400G研究如火如荼 2017年將迎來關鍵進展

　　ICCSZ訊  基于100G的OTN/WDM技術自2013年起已在運營商網絡規(guī)模商用，成為干線網和城域網的主流速率。隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的持續(xù)深入，移動互聯(lián)網、高清視頻等新興業(yè)務持續(xù)爆炸性的增長，運營商網絡的傳輸帶寬需求呈不斷上升趨勢，這對于400G等超100G技術和產業(yè)發(fā)展起到了明顯的推動作用。

　　經過數(shù)年發(fā)展，400G技術將在2017年迎來新的發(fā)展態(tài)勢，下面從技術標準、產業(yè)推進、應用需求、關鍵技術等方面進行分析。

　　400G國際、國內標準逐步成熟

　　400G相關國際標準主要在ITU-T、IEEE和OIF三大國際標準組織進行，ITU-T主要對于400G物理層和400G OTN開展標準化;IEEE主要規(guī)范400GE和200GE等客戶側接口;OIF針對互聯(lián)互通和有關光電接口和接收機等展開研究。

　　IEEE802.3主要開展客戶側接口400GE(802.3bs)的標準化工作，并與后來增加的200GE接口同時進行研究。該項目于2014年3月正式立項，在標準討論過程中關于單模光纖的具體光接口技術方案和FEC選擇等爭議較大，導致整個標準化進程滯后于初始計劃，但經過產業(yè)界各方的共同努力，草案D1.0于2015年9月推出，目前已經進入草案D3.0的征求意見階段，預計在2017年底能夠正式發(fā)布標準，具體的標準制定時間計劃表見圖1。

圖1 IEEE 802.3bs標準制定時間計劃表

　　ITU-TSG15的Q6和Q11分別負責超100G物理層和光傳送網(OTN)邏輯層的標準化工作，其中Q6主要把超100G應用的新型物理傳輸技術納入到G.sup39文件之中，但對于超100G的具體物理傳輸參數(shù)的標準化工作尚未開展;Q11主要研究超100Gbit/s OTN的標準化工作，與超100G(包括400G)有關的OTN邏輯結構在2016年3月正式通過的G.709的修訂版中已經體現(xiàn)。另外，隨著IEEE 802.3有關標準的逐步推進，與其相關的映射方式等也將在Q11進一步明確。

　　OIF(光互聯(lián)論壇)的物理鏈層(PLL)工作組主要負責光電模塊及高速接口等標準化工作，2015年已經發(fā)布了“400G應用有關的技術選擇”白皮書，同時也在2016年底立項多個與400G速率相關的項目，其中最典型的包括傳輸距離為120km(ZR)的光接口標準化項目(400ZR Interop，oif2016.400.04)，計劃2018年第3季度完成，以及在FlexE接口中增加200GE和400GE速率的項目(FlexE2.0，oif2016.361.01)等，計劃在2017年年底完成。。另外，OIF目前同時尚有CEI-112G、CEI-56G、靈活相干DWDM傳輸框架、高帶寬相干調制功能、高帶寬集成相干接收機、CFP2-DCO、CFP8-ACO等方面的研究。

　　國內中國通信標準化協(xié)會CCSA TC6的WG1和WG4開展400Gbit/s的標準化研究工作，與國際基本同步，已經在2016年立項了多個與400G系統(tǒng)和器件有關的技術要求和測試方法，預計在2017年將加快研究和標準制定進程。

　　綜上來看，400G有關的國際標準將逐步在2017年成熟完善，國內與系統(tǒng)設備直接相關的標準也已經進入標準研究階段，隨著有關標準的成熟推出，將為后續(xù)400G產業(yè)發(fā)展起到較大的推動作用。

　　400G的研究試點方興未艾

　　國內三大運營商非常關注400G技術的發(fā)展和測試評估，中國移動在2014年率先啟動400G多設備廠家和多光纖類型實驗室測試，驗證了4x100G-QPSK(@125/150GHz)和2x200G-16QAM(@75/100GHz)兩種技術方案，在現(xiàn)網完成了西安-鄭州-信陽兩種光纖的現(xiàn)網測試，結果表明當時的16QAM技術難以滿足省際干線傳輸需要。

　　2015～2016年期間中國移動始終關注400G技術的進一步發(fā)展，同時也對部分新研制的超100G模塊結合ROADM技術進行了初步驗證，預計2017年對于400G技術和性能將進一步開展測試驗證。

　　中國電信2014年下半年完成400G技術實驗室測試，對傳輸能力、系統(tǒng)余量、傳輸代價等指標進行驗證，并在近兩年持續(xù)關注400G技術最新發(fā)展。

　　而中國聯(lián)通從2016年在山東和新疆的一級和二級干線啟動新型光纖和400G現(xiàn)網試點驗證工作，以評估系統(tǒng)的傳輸性能和環(huán)境適應性。在試點過程中將普通光纖和G.654光纖混合組纜，以評估新型光纖的實用性能，其中山東段是管道光纜，長400多公里，新疆段是架空光纜，長140公里。2016年年末到2017年前半年，中國聯(lián)通將開展400G光系統(tǒng)的測試評估工作。從目前的技術與發(fā)展和商用產品驗證來看，400G將成為高速傳輸領域新熱點，原型設備形式多樣，測試和試點應用廣泛開展，

　　400G應用需求逐步明晰

　　從目前的需求現(xiàn)狀來看，400Gbit/s技術的傳輸需求主要來自以下幾個方面：一是IP骨干網和干線光傳送網大容量傳送，根據(jù)相關預測，未來我國運營商干線網流量的年增長率依然會高達40%左右。到2020年核心骨干網帶寬需求將可能達到2011年的20～25倍，鏈路容量可能達到100T，節(jié)點容量有可能超過400T。二是數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，目前比較大的數(shù)據(jù)中心出口帶寬可達到一百～幾百Gbit/s以上，每年還以50%以上的速度在增長，2015年已經開始出現(xiàn)單波長400Gbit/s需求，2020年預計出現(xiàn)1Tbit/s需求。隨著云計算的發(fā)展，使得不同數(shù)據(jù)中心之間的物理界限日益模糊，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的帶寬需求將進一步提升。而行業(yè)專網如現(xiàn)代科學計算高速數(shù)據(jù)網絡、金融網絡金融系統(tǒng)網絡的帶寬需求也在逐年增加，都在推動傳輸容量的進一步提升。

　　目前國內外主流廠商如華為、中興、烽火和諾基亞等均發(fā)布了其400Gbit/s樣機，其他廠家也在積極開發(fā)當中，從了解到的信息來看，目前400Gbit/s傳輸大多采用多波長復用的方案(即2個200G波長拼湊成400G，或4個100G拼成一個400G)，單纖傳輸容量可以從當前的C波段8T提升到12.8T(采用4×100G方案)或者21.3T(采用2×200G方案)。

　　對運營商省際、省內骨干網而言，由于存在1000km以上的超長距離傳輸需求，4×100G方案能夠實現(xiàn)但需要現(xiàn)有系統(tǒng)支持靈活間隔。2×200G則必須結合低損耗或超低損耗光纖以及新型低噪聲光放大器、采用降低頻譜效率的方式等才可能實現(xiàn)。

　　城域網、數(shù)據(jù)中心等的大帶寬互聯(lián)可能率先采用400G，2×200G或4×100G都可達到傳輸容量和傳輸距離的一般需求。對于小容量的匯聚場景，光子集成(PIC)可能是更具競爭力的解決方案。

　　解決方案多樣化，需按需選擇

　　相對于100G技術，400G無論在客戶側還是在線路側均將發(fā)生顯著變化。對于客戶側而言，經過近3年的研究和標準化推進，400GE在邏輯和物理接口結構、傳輸距離、調制格式、單通道波特率等關鍵參數(shù)已達成共識并已寫入IEEE 802.3bs標準。

　　就技術本質而言，400G線路側接口技術面臨的主要問題是傳輸距離和頻譜效率的平衡問題。在技術方案方面，400G線路技術將重用100G成功應用的偏振復用、基于相干的數(shù)字信號處理、相位調制等技術理念，但在具體應用時將面臨兩個主要制約因素：一是由于速率相對于100Gbit/s提升了4倍，如果采用完全相同的技術，那么對于光電器件的帶寬響應也要提升4倍，顯然目前的器件無法滿足;二是傳輸性能問題，速率提升后接口對于光信噪比的要求顯著增高，這就意味著傳輸距離將會明顯縮短。因此，400G技術選擇不僅僅是簡單的100G技術方案拷貝，而是要結合400G實現(xiàn)的限制因素后綜合選擇。

　　對于400G速率面臨的以上兩個問題，目前業(yè)界主要從多方面探索解決，一是傳輸載波不再限制于單個載波，而是引入多子載波的概念將單獨光域載波的傳輸速率降低;二是采用更高階的調制降低實際信號的波特率，譬如引入16-QAM;三是引入特定的復用技術降低傳輸損傷或者波特率等，譬如基于奈奎斯特的子載波復用技術、基于光域或者電域的正交頻分復用(OFDM)技術等。從目前400Gbit/s業(yè)界普遍采用的技術方案來看，基于QPSK調制并采用奈奎斯特濾波的4載波方案、基于16QAM/8QAM/QPSK調制的2載波方案是目前典型的實現(xiàn)方案，同時也有一些短距離傳輸?shù)幕趎-QAM單載波實現(xiàn)方案(譬如OIF的400ZR Interop項目)，而實現(xiàn)較為復雜的OFDM技術應用到400Gbit/s線路側接口的可能性很低，或許在未來超400Gbit/s技術將可能采用。從目前測試驗證和公開報道的結果來看，基于QPSK調制并采用奈奎斯特濾波的4載波方案的傳輸性能與現(xiàn)有的100Gbit/s性能接近，但頻譜效率提升力度不夠，僅提升1.6倍(達到3.2bit/s/Hz)左右，相對于100G技術在集成度和成本方面優(yōu)勢不大，預計實際網絡中應用的可能性較低，而基于2載波的400Gbit/s技術將是城域和干線后續(xù)應用的主流技術，但由于不同調制格式支持的傳輸能力不同(譬如16QAM傳輸距離為600km量級，8QAM為800km量級，QPSK大于1000km)，需要根據(jù)實際傳輸距離、性能和系統(tǒng)成本等需求擇優(yōu)選擇。因此，現(xiàn)有的400G線路側技術方案沒有一種同時兼顧傳輸距離和頻譜效率的最優(yōu)化，只能根據(jù)實際傳輸需求選擇適合的技術方案，同時結合靈活柵格和ROADM等技術實現(xiàn)靈活組網，但這也不排除后續(xù)發(fā)展過程中其他更優(yōu)勢方案的推出。

　　對芯片、器件和光纖等將提出新要求

　　400G技術的技術研究和逐步試點應用將對于高速傳輸技術產業(yè)鏈的持續(xù)完善和發(fā)展起到推動作用，對于器件和光纖介質方面都會有不同程度的影響和推動。

　　首先，400G長距離傳輸目前的主流技術預計將沿用100G器件的工作速率，這將進一步延長100G相關核心器件的生命周期。

　　其次，為了支持400GE客戶接口和400G線路接口的新型調制碼型等，新型支持更高速率的電域和光域芯片、器件、模塊和傳輸設備將不斷研制和推出。

　　再次，為更進一步增加400G線路的傳輸距離，一些更低損耗和更大有效面積的新型光纖、更低噪聲的光放大器等將可能會逐步引入和部署。

　　最后，400G相關產品的應用將與OTN/ROADM、SDN等技術的結合更加緊密，進一步擴展高速傳輸技術的應用模式，同時為未來更高速率傳輸技術的技術研究和產業(yè)化推廣奠定基礎。總之，400G技術未來將逐步推動元器件、模塊、設備、新型光纖、應用部署等相關高速傳輸產業(yè)鏈多個環(huán)節(jié)的進一步發(fā)展和革新。

　　400G技術經過多年的發(fā)展，在技術、標準、產業(yè)等方面都取得了不少進展，2017年隨著技術標準的逐步成熟，相信在關鍵技術和產業(yè)等方面也會逐步取得更大進展，400G技術同時也對于芯片、器件以及光纖介質等有一些新的要求和影響，需要產業(yè)界各方共同努力推動400G技術和產業(yè)的發(fā)展。