1/29/2024，光纖在線訊，作者：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)  閆飛。未來，400G光傳輸系統(tǒng)將在100G的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量、降低每比特光傳輸成本和功耗，有效地緩解運(yùn)營商面臨的業(yè)務(wù)流量及網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)增長的壓力。作為承載網(wǎng)絡(luò)流量最大的管道，傳送網(wǎng)需要提供更大的400G單波速率來滿足業(yè)務(wù)的需求。400G QPSK預(yù)計(jì)將成為干線長距傳輸?shù)闹饕�碼型，配合C+L光系統(tǒng)、C+L一體化光交叉，構(gòu)筑超大容量、靈活智能的400G網(wǎng)絡(luò)。

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(dòng)，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(dòng)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(dòng)、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(duì)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。

01.400G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(jí)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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�性能可提�?.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(hào)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(huì)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(huì)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(duì)SRS效應(yīng)對(duì)信號(hào)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。

02. 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(hào)功率也會(huì)在光纖中產(chǎn)生光信號(hào)與物理信道以及不同信號(hào)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(hào)對(duì)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(hào)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�？朔�光信道非線性信號(hào)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(jí)別大帶寬動(dòng)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(jí)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(dòng)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(duì)光層光參的數(shù)字化建模、精確評(píng)估系統(tǒng)收端OSNR、傳輸代價(jià)，自動(dòng)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(dòng)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(dòng)調(diào)測。完成光交叉創(chuàng)建后，自動(dòng)完成OCH波長的光功率調(diào)測，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化，同時(shí)變被動(dòng)運(yùn)維為主動(dòng)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(dòng)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(dòng)化的關(guān)鍵。基于對(duì)網(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(huì)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(huì)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(dòng)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(duì)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。

03.  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(dòng)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 μm?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)。

04.  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 WDM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(jí)。

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作者簡介：
閆飛，碩士，主要從事光傳輸、IP承載網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)工作。

【來源：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)】