng)的光放、WSS 器件在C6T+L6T 的能力還需要進(jìn)一步的提升。

3.1 打造區(qū)域首張400G全光運(yùn)力網(wǎng)絡(luò)

2022 年打造某區(qū)域首張400G 全光運(yùn)力網(wǎng)絡(luò)，部署分離式全光交叉OXC，采用400G PCS-16QAM 和400G QPSK 2 種調(diào)制格式，開啟自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON），接入100GE、400GE 等多種業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延、超大帶寬、超高可靠、超強(qiáng)智慧、綠色低碳的高品質(zhì)運(yùn)力，助力東數(shù)西算樞紐節(jié)點(diǎn)的超強(qiáng)算力輻射該區(qū)域，實(shí)現(xiàn)“以算興業(yè)”，支撐該區(qū)域數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

3.2 骨干網(wǎng)400G系統(tǒng)試商用

2021 年，某運(yùn)營商采用130 μm2大有效面積光纖的G.654.E 光纖骨干光纜工程竣工。2022 年，該光纜上建設(shè)了400G WDM 系統(tǒng)，在互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)間開通了400GE IP電路，路由器與WDM 間使用10 km（LR8）客戶側(cè)模塊互聯(lián)，線路側(cè)使用PCS-16QAM 調(diào)制格式，充分驗(yàn)證了400GE IP+光的部署可行性和多廠家協(xié)同能力，為后續(xù)廣域網(wǎng)大規(guī)模部署400GE 提供了經(jīng)驗(yàn)。400GE高速端口引入后，光纖資源節(jié)省75%，減少路由間互聯(lián)電路的繞轉(zhuǎn)，可顯著改善骨干互聯(lián)網(wǎng)時(shí)延性能。試商用網(wǎng)絡(luò)中，骨干互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的距離超過2 000 km，為400G WDM 商用部署和路由器400GE接口的應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

隨著云網(wǎng)融合、東數(shù)西算戰(zhàn)略的推進(jìn)，千行百業(yè)上云帶來的流量快速增長促進(jìn)了400G WDN 技術(shù)在QPSK 線路側(cè)、C+L 光系統(tǒng)、一體化WSS 光交叉、智能化運(yùn)維等領(lǐng)域持續(xù)突破和提升性能，隨著400G WDM產(chǎn)品的逐漸成熟，骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)將開始采用400G WDM傳輸演進(jìn)和升級。