400G長(cháng)距啟航在即，800G應用前景可期！

  隨著(zhù)5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等的快速發(fā)展，數據流量呈現指數級增長(cháng)，對網(wǎng)絡(luò )帶寬提出了更高要求。提升光傳輸系統單波速率與傳輸距離、提高光纖通信系統帶寬利用率，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )流量需求，成為運營(yíng)商和設備商的共同追求。400G技術(shù)作為下一代骨干網(wǎng)的核心承載技術(shù)，具備更高傳輸速率、更大帶寬、更好擴展性等優(yōu)勢，能夠滿(mǎn)足大數據中心和通信網(wǎng)絡(luò )日益增長(cháng)的需求，提供更多的數據傳輸通道，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(shù)探索和產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，展現出了廣闊的應用前景，2023年有望迎來(lái)400G規模商用的元年。雖比高飛雁，猶未及青云。在400G有條不紊推進(jìn)的同時(shí)，更高速率——800G/1.6T也在研發(fā)和推進(jìn)中，特別是人工智能點(diǎn)燃算力需求，帶動(dòng)光產(chǎn)品更新迭代，目前已有800G光模塊交付，預計不久將大規模進(jìn)入數通市場(chǎng)，而更高水平的1.6T產(chǎn)品也已提上日程。

  值此400G步入規模商用、800G/1.6T蓄勢待發(fā)的關(guān)鍵節點(diǎn)，通信世界全媒體特推出“高‘光’時(shí)刻即將到來(lái)400G/800G開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò )新紀元”專(zhuān)題策劃，通過(guò)匯集ICT圈的專(zhuān)家、學(xué)者“聲音”，共同推進(jìn)400G產(chǎn)業(yè)成熟、加快800G/1.6T技術(shù)研發(fā)，聚力點(diǎn)亮光通信的高光時(shí)刻。

  信息技術(shù)的快速演進(jìn)與發(fā)展，激發(fā)新興業(yè)務(wù)與應用不斷涌現，新型算力、AI、5G、6G等推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )流量持續高速增長(cháng)。作為新型基礎設施承載底座，光纖通信網(wǎng)絡(luò )骨干線(xiàn)路傳輸技術(shù)不斷革新演進(jìn)，單通路傳輸速率持續提升，根據Omdia公司預測，未來(lái)2~3年超100Gbit/s（不含100Gbit/s）速率網(wǎng)絡(luò )將占據超過(guò)60%的全球相干光傳輸整體市場(chǎng)份額。

  本文重點(diǎn)探討了400Gbit/s和800Gbit/s技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，同時(shí)分析了超高速傳輸“C+L”波段擴展關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展，最后對超高速傳輸技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

  400Gbit/s長(cháng)距應用即將啟動(dòng)

  400Gbit/s技術(shù)繼承了與100Gbit/s類(lèi)似的高階調制、偏振復用、相干接收、數字信號處理等關(guān)鍵技術(shù)，并在發(fā)展過(guò)程中逐步改善提升傳輸能力。

  首先，單載波400Gbit/s技術(shù)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(gè)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。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(wǎng)超長(cháng)距和城域、數據中心互聯(lián)等場(chǎng)景形成差異化的應用優(yōu)勢。

  其次，單載波400Gbit/s技術(shù)采用90GBaud左右光電器件，并結合PCS（概率星座整形）技術(shù)實(shí)現了更長(cháng)的傳輸距離，主流設備廠(chǎng)商都有相關(guān)產(chǎn)品，并且在現網(wǎng)已有部分應用。

  另外，單載波400Gbit/s技術(shù)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(chǎn)業(yè)化發(fā)展的焦點(diǎn)。高性能算法技術(shù)（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(xiàn)傳輸場(chǎng)景，是較為理想的單波400Gbit/s長(cháng)距/超長(cháng)距解決方案。

  CCSA（中國通信標準化協(xié)會(huì )）目前正在進(jìn)行單波超長(cháng)距400Gbit/s的標準化工作，運營(yíng)商在2023年開(kāi)展了多次實(shí)驗室和現網(wǎng)測試驗證，其中中國移動(dòng)近期還啟動(dòng)了國內首次400Gbit/sPM-QPSK集采測試，預計超長(cháng)距400Gbit/s即將開(kāi)啟規模商用。

  800Gbit/s技術(shù)標準有序推進(jìn)

  隨著(zhù)400Gbit/s產(chǎn)業(yè)化的逐步推進(jìn)，業(yè)界將科研聚焦點(diǎn)逐步轉向800Gbit/s及更高速率的技術(shù)研發(fā)和測試驗證，IEEE、OIF、CCSA等標準化組織陸續開(kāi)展相關(guān)標準的研究制定工作。

  國內外主要傳輸設備廠(chǎng)商從2019年開(kāi)始陸續發(fā)布面向800Gbit/s、1.2Tbit/s及1.6Tbit/s等速率的DSP芯片。國內運營(yíng)商和設備廠(chǎng)商等也聯(lián)合開(kāi)展了多次800Gbit/s技術(shù)試驗驗證。

  目前來(lái)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據中心互聯(lián)等應用場(chǎng)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(diǎn)關(guān)注的技術(shù)方案。

  為滿(mǎn)足未來(lái)網(wǎng)絡(luò )部署的數百至數千千米長(cháng)距傳輸需求，800Gbit/s技術(shù)將從多個(gè)方面推進(jìn)技術(shù)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(shù)等增強系統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(shù)手段，進(jìn)一步優(yōu)化傳輸信道，減少傳輸過(guò)程中的損傷和噪聲，顯著(zhù)增強長(cháng)距/超長(cháng)距傳輸能力。

  “C+L”波段拓展技術(shù)加速演進(jìn)

  目前基于90GBaud的400Gbit/s系統一般支持100GHz左右的通道間隔，后續支持長(cháng)距/超長(cháng)距基于128GBaud的400Gbit/s系統，需要占用150GHz的通道間隔。在單波400Gbit/s傳輸能力增加的同時(shí)，頻譜效率會(huì )有所下降，800Gbit/s系統也面臨類(lèi)似問(wèn)題。為了滿(mǎn)足長(cháng)距離傳輸需求，同時(shí)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發(fā)展的重要方向。

  目前業(yè)界積極推動(dòng)“C+L”波段拓展的技術(shù)革新和應用探索。在信號放大方面，目前EDFA的放大頻帶已經(jīng)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(jìn)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(lèi)型的均衡機制；在“C+LWSS”一體化方面，支持多個(gè)波段的WSS并不存在重大技術(shù)障礙，關(guān)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(cháng)響應，目前已實(shí)現12THz一體化的WSS器件；在網(wǎng)絡(luò )規劃設計方面，基于“C+L”擴展波段的超高速光傳輸系統新的架構、功率管理算法及性能評估手段為網(wǎng)絡(luò )規劃設計以及運營(yíng)維護帶來(lái)一些新變化，同時(shí)“C+L”兩個(gè)波段部分器件也在短期內無(wú)法一體化也將會(huì )帶來(lái)一些影響，目前業(yè)界正積極推動(dòng)相關(guān)研究探索。

  長(cháng)期來(lái)看，“C+L”一體化是更為理想的技術(shù)方案，設備成本和集成度也有望極大改善，未來(lái)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(lái)看，400Gbit/s長(cháng)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(wù)與應用推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )流量快速增長(cháng)，光傳輸網(wǎng)絡(luò )持續向更高速率、更大容量、更長(cháng)距離等方向發(fā)展演進(jìn)。

  除了單波長(cháng)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(shù)，進(jìn)一步提升光纖通信網(wǎng)絡(luò )的傳輸能力，夯實(shí)新型基礎設施底座，助力我國數字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

  作者：中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所 湯瑞 趙鑫