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400G研究如火如荼 2017年将迎来关键进展

2017-02-27 15:42
路过的码农
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基于100GOTN/WDM技术自2013年起已在运营商网络规模商用,成为干线网和城域网的主流速率。随着“宽带中国”战略的持续深入,移动互联网、高清视频等新兴业务持续爆炸性的增长,运营商网络的传输带宽需求呈不断上升趋势,这对于400G等超100G技术和产业发展起到了明显的推动作用。

经过数年发展,400G技术将在2017年迎来新的发展态势,下面从技术标准、产业推进、应用需求、关键技术等方面进行分析。

400G国际、国内标准逐步成熟

400G相关国际标准主要在ITU-T、IEEE和OIF三大国际标准组织进行,ITU-T主要对于400G物理层和400G OTN开展标准化;IEEE主要规范400GE和200GE等客户侧接口;OIF针对互联互通和有关光电接口和接收机等展开研究。

IEEE802.3主要开展客户侧接口400GE(802.3bs)的标准化工作,并与后来增加的200GE接口同时进行研究。该项目于2014年3月正式立项,在标准讨论过程中关于单模光纤的具体光接口技术方案和FEC选择等争议较大,导致整个标准化进程滞后于初始计划,但经过产业界各方的共同努力,草案D1.0于2015年9月推出,目前已经进入草案D3.0的征求意见阶段,预计在2017年底能够正式发布标准,具体的标准制定时间计划表见图1。

图1 IEEE 802.3bs标准制定时间计划表

ITU-TSG15的Q6和Q11分别负责超100G物理层和光传送网(OTN)逻辑层的标准化工作,其中Q6主要把超100G应用的新型物理传输技术纳入到G.sup39文件之中,但对于超100G的具体物理传输参数的标准化工作尚未开展;Q11主要研究超100Gbit/s OTN的标准化工作,与超100G(包括400G)有关的OTN逻辑结构在2016年3月正式通过的G.709的修订版中已经体现。另外,随着IEEE 802.3有关标准的逐步推进,与其相关的映射方式等也将在Q11进一步明确。

OIF(光互联论坛)的物理链层(PLL)工作组主要负责光电模块及高速接口等标准化工作,2015年已经发布了“400G应用有关的技术选择”白皮书,同时也在2016年底立项多个与400G速率相关的项目,其中最典型的包括传输距离为120km(ZR)的光接口标准化项目(400ZR Interop,oif2016.400.04),计划2018年第3季度完成,以及在FlexE接口中增加200GE和400GE速率的项目(FlexE2.0,oif2016.361.01)等,计划在2017年年底完成。。另外,OIF目前同时尚有CEI-112G、CEI-56G、灵活相干DWDM传输框架、高带宽相干调制功能、高带宽集成相干接收机、CFP2-DCO、CFP8-ACO等方面的研究。

国内中国通信标准化协会CCSA TC6的WG1和WG4开展400Gbit/s的标准化研究工作,与国际基本同步,已经在2016年立项了多个与400G系统和器件有关的技术要求和测试方法,预计在2017年将加快研究和标准制定进程。

综上来看,400G有关的国际标准将逐步在2017年成熟完善,国内与系统设备直接相关的标准也已经进入标准研究阶段,随着有关标准的成熟推出,将为后续400G产业发展起到较大的推动作用。

400G的研究试点方兴未艾

国内三大运营商非常关注400G技术的发展和测试评估,中国移动在2014年率先启动400G多设备厂家和多光纤类型实验室测试,验证了4x100G-QPSK(@125/150GHz)和2x200G-16QAM(@75/100GHz)两种技术方案,在现网完成了西安-郑州-信阳两种光纤的现网测试,结果表明当时的16QAM技术难以满足省际干线传输需要。

2015~2016年期间中国移动始终关注400G技术的进一步发展,同时也对部分新研制的超100G模块结合ROADM技术进行了初步验证,预计2017年对于400G技术和性能将进一步开展测试验证。

中国电信2014年下半年完成400G技术实验室测试,对传输能力、系统余量、传输代价等指标进行验证,并在近两年持续关注400G技术最新发展。

而中国联通从2016年在山东和新疆的一级和二级干线启动新型光纤和400G现网试点验证工作,以评估系统的传输性能和环境适应性。在试点过程中将普通光纤和G.654光纤混合组缆,以评估新型光纤的实用性能,其中山东段是管道光缆,长400多公里,新疆段是架空光缆,长140公里。2016年年末到2017年前半年,中国联通将开展400G光系统的测试评估工作。从目前的技术与发展和商用产品验证来看,400G将成为高速传输领域新热点,原型设备形式多样,测试和试点应用广泛开展,

400G应用需求逐步明晰

从目前的需求现状来看,400Gbit/s技术的传输需求主要来自以下几个方面:一是IP骨干网和干线光传送网大容量传送,根据相关预测,未来我国运营商干线网流量的年增长率依然会高达40%左右。到2020年核心骨干网带宽需求将可能达到2011年的20~25倍,链路容量可能达到100T,节点容量有可能超过400T。二是数据中心互联,目前比较大的数据中心出口带宽可达到一百~几百Gbit/s以上,每年还以50%以上的速度在增长,2015年已经开始出现单波长400Gbit/s需求,2020年预计出现1Tbit/s需求。随着云计算的发展,使得不同数据中心之间的物理界限日益模糊,数据中心互联的带宽需求将进一步提升。而行业专网如现代科学计算高速数据网络、金融网络金融系统网络的带宽需求也在逐年增加,都在推动传输容量的进一步提升。

目前国内外主流厂商如华为、中兴、烽火和诺基亚等均发布了其400Gbit/s样机,其他厂家也在积极开发当中,从了解到的信息来看,目前400Gbit/s传输大多采用多波长复用的方案(即2个200G波长拼凑成400G,或4个100G拼成一个400G),单纤传输容量可以从当前的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)。

对运营商省际、省内骨干网而言,由于存在1000km以上的超长距离传输需求,4×100G方案能够实现但需要现有系统支持灵活间隔。2×200G则必须结合低损耗或超低损耗光纤以及新型低噪声光放大器、采用降低频谱效率的方式等才可能实现。

城域网、数据中心等的大带宽互联可能率先采用400G,2×200G或4×100G都可达到传输容量和传输距离的一般需求。对于小容量的汇聚场景,光子集成(PIC)可能是更具竞争力的解决方案。

解决方案多样化,需按需选择

相对于100G技术,400G无论在客户侧还是在线路侧均将发生显著变化。对于客户侧而言,经过近3年的研究和标准化推进,400GE在逻辑和物理接口结构、传输距离、调制格式、单通道波特率等关键参数已达成共识并已写入IEEE 802.3bs标准。

就技术本质而言,400G线路侧接口技术面临的主要问题是传输距离和频谱效率的平衡问题。在技术方案方面,400G线路技术将重用100G成功应用的偏振复用、基于相干的数字信号处理、相位调制等技术理念,但在具体应用时将面临两个主要制约因素:一是由于速率相对于100Gbit/s提升了4倍,如果采用完全相同的技术,那么对于光电器件的带宽响应也要提升4倍,显然目前的器件无法满足;二是传输性能问题,速率提升后接口对于光信噪比的要求显著增高,这就意味着传输距离将会明显缩短。因此,400G技术选择不仅仅是简单的100G技术方案拷贝,而是要结合400G实现的限制因素后综合选择。

对于400G速率面临的以上两个问题,目前业界主要从多方面探索解决,一是传输载波不再限制于单个载波,而是引入多子载波的概念将单独光域载波的传输速率降低;二是采用更高阶的调制降低实际信号的波特率,譬如引入16-QAM;三是引入特定的复用技术降低传输损伤或者波特率等,譬如基于奈奎斯特的子载波复用技术、基于光域或者电域的正交频分复用(OFDM)技术等。从目前400Gbit/s业界普遍采用的技术方案来看,基于QPSK调制并采用奈奎斯特滤波的4载波方案、基于16QAM/8QAM/QPSK调制的2载波方案是目前典型的实现方案,同时也有一些短距离传输的基于n-QAM单载波实现方案(譬如OIF的400ZR Interop项目),而实现较为复杂的OFDM技术应用到400Gbit/s线路侧接口的可能性很低,或许在未来超400Gbit/s技术将可能采用。从目前测试验证和公开报道的结果来看,基于QPSK调制并采用奈奎斯特滤波的4载波方案的传输性能与现有的100Gbit/s性能接近,但频谱效率提升力度不够,仅提升1.6倍(达到3.2bit/s/Hz)左右,相对于100G技术在集成度和成本方面优势不大,预计实际网络中应用的可能性较低,而基于2载波的400Gbit/s技术将是城域和干线后续应用的主流技术,但由于不同调制格式支持的传输能力不同(譬如16QAM传输距离为600km量级,8QAM为800km量级,QPSK大于1000km),需要根据实际传输距离、性能和系统成本等需求择优选择。因此,现有的400G线路侧技术方案没有一种同时兼顾传输距离和频谱效率的最优化,只能根据实际传输需求选择适合的技术方案,同时结合灵活栅格和ROADM等技术实现灵活组网,但这也不排除后续发展过程中其他更优势方案的推出。

芯片、器件和光纤等将提出新要求

400G技术的技术研究和逐步试点应用将对于高速传输技术产业链的持续完善和发展起到推动作用,对于器件和光纤介质方面都会有不同程度的影响和推动。

首先,400G长距离传输目前的主流技术预计将沿用100G器件的工作速率,这将进一步延长100G相关核心器件的生命周期。

其次,为了支持400GE客户接口和400G线路接口的新型调制码型等,新型支持更高速率的电域和光域芯片、器件、模块和传输设备将不断研制和推出。

再次,为更进一步增加400G线路的传输距离,一些更低损耗和更大有效面积的新型光纤、更低噪声的光放大器等将可能会逐步引入和部署。

最后,400G相关产品的应用将与OTN/ROADM、SDN等技术的结合更加紧密,进一步扩展高速传输技术的应用模式,同时为未来更高速率传输技术的技术研究和产业化推广奠定基础。总之,400G技术未来将逐步推动元器件、模块、设备、新型光纤、应用部署等相关高速传输产业链多个环节的进一步发展和革新。

400G技术经过多年的发展,在技术、标准、产业等方面都取得了不少进展,2017年随着技术标准的逐步成熟,相信在关键技术和产业等方面也会逐步取得更大进展,400G技术同时也对于芯片、器件以及光纤介质等有一些新的要求和影响,需要产业界各方共同努力推动400G技术和产业的发展。

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