隨著5G、物聯(lián)網、云計算等的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級增長,對網絡帶寬提出了更高要求。提升光傳輸系統(tǒng)單波速率與傳輸距離、提高光纖通信系統(tǒng)帶寬利用率,以滿足不斷增長的網絡流量需求,成為運營商和設備商的共同追求。400G技術作為下一代骨干網的核心承載技術,具備更高傳輸速率、更大帶寬、更好擴展性等優(yōu)勢,能夠滿足大數(shù)據(jù)中心和通信網絡日益增長的需求,提供更多的數(shù)據(jù)傳輸通道,更好地支持高密度集成和低能耗解決方案。
目前,我國400G技術探索和產業(yè)發(fā)展如火如荼,展現(xiàn)出了廣闊的應用前景,2023年有望迎來400G規(guī)模商用的元年。雖比高飛雁,猶未及青云。在400G有條不紊推進的同時,更高速率——800G/1.6T也在研發(fā)和推進中,特別是人工智能點燃算力需求,帶動光產品更新迭代,目前已有800G光模塊交付,預計不久將大規(guī)模進入數(shù)通市場,而更高水平的1.6T產品也已提上日程。
值此400G步入規(guī)模商用、800G/1.6T蓄勢待發(fā)的關鍵節(jié)點,通信世界全媒體特推出“高‘光’時刻即將到來400G/800G開啟網絡新紀元”專題策劃,通過匯集ICT圈的專家、學者“聲音”,共同推進400G產業(yè)成熟、加快800G/1.6T技術研發(fā),聚力點亮光通信的高光時刻。
信息技術的快速演進與發(fā)展,激發(fā)新興業(yè)務與應用不斷涌現(xiàn),新型算力、AI、5G、6G等推動網絡流量持續(xù)高速增長。作為新型基礎設施承載底座,光纖通信網絡骨干線路傳輸技術不斷革新演進,單通路傳輸速率持續(xù)提升,根據(jù)Omdia公司預測,未來2~3年超100Gbit/s(不含100Gbit/s)速率網絡將占據(jù)超過60%的全球相干光傳輸整體市場份額。
本文重點探討了400Gbit/s和800Gbit/s技術發(fā)展態(tài)勢,同時分析了超高速傳輸“C+L”波段擴展關鍵技術進展,最后對超高速傳輸技術的未來發(fā)展進行了展望。
400Gbit/s長距應用即將啟動
400Gbit/s技術繼承了與100Gbit/s類似的高階調制、偏振復用、相干接收、數(shù)字信號處理等關鍵技術,并在發(fā)展過程中逐步改善提升傳輸能力。
首先,單載波400Gbit/s技術采用了基于64GBaud器件的PM-16QAM方案,特別是2016年OIF(光互聯(lián)論壇)立項400ZR項目后,400Gbit/sPM-16QAM方案成為整個業(yè)界關注的熱點。鑒于400Gbit/s單載波PM-16QAM方案采用與200Gbit/sPM-OPSK方案相近的波特率,DSP(數(shù)字信號處理)等核心芯片和器件能夠重用,兩者協(xié)同發(fā)展能在骨干網超長距和城域、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等場景形成差異化的應用優(yōu)勢。
其次,單載波400Gbit/s技術采用90GBaud左右光電器件,并結合PCS(概率星座整形)技術實現(xiàn)了更長的傳輸距離,主流設備廠商都有相關產品,并且在現(xiàn)網已有部分應用。
另外,單載波400Gbit/s技術采用128GBaud左右光電器件基于PM-QPSK調制格式已基本成熟,是目前產業(yè)化發(fā)展的焦點。高性能算法技術(如損傷補償、高性能FEC)的突破,使得PM-QPSK單載波400Gbit/s的50GHz等效背靠背OSNR(光信噪比)容限性能可以達到11dB左右,從而獲得和當前基于PM-QPSK的100Gbit/s相近的傳輸性能,能夠覆蓋大部分國內干線傳輸場景,是較為理想的單波400Gbit/s長距/超長距解決方案。
CCSA(中國通信標準化協(xié)會)目前正在進行單波超長距400Gbit/s的標準化工作,運營商在2023年開展了多次實驗室和現(xiàn)網測試驗證,其中中國移動近期還啟動了國內首次400Gbit/sPM-QPSK集采測試,預計超長距400Gbit/s即將開啟規(guī)模商用。
800Gbit/s技術標準有序推進
隨著400Gbit/s產業(yè)化的逐步推進,業(yè)界將科研聚焦點逐步轉向800Gbit/s及更高速率的技術研發(fā)和測試驗證,IEEE、OIF、CCSA等標準化組織陸續(xù)開展相關標準的研究制定工作。
國內外主要傳輸設備廠商從2019年開始陸續(xù)發(fā)布面向800Gbit/s、1.2Tbit/s及1.6Tbit/s等速率的DSP芯片。國內運營商和設備廠商等也聯(lián)合開展了多次800Gbit/s技術試驗驗證。
目前來看,采用90~100GBaud光電器件、基于PCS-64QAM調制是目前800Gbit/s較為成熟的方案,可以支持城域內較短距離傳輸以及數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等應用場景。采用120GBaud或更高波特率器件、基于PM-16QAM調制格式的800Gbit/s是目前標準組織重點關注的技術方案。
為滿足未來網絡部署的數(shù)百至數(shù)千千米長距傳輸需求,800Gbit/s技術將從多個方面推進技術革新,包括采用抗噪聲能力更強的低階調制格式,采用高性能補償算法,采用增強型FEC技術等增強系統(tǒng)抗噪聲和損傷的能力,采用超低損、大有效面積光纖以及混合放大、全拉曼放大等多維技術手段,進一步優(yōu)化傳輸信道,減少傳輸過程中的損傷和噪聲,顯著增強長距/超長距傳輸能力。
“C+L”波段拓展技術加速演進
目前基于90GBaud的400Gbit/s系統(tǒng)一般支持100GHz左右的通道間隔,后續(xù)支持長距/超長距基于128GBaud的400Gbit/s系統(tǒng),需要占用150GHz的通道間隔。在單波400Gbit/s傳輸能力增加的同時,頻譜效率會有所下降,800Gbit/s系統(tǒng)也面臨類似問題。為了滿足長距離傳輸需求,同時兼顧傳輸容量和效率,擴展C/C+波段和擴展L波段是當前超高速傳輸系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。
目前業(yè)界積極推動“C+L”波段拓展的技術革新和應用探索。在信號放大方面,目前EDFA的放大頻帶已經從C波段4THz擴展到6THz,支持L波段6THz高功率增益均衡放大的EDFA還有待于進一步成熟完善;在功率均衡方面,目前正在探索基于光放大器的自適應功率迭代算法、填充波道等方式,以及其他類型的均衡機制;在“C+LWSS”一體化方面,支持多個波段的WSS并不存在重大技術障礙,關鍵是優(yōu)化LCoS(硅基液晶)、透鏡、光柵和WSS內部其他組件的波長響應,目前已實現(xiàn)12THz一體化的WSS器件;在網絡規(guī)劃設計方面,基于“C+L”擴展波段的超高速光傳輸系統(tǒng)新的架構、功率管理算法及性能評估手段為網絡規(guī)劃設計以及運營維護帶來一些新變化,同時“C+L”兩個波段部分器件也在短期內無法一體化也將會帶來一些影響,目前業(yè)界正積極推動相關研究探索。
長期來看,“C+L”一體化是更為理想的技術方案,設備成本和集成度也有望極大改善,未來發(fā)展值得期待。
總結與展望
從高速光通信的整體發(fā)展態(tài)勢來看,400Gbit/s長距啟航在即,800Gbit/s應用前景可期。新型算力、5G、6G、AI等創(chuàng)新業(yè)務與應用推動網絡流量快速增長,光傳輸網絡持續(xù)向更高速率、更大容量、更長距離等方向發(fā)展演進。
除了單波長速率不斷邁向更高的1.2Tbit/s、1.6Tbit/s之外,還應結合多波段擴展、空分復用、空芯光纖等擴容技術,進一步提升光纖通信網絡的傳輸能力,夯實新型基礎設施底座,助力我國數(shù)字經濟高質量發(fā)展。
作者:中國信息通信研究院技術與標準研究所 湯瑞 趙鑫
新聞來源:通信世界
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