“云網(wǎng)融合”背景下，光網(wǎng)絡(luò )的趨勢和機會(huì )

  ICC訊 2020年中國電信提出“云改數轉”戰略轉型目標，并發(fā)布《云網(wǎng)融合2030技術(shù)白皮書(shū)》。白皮書(shū)一方面是對中國電信“云改數轉”戰略轉型的解讀，另一方面則全面闡述了云網(wǎng)融合的內涵、意義、需求、特征、愿景和原則等。作為云網(wǎng)融合基礎設施“帶寬基石”的光網(wǎng)絡(luò )，如何使能云網(wǎng)融合，云網(wǎng)融合各個(gè)場(chǎng)景中光網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)方向是備受行業(yè)關(guān)注的內容。

  云網(wǎng)融合背景以及對光網(wǎng)絡(luò )的需求

  十八大以來(lái)，黨和政府倡導智慧經(jīng)濟新發(fā)展理念，吸收新科技革命成果，實(shí)現生態(tài)化、數字化、智能化、高速化新舊動(dòng)能轉換，建立現代化經(jīng)濟體系的國家基本建設與基礎設施建設，即“新基建”。其中“新型信息基礎設施”是“新基建”的重要組成部分，而云網(wǎng)融合正是中國電信在“新基建”時(shí)代順應發(fā)展潮流提出的戰略轉型方向。

  云網(wǎng)融合是“新型信息基礎設施”的深刻變革，其內涵在于將云網(wǎng)技術(shù)和生產(chǎn)組織方式進(jìn)行全面深入的融合與創(chuàng )新，運營(yíng)商在業(yè)務(wù)形態(tài)、商業(yè)模式、運維體系、服務(wù)模式、人員隊伍等多方面進(jìn)行調整，從傳統的通信服務(wù)提供商轉型為智能化數字服務(wù)提供商，為社會(huì )數字化轉型奠定堅實(shí)、安全的基石。

  具體到光網(wǎng)絡(luò )，云網(wǎng)融合要求光網(wǎng)絡(luò )提供更高速、更大寬帶、更泛在、更廉價(jià)的帶寬服務(wù)，進(jìn)一步夯實(shí)帶寬基礎。以下從云內、云間、入云到云邊協(xié)同4個(gè)場(chǎng)景分別進(jìn)行闡述。

  ①云內數據中心內部光網(wǎng)絡(luò )

  數據中心是近5年流量增長(cháng)最快、驅動(dòng)光通信技術(shù)發(fā)展最重要的動(dòng)力之一。早在2018年，Cisco公司全球云指數研究就預測：到2021年全球超過(guò)85%的流量是數據中心內部和中心之間的東西向流量，只有不到15%是用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)數據中心的南北向流量。

  目前數據中心光模塊的速率和市場(chǎng)規模均已超越傳統電信網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)。近幾年，電信網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)光模塊發(fā)展的一個(gè)重要方向是研究如何借鑒和重用數據中心光模塊技術(shù)，借助數據中心光模塊的海量需求降低電信市場(chǎng)光模塊的成本。例如4G/5G前傳的10Gbit/s和25Gbit/s光模塊相當一部分重用了數據中心光模塊技術(shù)，電信設備的100GE和未來(lái)400GE光模塊的技術(shù)要求也越來(lái)越與數據中心要求趨同，例如400GE光模塊可能傾向于采用數據中心使用的2km短距光模塊。

  數據中心內部光通信發(fā)展近期的熱點(diǎn)是板上光通信，包括板上光子聯(lián)合體(COBO)、光電合封(CPO)等，板上光通信技術(shù)對設備形態(tài)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)帶來(lái)革命性變化，值得整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈高度關(guān)注。

  ②云間數據中心互聯(lián)(DCI)光網(wǎng)絡(luò )

  隨著(zhù)云計算和數據中心流量的快速增長(cháng)，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的帶寬增長(cháng)超過(guò)傳統運營(yíng)商，Google、Facebook等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的傳輸網(wǎng)絡(luò )建設規模和水平直逼傳統電信運營(yíng)商。隨著(zhù)帶寬需求的持續增長(cháng)，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和電信運營(yíng)商在數據中心之間(DCI)組網(wǎng)的技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)始趨同，均走向了以L(fǎng)1層波分復用(WDM)技術(shù)為主的方案。而且隨著(zhù)DCI業(yè)務(wù)流量的快速增長(cháng)，如何在單根光纖實(shí)現傳輸容量的最大化，成為DCI光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的主要方向。

  (1)提升單波速率。我國已經(jīng)全面部署基于相干光通信技術(shù)的80×100Gbit/s WDM系統，近幾年運營(yíng)商開(kāi)始關(guān)注和部署單波長(cháng)200Gbit/s和400Gbit/s的WDM系統，例如基于PM-16QAM調制的80×200Gbit/s WDM系統已經(jīng)在部分城域網(wǎng)少量干線(xiàn)有所部署，面向長(cháng)距離傳輸單波長(cháng)200Gbit/s和400Gbit/s WDM技術(shù)也已經(jīng)有了大量1000km以上長(cháng)距離現網(wǎng)試點(diǎn)報道，即將進(jìn)入商用。單波長(cháng)600Gbit/s和800Gbit/s的相干光通信技術(shù)也已提上了日程，但目前傳輸距離等性能都存在很大不足，只能局限在短距離應用，距離商用還有較大差距。

  (2)增加可用波長(cháng)。我國全面部署的WDM系統主要制式是C波段80×50GHz(4THz)。過(guò)去幾年已經(jīng)有少量系統采用C波段96×50GHz(4.8THz)，增加了20%的可用波長(cháng)。進(jìn)入單波長(cháng)200Gbit/s時(shí)代，為了實(shí)現距離相當前提下容量翻番的目標，運營(yíng)商提出了80×75GHz(6THz頻譜)的擴展C波段WDM系統需求，目前已經(jīng)成熟并開(kāi)始商用部署。至此，擴展C波段的可用頻譜提升了50%。運營(yíng)商的下一步目標是單波長(cháng)400Gbit/s時(shí)代在繼續保持距離前提下的容量翻番，擴展對象是L波段。在過(guò)去十年，歐美國家已經(jīng)部署了相當規模的C+L波段WDM系統，其總頻譜大約是9.6THz，還不足以實(shí)現總容量翻番的目標。目前以國內產(chǎn)業(yè)鏈為主體，正在研究擴展C+L的技術(shù)路線(xiàn)和方案，預計可用頻譜大約在11THz~12THz左右。學(xué)術(shù)界還在研究拉通O、E、S、C、L、U各個(gè)波段的全波段光放大技術(shù)，這是更遠期的研究目標。單模光纖可用波段示意圖，如圖1所示。

圖1 單模光纖可用波段

  ③高品質(zhì)入云光網(wǎng)絡(luò )

  隨著(zhù)“新基建”戰略的推進(jìn)，云計算進(jìn)入普惠發(fā)展期，政務(wù)、金融、交通、物流、教育、娛樂(lè )等行業(yè)加速上云。企業(yè)用戶(hù)對入云(或者說(shuō)上云)服務(wù)的需求是多樣化的，例如帶寬的需求可能是從幾Mbit/s到幾十Tbit/s，連接方式也有點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)、多點(diǎn)到多點(diǎn)等需求，對服務(wù)品質(zhì)的要求更是千差萬(wàn)別，因此很難用單一技術(shù)方案來(lái)解決所有用戶(hù)的入云需求。

  (1)提升入云服務(wù)品質(zhì)。目前，企業(yè)對于云網(wǎng)融合產(chǎn)品及服務(wù)的訴求不斷提升，尤其是政務(wù)、金融、醫療、工業(yè)園區等高價(jià)值行業(yè)用戶(hù)對云的安全性，以及網(wǎng)絡(luò )的帶寬、時(shí)延、可靠性、安全性、自管理等提出了明確的指標要求，這對運營(yíng)商現有的云網(wǎng)融合產(chǎn)品及服務(wù)提出了嚴峻挑戰。

  對于高品質(zhì)的企業(yè)入云服務(wù)需求，光傳送網(wǎng)(OTN)技術(shù)無(wú)疑是最佳的解決方案。OTN技術(shù)可以提供滿(mǎn)足安全度、可靠度、便捷度、響應度、感知度5個(gè)維度要求的高品質(zhì)云網(wǎng)融合服務(wù)，全面適配不同行業(yè)用戶(hù)在辦公系統云化、生產(chǎn)系統云化、核心系統云化的需求。

  (2)增加入云服務(wù)靈活性。OTN技術(shù)出現和發(fā)展已有20余年，其剛性管道和高品質(zhì)優(yōu)勢廣為人知，但是其以Gbit/s為單位的粗放帶寬顆粒度極大地提高了準入門(mén)檻，將一大批中小企業(yè)用戶(hù)擋在了門(mén)外。為此，中國電信聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈推出了城域優(yōu)化OTN(M-OTN)的概念，通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新，引入了最低可達2Mbit/s顆粒度的光業(yè)務(wù)單元(OSU)技術(shù)，實(shí)現了“一業(yè)務(wù)一管道”的精細化服務(wù)，從而很好地在OTN技術(shù)的高品質(zhì)和業(yè)務(wù)的精細顆粒需求之間達成了平衡，一躍成為業(yè)界矚目的焦點(diǎn)。

  OSU作為一種創(chuàng )新的低階容器，能夠承載2Mbit/s到100Gbit/s的多顆?？蛻?hù)側業(yè)務(wù)接入;同時(shí)基于硬管道安全隔離的屬性，提供穩定的低時(shí)延、靈活可調可控能力，可以有效地匹配高品質(zhì)專(zhuān)線(xiàn)入云業(yè)務(wù)的差異化需求;更重要的是，OSU支持快捷的無(wú)損帶寬調整能力，是面向高品質(zhì)云網(wǎng)融合應用的最佳承載技術(shù)。同時(shí)，OSU很好地兼容了現有OTN網(wǎng)絡(luò )成熟的ODUk/ODUCn技術(shù)體系，支持平滑升級，可以保護現有OTN網(wǎng)絡(luò )投資，因此得到了運營(yíng)商的一致認可。OSU業(yè)務(wù)封裝及復用結構如2所示。

圖2 OSU業(yè)務(wù)封裝及復用結構

  ④云邊協(xié)同城域邊緣光網(wǎng)絡(luò )

  隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展、數據的不斷增加，基于云的物聯(lián)網(wǎng)解決方案漸漸無(wú)法滿(mǎn)足人們日益增長(cháng)的需求，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始將目光轉向邊緣計算，并將其作為云的延伸擴展，以加快數據分析的速度，便于企業(yè)更快更好地做出決策。云邊協(xié)同成為光網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的又一動(dòng)力，特別是面向高品質(zhì)行業(yè)應用的云邊協(xié)同，對邊緣網(wǎng)絡(luò )的帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)等質(zhì)量都提出了較高要求。此外，5G前傳也對邊緣光網(wǎng)絡(luò )提出了較高的帶寬需求。諸多需求相結合，城域網(wǎng)絡(luò )邊緣層成為一個(gè)新的帶寬增長(cháng)熱點(diǎn)，第一次將WDM技術(shù)引入到了網(wǎng)絡(luò )的邊緣層。

  邊緣光網(wǎng)絡(luò )的帶寬需求不如骨干光網(wǎng)絡(luò )大，目前基本還在百G以下，同時(shí)對成本非常敏感，骨干光網(wǎng)絡(luò )已普及的高速相干光通信技術(shù)近期還難以達到成本預期。因此，在云邊協(xié)同城域光網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域，應重點(diǎn)關(guān)注單波長(cháng)100Gbit/s及以下的低成本非相干技術(shù)方案。筆者認為，O波段的密集波分復用技術(shù)值得業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注。

  O波段在單模光纖中處于低色散且損耗較小的區域，如圖1所示，傳統上作為客戶(hù)側光信號的工作窗口，25Gbit/s和50Gbit/s信號選用O波段的主要原因是較小的色散代價(jià)，可以保證25Gbit/s NRZ及50Gbit/s PAM4信號10km甚至更長(cháng)的傳輸距離，無(wú)需色散補償。但是隨著(zhù)客戶(hù)側業(yè)務(wù)速率提升，行業(yè)也開(kāi)始引入WDM技術(shù)，例如IEEE定義的100GE-LR4和100GE-ER4接口就采用O波段800GHz間隔的LWDM(Lan WDM)。中國電信提出將O波段800GHz間隔的LWDM(同時(shí)符合ITU-T對DWDM的定義)作為5G前傳的解決方案，并和中國移動(dòng)及眾多國內外合作伙伴共同在ITU-T推動(dòng)了聚焦O波段WDM技術(shù)標準化的G.owdm標準的立項。

  隨著(zhù)DSP技術(shù)的成熟，業(yè)內還有一種將O波段WDM系統的單波長(cháng)提升到100Gbit/s的方案。例如100G Lambda MSA組織正在研究的400GE-LR4/LR方案，就計劃采用4波長(cháng)、800GHz間隔的O波段WDM技術(shù)通過(guò)4×100Gbit/s PAM4信號實(shí)現400GE業(yè)務(wù)接口。因此面向云邊協(xié)同，在光網(wǎng)絡(luò )的接入層和城域邊緣層，O波段WDM技術(shù)是一種非常值得關(guān)注的高性?xún)r(jià)比方案。

  結語(yǔ)與展望

  隨著(zhù)“新基建”理念深入人心和千行百業(yè)數字化轉型的深入推進(jìn)，云網(wǎng)融合已成為電信運營(yíng)商的共識。中國電信云網(wǎng)融合的愿景目標是通過(guò)實(shí)施虛擬化、云化和服務(wù)化，形成一體化的融合技術(shù)架構，最終實(shí)現簡(jiǎn)潔、敏捷、開(kāi)放、融合、安全、智能的新型信息基礎設施的資源供給。作為云網(wǎng)融合基礎設施的“帶寬基石”，光網(wǎng)絡(luò )將責無(wú)旁貸地承擔起為云網(wǎng)融合業(yè)務(wù)發(fā)展提供更高速、更寬帶、更泛在、更廉價(jià)的帶寬服務(wù)職責。

  針對云內數據中心內部光網(wǎng)絡(luò )，數據中心已成為光模塊市場(chǎng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的第一推動(dòng)力，目前400Gbit/s光模塊開(kāi)始普及，800Gbit/s也已經(jīng)開(kāi)始出現;未來(lái)發(fā)展趨勢是電信設備光模塊借鑒和重用數據中心光模塊技術(shù);板上光通信是數據中心內部光網(wǎng)絡(luò )下一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，值得整個(gè)行業(yè)高度關(guān)注。

  針對云間數據中心互聯(lián)(DCI)光網(wǎng)絡(luò )，電信運營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)將DCI技術(shù)路線(xiàn)統一到L1層的WDM技術(shù)上來(lái);適合數據中心機房部署、面向DCI的專(zhuān)用盒式傳輸設備形態(tài)已經(jīng)得到業(yè)界高度認同;單波長(cháng)400Gbit/s WDM系統已在DCI場(chǎng)景廣泛部署，下一步正在研究800Gbit/s甚至更高速率的WDM技術(shù);進(jìn)一步提升單波長(cháng)速率、擴展波段范圍是DCI WDM系統未來(lái)的發(fā)展方向，需要業(yè)界共同努力推進(jìn)擴展C和C+L等新型WDM技術(shù)的成熟和商用。

  針對高品質(zhì)入云光網(wǎng)絡(luò )，面向高品質(zhì)的企業(yè)入云服務(wù)需求，OTN技術(shù)可以提供安全度、可靠度、便捷度、響應度、感知度5個(gè)維度高品質(zhì)云網(wǎng)融合服務(wù)，是最佳解決方案;M-OTN引入了新的OSU低階容器，克服了傳統OTN業(yè)務(wù)顆粒過(guò)于粗放的缺點(diǎn)，實(shí)現了2Mbit/s顆粒度起、“一業(yè)務(wù)一管道”的精細化高品質(zhì)服務(wù)，未來(lái)將在高品質(zhì)入云服務(wù)中扮演重要角色。

  針對云邊協(xié)同邊緣光網(wǎng)絡(luò )，5G前傳和邊緣計算的興起帶來(lái)的海量帶寬需求第一次將WDM技術(shù)引入到了網(wǎng)絡(luò )的邊緣層;基于性?xún)r(jià)比優(yōu)勢，單波長(cháng)100Gbit/s及以下速率的非相干光通信技術(shù)將是現在和未來(lái)相當長(cháng)一段時(shí)間內邊緣光網(wǎng)絡(luò )的主流技術(shù)形態(tài);此外，O波段WDM技術(shù)是一項非常值得關(guān)注的新興技術(shù)，希望產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，盡快選擇合理技術(shù)路線(xiàn)在ITU-T完成G.owdm標準的制定工作。[李俊杰,霍曉莉,閆飛,武曉峰.光網(wǎng)絡(luò )如何使能云網(wǎng)融合[J].通信世界,2021(09):30-32.]