江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 易準(zhǔn)
隨著寬帶、數(shù)據(jù)中心及云計(jì)算的飛速發(fā)展，傳送網(wǎng)面臨著業(yè)務(wù)流量爆炸式增長帶來的巨大壓力，超高速、超大容量和動態(tài)靈活成為光傳輸技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。當(dāng)前，包括電信運(yùn)營商和設(shè)備廠商在內(nèi)的業(yè)界各方正在積極推動400G技術(shù)的試驗(yàn)和部署。江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院認(rèn)為，400G WDM傳輸技術(shù)勢必成為下一代高速光傳輸系統(tǒng)的發(fā)展方向，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了階段性進(jìn)展，電信運(yùn)營商需結(jié)合自身網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，根據(jù)不同應(yīng)用場景選擇面向未來業(yè)務(wù)發(fā)展需要的400G技術(shù)方案。
400G標(biāo)準(zhǔn)制定穩(wěn)步推進(jìn)
目前，IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）、ITU-T（國際電信聯(lián)盟通信標(biāo)準(zhǔn)組）和OIF（光互聯(lián)論壇）三大國際標(biāo)準(zhǔn)組織以及我國的CCSA（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）均已從不同角度開展超100G標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作。
ITU-T
ITU-T SG15是制訂傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)邏輯層信號規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)工作組。在2016年最新修訂并正式發(fā)布的G.709《OTN接口標(biāo)準(zhǔn)（5.0版）》中，定義了以5G時隙為最小粒度并加入復(fù)用段映射結(jié)構(gòu)的OTUCn幀格式，為超100G的大帶寬業(yè)務(wù)確定了承載方式，并且為FlexE（靈活以太網(wǎng)）業(yè)務(wù)的透傳和終結(jié)處理定義了映射方式，實(shí)現(xiàn)可變帶寬業(yè)務(wù)的靈活適配。
IEEE
IEEE的802.3工作組主要負(fù)責(zé)400GE接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)于2014年3月研究立項(xiàng)（標(biāo)準(zhǔn)編號為802.3bs），至2016年3月已經(jīng)完成了1.2版本草案的編制和討論，已經(jīng)確定采用基于26G波特率NRZ（非歸零碼）的16芯100m多模光纖應(yīng)用（400GBASE-SR16）、基于53G波特率PAM4（四電平脈沖幅度調(diào)制）編碼的4芯500m單模光纖應(yīng)用（400GBASE-DR4）、基于26G波特率PAM4編碼的8通路波分復(fù)用2km/10km單模光纖應(yīng)用（400GBASE-FR8/LR8）等，但在應(yīng)用代碼的性能參數(shù)定義與規(guī)范以及各通道FEC（前向糾錯碼）編碼和實(shí)現(xiàn)方式等一些關(guān)鍵問題上還需要進(jìn)一步研究和討論。該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2018年年初正式發(fā)布。
OIF
OIF主要負(fù)責(zé)PLL（物理鏈層）的光電模塊及高速接口等標(biāo)準(zhǔn)化工作。2015年7月發(fā)布了《400G技術(shù)選擇白皮書》，主要圍繞400G調(diào)制格式、應(yīng)用場景、頻率柵格、載波數(shù)量、色散容限等方面進(jìn)行分析和研究，梳理400G高速傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)城域、長距和超長距等不同應(yīng)用領(lǐng)域分析解決方案等。
CCSA
我國的CCSA傳送網(wǎng)與接入網(wǎng)技術(shù)工作委員會（TC6）中的傳送網(wǎng)工作組（WG1）和光器件工作組（WG4），分別負(fù)責(zé)超100G光傳輸系統(tǒng)和光器件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定。目前整體標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)度與國際基本保持同步。
提升傳輸速率的三大途徑
提升WDM系統(tǒng)單通路傳輸速率的主要目的是在特定的頻譜資源內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率（即每Hz頻譜每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)更高），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源優(yōu)化管理并進(jìn)一步降低單位比特成本。
提升傳輸速率的主要挑戰(zhàn)是如何在頻譜效率和傳輸距離間達(dá)到一定的平衡。最終的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案需要考慮調(diào)制階數(shù)、載波數(shù)量和波特率參數(shù)，在這三者之間進(jìn)行權(quán)衡。
因此，電信運(yùn)營商部署400G傳輸技術(shù)方案，可以從三個主要方面入手。
更高階的調(diào)制格式
采用高階調(diào)制格式可以提升每符號比特數(shù)，對于單載波調(diào)制，在一定的頻譜帶寬上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的頻譜效率。相對于QPSK（正交相移鍵控），16QAM（正交振幅調(diào)制）的每符號比特數(shù)提升一倍，從而提升頻譜效率和傳輸容量。對于400G傳輸來說，高階調(diào)制格式的運(yùn)用是業(yè)界普遍采用的方法，但高階調(diào)制格式的運(yùn)用對接收側(cè)OSNR（光信噪比）提出了更高的要求，同時對激光器的相位噪聲和光纖非線性效應(yīng)也更敏感，限制了系統(tǒng)傳輸距離。
更高的信號波特率
400G傳輸另一個重要實(shí)現(xiàn)方式是提升信號波特率，通過提升單信號的波特率實(shí)現(xiàn)整體傳輸速率的提升。目前，采用32G波特率是最成熟的方案，它可以重用100G階段的各種光電器件和芯片技術(shù)，但性能相對受限。未來將走向43G、64G等更高波特率，進(jìn)一步提升傳輸性能和頻譜效率。
多載波技術(shù)
在超400G傳輸系統(tǒng)中引入了超級信道（super channel），通過載波聚合提高頻譜效率，提升傳輸容量。例如，采用兩個載波各承載200G PM-16QAM的信號來實(shí)現(xiàn)400G，只需75GHz頻譜，達(dá)到5.33bit/s/Hz的頻譜效率。
除以上考慮因素外，400G光傳輸還將采用更先進(jìn)的DSP（數(shù)字信號處理）及芯片技術(shù)、更高增益FEC等。為了進(jìn)一步提高頻譜效率，Nyquist WDM（奈奎斯特波分復(fù)用）、Flex-Grid（靈活柵格）WDM等技術(shù)將得到應(yīng)用。同時，超高速光電處理及相關(guān)芯片涉及光學(xué)和微電子等基礎(chǔ)領(lǐng)域，還需要大量的技術(shù)和工藝創(chuàng)新才能達(dá)到商用化要求水平。
技術(shù)方案選擇有門道
400G系統(tǒng)有望采用更高的波特率以減少調(diào)制階數(shù)，并采用多載波技術(shù)來提高頻譜效率，未來可能會根據(jù)應(yīng)用場景的不同，分別采用單載波、雙載波或四載波實(shí)現(xiàn)方案。
單載波400G技術(shù)方案
單載波400G技術(shù)方案即在傳統(tǒng)的50GHz/100GHz柵格內(nèi)實(shí)現(xiàn)400G信號傳輸，最大限度兼容現(xiàn)有WDM系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)單載波400G傳輸，調(diào)制格式可以采用16/32/64QAM的不同階數(shù)。對于16QAM調(diào)制，需要能支撐60Gbaud速率的光電器件，ADC/DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換/數(shù)模轉(zhuǎn)換）的采樣率將超過100Gsample/s，單載波方案相對于雙載波方案，其波特率增加了1倍，其光譜寬度和200G QPSK類似，無法在50GHz頻譜帶寬內(nèi)傳輸，至少占用75GHz或100GHz的光譜寬度，其傳輸容量與雙載波一樣，但傳輸系統(tǒng)OSNR要求非常高，傳輸距離在200km內(nèi)，只適合在距離較短的城域范圍內(nèi)應(yīng)用。對于32QAM或64QAM調(diào)制格式，由于過于密集的星座圖導(dǎo)致OSNR需求急劇增加和非線性效應(yīng)的影響加劇，傳輸距離相對16QAM方案會進(jìn)一步縮短。
雙載波200G技術(shù)方案
雙載波200G技術(shù)方案的調(diào)制格式主要有8QAM、16QAM和QPSK調(diào)制。對16QAM調(diào)制格式，可保持現(xiàn)有的光電器件帶寬不變而直接提升速率，需要系統(tǒng)對相位噪聲有較大的容限，因此要采用更復(fù)雜的相噪補(bǔ)償技術(shù)。16QAM方案相對現(xiàn)有100G方案，波分系統(tǒng)容量提升一倍，但是200G 16QAM的系統(tǒng)OSNR要求很高，B2B（背靠背）OSNR容限為17dB左右，如采用EDFA光放，其傳輸能力約為600km，只能滿足中短距離傳輸；如采用高性能拉曼放大器，200G 16QAM系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)1200km左右，可以滿足大部分骨干傳輸網(wǎng)的應(yīng)用需求。
200G QPSK的B2B OSNR容限約為15dB，相對于16QAM高階調(diào)制，200G QPSK B2B OSNR容限可降低約3dB，同時相對于16QAM，QPSK具備更好的抗非線性能力，入纖功率比16QAM更高。因此200G QPSK相當(dāng)于200G 16QAM傳輸能力提升約1倍，若采用EDFA傳輸距離可達(dá)1200km左右，若采用高性能拉曼放大器，傳輸距離可達(dá)2000km，是干線傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案。
未來在400G WDM系統(tǒng)建設(shè)中，可采用Flex Rate（靈活速率）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成本最優(yōu)。即利用DSP可編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)制格式和FEC開銷比率的靈活可調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)速率和傳輸距離可變。長距離傳輸可以選擇QPSK或者8QAM來滿足傳輸距離的要求；傳輸距離較短、容量要求大的場景，可以選擇16QAM以提高頻譜效率。
四載波100G技術(shù)方案
四載波方案即4個子載波采用Nyquist WDM技術(shù)復(fù)用，每個子載波上承載一個100G信號，不同的載波通過Nyquist方式復(fù)用。
傳統(tǒng)的100G系統(tǒng)采用50GHz波道間隔，如果傳輸4個100G子載波則需要200GHz頻譜寬度。此方案采用Nyquist WDM技術(shù)，可以利用靈活柵格，通道內(nèi)子載波間隔為37.5GHz，這樣4個子載波所占頻譜寬度為150GHz，通過發(fā)送端濾波技術(shù)和接收端的濾波恢復(fù)算法，可以實(shí)現(xiàn)與100G技術(shù)相當(dāng)?shù)膫鬏斁嚯x。四載波方案可以實(shí)現(xiàn)2000km左右的超長距離傳輸，但頻譜效率相對于100G WDM系統(tǒng)提升不大，不是400G WDM的主流方案。
總工點(diǎn)評：
綜上所述，目前400G WDM傳輸主要有單載波、雙載波和四載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。在使用EDFA和普通G.652光纖的情況下，雙載波200G 16QAM是城域傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，雙載波200G QPSK是中長距離干線傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案。單載波400G 16QAM/32QAM/64QAM傳輸能力較弱，應(yīng)用范圍有限。而四載波100G方案本質(zhì)上就是100G技術(shù)，具有與100G等同的傳輸距離，適合超長距離傳輸。在實(shí)際部署中，電信運(yùn)營商應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場景結(jié)合自身網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)選擇適合的技術(shù)方案。
——江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院總工程師袁源
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