400G研究如火如荼 2017年將迎來(lái)關(guān)鍵進(jìn)展

　　ICCSZ訊  基于100G的OTN/WDM技術(shù)自2013年起已在運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )規模商用，成為干線(xiàn)網(wǎng)和城域網(wǎng)的主流速率。隨著(zhù)“寬帶中國”戰略的持續深入，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等新興業(yè)務(wù)持續爆炸性的增長(cháng)，運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )的傳輸帶寬需求呈不斷上升趨勢，這對于400G等超100G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了明顯的推動(dòng)作用。

　　經(jīng)過(guò)數年發(fā)展，400G技術(shù)將在2017年迎來(lái)新的發(fā)展態(tài)勢，下面從技術(shù)標準、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)、應用需求、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行分析。

　　400G國際、國內標準逐步成熟

　　400G相關(guān)國際標準主要在ITU-T、IEEE和OIF三大國際標準組織進(jìn)行，ITU-T主要對于400G物理層和400G OTN開(kāi)展標準化;IEEE主要規范400GE和200GE等客戶(hù)側接口;OIF針對互聯(lián)互通和有關(guān)光電接口和接收機等展開(kāi)研究。

　　IEEE802.3主要開(kāi)展客戶(hù)側接口400GE(802.3bs)的標準化工作，并與后來(lái)增加的200GE接口同時(shí)進(jìn)行研究。該項目于2014年3月正式立項，在標準討論過(guò)程中關(guān)于單模光纖的具體光接口技術(shù)方案和FEC選擇等爭議較大，導致整個(gè)標準化進(jìn)程滯后于初始計劃，但經(jīng)過(guò)產(chǎn)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(jīng)進(jìn)入草案D3.0的征求意見(jiàn)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(shí)間計劃表見(jiàn)圖1。

圖1 IEEE 802.3bs標準制定時(shí)間計劃表

　　ITU-TSG15的Q6和Q11分別負責超100G物理層和光傳送網(wǎng)(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(shù)納入到G.sup39文件之中，但對于超100G的具體物理傳輸參數的標準化工作尚未開(kāi)展;Q11主要研究超100Gbit/s OTN的標準化工作，與超100G(包括400G)有關(guān)的OTN邏輯結構在2016年3月正式通過(guò)的G.709的修訂版中已經(jīng)體現。另外，隨著(zhù)IEEE 802.3有關(guān)標準的逐步推進(jìn)，與其相關(guān)的映射方式等也將在Q11進(jìn)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(jīng)發(fā)布了“400G應用有關(guān)的技術(shù)選擇”白皮書(shū)，同時(shí)也在2016年底立項多個(gè)與400G速率相關(guān)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(shí)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(huì )CCSA TC6的WG1和WG4開(kāi)展400Gbit/s的標準化研究工作，與國際基本同步，已經(jīng)在2016年立項了多個(gè)與400G系統和器件有關(guān)的技術(shù)要求和測試方法，預計在2017年將加快研究和標準制定進(jìn)程。

　　綜上來(lái)看，400G有關(guān)的國際標準將逐步在2017年成熟完善，國內與系統設備直接相關(guān)的標準也已經(jīng)進(jìn)入標準研究階段，隨著(zhù)有關(guān)標準的成熟推出，將為后續400G產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到較大的推動(dòng)作用。

　　400G的研究試點(diǎn)方興未艾

　　國內三大運營(yíng)商非常關(guān)注400G技術(shù)的發(fā)展和測試評估，中國移動(dòng)在2014年率先啟動(dòng)400G多設備廠(chǎng)家和多光纖類(lèi)型實(shí)驗室測試，驗證了4x100G-QPSK(@125/150GHz)和2x200G-16QAM(@75/100GHz)兩種技術(shù)方案，在現網(wǎng)完成了西安-鄭州-信陽(yáng)兩種光纖的現網(wǎng)測試，結果表明當時(shí)的16QAM技術(shù)難以滿(mǎn)足省際干線(xiàn)傳輸需要。

　　2015～2016年期間中國移動(dòng)始終關(guān)注400G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也對部分新研制的超100G模塊結合ROADM技術(shù)進(jìn)行了初步驗證，預計2017年對于400G技術(shù)和性能將進(jìn)一步開(kāi)展測試驗證。

　　中國電信2014年下半年完成400G技術(shù)實(shí)驗室測試，對傳輸能力、系統余量、傳輸代價(jià)等指標進(jìn)行驗證，并在近兩年持續關(guān)注400G技術(shù)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(xiàn)啟動(dòng)新型光纖和400G現網(wǎng)試點(diǎn)驗證工作，以評估系統的傳輸性能和環(huán)境適應性。在試點(diǎn)過(guò)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(shí)用性能，其中山東段是管道光纜，長(cháng)400多公里，新疆段是架空光纜，長(cháng)140公里。2016年年末到2017年前半年，中國聯(lián)通將開(kāi)展400G光系統的測試評估工作。從目前的技術(shù)與發(fā)展和商用產(chǎn)品驗證來(lái)看，400G將成為高速傳輸領(lǐng)域新熱點(diǎn)，原型設備形式多樣，測試和試點(diǎn)應用廣泛開(kāi)展，

　　400G應用需求逐步明晰

　　從目前的需求現狀來(lái)看，400Gbit/s技術(shù)的傳輸需求主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：一是IP骨干網(wǎng)和干線(xiàn)光傳送網(wǎng)大容量傳送，根據相關(guān)預測，未來(lái)我國運營(yíng)商干線(xiàn)網(wǎng)流量的年增長(cháng)率依然會(huì )高達40%左右。到2020年核心骨干網(wǎng)帶寬需求將可能達到2011年的20～25倍，鏈路容量可能達到100T，節點(diǎn)容量有可能超過(guò)400T。二是數據中心互聯(lián)，目前比較大的數據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(cháng)，2015年已經(jīng)開(kāi)始出現單波長(cháng)400Gbit/s需求，2020年預計出現1Tbit/s需求。隨著(zhù)云計算的發(fā)展，使得不同數據中心之間的物理界限日益模糊，數據中心互聯(lián)的帶寬需求將進(jìn)一步提升。而行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)如現代科學(xué)計算高速數據網(wǎng)絡(luò )、金融網(wǎng)絡(luò )金融系統網(wǎng)絡(luò )的帶寬需求也在逐年增加，都在推動(dòng)傳輸容量的進(jìn)一步提升。

　　目前國內外主流廠(chǎng)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(chǎng)家也在積極開(kāi)發(fā)當中，從了解到的信息來(lái)看，目前400Gbit/s傳輸大多采用多波長(cháng)復用的方案(即2個(gè)200G波長(cháng)拼湊成400G，或4個(gè)100G拼成一個(gè)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(yíng)商省際、省內骨干網(wǎng)而言，由于存在1000km以上的超長(cháng)距離傳輸需求，4×100G方案能夠實(shí)現但需要現有系統支持靈活間隔。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(shí)現。

　　城域網(wǎng)、數據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(chǎng)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(shù)，400G無(wú)論在客戶(hù)側還是在線(xiàn)路側均將發(fā)生顯著(zhù)變化。對于客戶(hù)側而言，經(jīng)過(guò)近3年的研究和標準化推進(jìn)，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(guān)鍵參數已達成共識并已寫(xiě)入IEEE 802.3bs標準。

　　就技術(shù)本質(zhì)而言，400G線(xiàn)路側接口技術(shù)面臨的主要問(wèn)題是傳輸距離和頻譜效率的平衡問(wèn)題。在技術(shù)方案方面，400G線(xiàn)路技術(shù)將重用100G成功應用的偏振復用、基于相干的數字信號處理、相位調制等技術(shù)理念，但在具體應用時(shí)將面臨兩個(gè)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(shù)，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(wú)法滿(mǎn)足;二是傳輸性能問(wèn)題，速率提升后接口對于光信噪比的要求顯著(zhù)增高，這就意味著(zhù)傳輸距離將會(huì )明顯縮短。因此，400G技術(shù)選擇不僅僅是簡(jiǎn)單的100G技術(shù)方案拷貝，而是要結合400G實(shí)現的限制因素后綜合選擇。

　　對于400G速率面臨的以上兩個(gè)問(wèn)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(gè)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(shí)際信號的波特率，譬如引入16-QAM;三是引入特定的復用技術(shù)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(shù)、基于光域或者電域的正交頻分復用(OFDM)技術(shù)等。從目前400Gbit/s業(yè)界普遍采用的技術(shù)方案來(lái)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(shí)現方案，同時(shí)也有一些短距離傳輸的基于n-QAM單載波實(shí)現方案(譬如OIF的400ZR Interop項目)，而實(shí)現較為復雜的OFDM技術(shù)應用到400Gbit/s線(xiàn)路側接口的可能性很低，或許在未來(lái)超400Gbit/s技術(shù)將可能采用。從目前測試驗證和公開(kāi)報道的結果來(lái)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(shù)在集成度和成本方面優(yōu)勢不大，預計實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中應用的可能性較低，而基于2載波的400Gbit/s技術(shù)將是城域和干線(xiàn)后續應用的主流技術(shù)，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)，需要根據實(shí)際傳輸距離、性能和系統成本等需求擇優(yōu)選擇。因此，現有的400G線(xiàn)路側技術(shù)方案沒(méi)有一種同時(shí)兼顧傳輸距離和頻譜效率的最優(yōu)化，只能根據實(shí)際傳輸需求選擇適合的技術(shù)方案，同時(shí)結合靈活柵格和ROADM等技術(shù)實(shí)現靈活組網(wǎng)，但這也不排除后續發(fā)展過(guò)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(shù)的技術(shù)研究和逐步試點(diǎn)應用將對于高速傳輸技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的持續完善和發(fā)展起到推動(dòng)作用，對于器件和光纖介質(zhì)方面都會(huì )有不同程度的影響和推動(dòng)。

　　首先，400G長(cháng)距離傳輸目前的主流技術(shù)預計將沿用100G器件的工作速率，這將進(jìn)一步延長(cháng)100G相關(guān)核心器件的生命周期。

　　其次，為了支持400GE客戶(hù)接口和400G線(xiàn)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(jìn)一步增加400G線(xiàn)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(huì )逐步引入和部署。

　　最后，400G相關(guān)產(chǎn)品的應用將與OTN/ROADM、SDN等技術(shù)的結合更加緊密，進(jìn)一步擴展高速傳輸技術(shù)的應用模式，同時(shí)為未來(lái)更高速率傳輸技術(shù)的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎?？傊?，400G技術(shù)未來(lái)將逐步推動(dòng)元器件、模塊、設備、新型光纖、應用部署等相關(guān)高速傳輸產(chǎn)業(yè)鏈多個(gè)環(huán)節的進(jìn)一步發(fā)展和革新。

　　400G技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在技術(shù)、標準、產(chǎn)業(yè)等方面都取得了不少進(jìn)展，2017年隨著(zhù)技術(shù)標準的逐步成熟，相信在關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)等方面也會(huì )逐步取得更大進(jìn)展，400G技術(shù)同時(shí)也對于芯片、器件以及光纖介質(zhì)等有一些新的要求和影響，需要產(chǎn)業(yè)界各方共同努力推動(dòng)400G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。