基于100G的OTN／WDM技術(shù)自2013年起已在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)規(guī)模商用，成為干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的主流速率。隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的持續(xù)深入，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等新興業(yè)務(wù)持續(xù)爆炸性的增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬需求呈不斷上升趨勢(shì)，這對(duì)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)過數(shù)年發(fā)展，400G技術(shù)將在2017年迎來新的發(fā)展態(tài)勢(shì)，下面從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)、應(yīng)用需求、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行分析。
400G國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)逐步成熟
400G相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)主要在ITU－T、IEEE和OIF三大國際標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行，ITU－T主要對(duì)于400G物理層和400G OTN開展標(biāo)準(zhǔn)化；IEEE主要規(guī)范400GE和200GE等客戶側(cè)接口；OIF針對(duì)互聯(lián)互通和有關(guān)光電接口和接收機(jī)等展開研究。
IEEE802．3主要開展客戶側(cè)接口400GE（802．3bs）的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并與后來增加的200GE接口同時(shí)進(jìn)行研究。該項(xiàng)目于2014年3月正式立項(xiàng)，在標(biāo)準(zhǔn)討論過程中關(guān)于單模光纖的具體光接口技術(shù)方案和FEC選擇等爭(zhēng)議較大，導(dǎo)致整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程滯后于初始計(jì)劃，但經(jīng)過產(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的征求意見階段，預(yù)計(jì)在2017年底能夠正式發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，具體的標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)間計(jì)劃表見圖1。
圖1 IEEE 802．3bs標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)間計(jì)劃表
ITU－TSG15的Q6和Q11分別負(fù)責(zé)超100G物理層和光傳送網(wǎng)（OTN）邏輯層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，其中Q6主要把超100G應(yīng)用的新型物理傳輸技術(shù)納入到G．sup39文件之中，但對(duì)于超100G的具體物理傳輸參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作尚未開展；Q11主要研究超100Gbit／s OTN的標(biāo)準(zhǔn)化工作，與超100G（包括400G）有關(guān)的OTN邏輯結(jié)構(gòu)在2016年3月正式通過的G．709的修訂版中已經(jīng)體現(xiàn)。另外，隨著IEEE 802．3有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)責(zé)光電模塊及高速接口等標(biāo)準(zhǔn)化工作，2015年已經(jīng)發(fā)布了“400G應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)選擇”白皮書，同時(shí)也在2016年底立項(xiàng)多個(gè)與400G速率相關(guān)的項(xiàng)目，其中最典型的包括傳輸距離為120km（ZR）的光接口標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目（400ZR Interop，oif2016．400．04），計(jì)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(xiàng)目（FlexE2．0，oif2016．361．01）等，計(jì)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(diào)制功能、高帶寬集成相干接收機(jī)、CFP2－DCO、CFP8－ACO等方面的研究。
國內(nèi)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CCSA TC6的WG1和WG4開展400Gbit／s的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，與國際基本同步，已經(jīng)在2016年立項(xiàng)了多個(gè)與400G系統(tǒng)和器件有關(guān)的技術(shù)要求和測(cè)試方法，預(yù)計(jì)在2017年將加快研究和標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程。
綜上來看，400G有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)將逐步在2017年成熟完善，國內(nèi)與系統(tǒng)設(shè)備直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)研究階段，隨著有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的成熟推出，將為后續(xù)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(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商非常關(guān)注400G技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試評(píng)估，中國移動(dòng)在2014年率先啟動(dòng)400G多設(shè)備廠家和多光纖類型實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，驗(yàn)證了4x100G－QPSK（＠125／150GHz）和2x200G－16QAM（＠75／100GHz）兩種技術(shù)方案，在現(xiàn)網(wǎng)完成了西安－鄭州－信陽兩種光纖的現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)時(shí)的16QAM技術(shù)難以滿足省際干線傳輸需要。
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(duì)部分新研制的超100G模塊結(jié)合ROADM技術(shù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證，預(yù)計(jì)2017年對(duì)于400G技術(shù)和性能將進(jìn)一步開展測(cè)試驗(yàn)證。
中國電信2014年下半年完成400G技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，對(duì)傳輸能力、系統(tǒng)余量、傳輸代價(jià)等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，并在近兩年持續(xù)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(jí)和二級(jí)干線啟動(dòng)新型光纖和400G現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)驗(yàn)證工作，以評(píng)估系統(tǒng)的傳輸性能和環(huán)境適應(yīng)性。在試點(diǎn)過程中將普通光纖和G．654光纖混合組纜，以評(píng)估新型光纖的實(shí)用性能，其中山東段是管道光纜，長(zhǎng)400多公里，新疆段是架空光纜，長(zhǎng)140公里。2016年年末到2017年前半年，中國聯(lián)通將開展400G光系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估工作。從目前的技術(shù)與發(fā)展和商用產(chǎn)品驗(yàn)證來看，400G將成為高速傳輸領(lǐng)域新熱點(diǎn)，原型設(shè)備形式多樣，測(cè)試和試點(diǎn)應(yīng)用廣泛開展，
400G應(yīng)用需求逐步明晰
從目前的需求現(xiàn)狀來看，400Gbit／s技術(shù)的傳輸需求主要來自以下幾個(gè)方面：一是IP骨干網(wǎng)和干線光傳送網(wǎng)大容量傳送，根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，未來我國運(yùn)營(yíng)商干線網(wǎng)流量的年增長(zhǎng)率依然會(huì)高達(dá)40％左右。到2020年核心骨干網(wǎng)帶寬需求將可能達(dá)到2011年的20～25倍，鏈路容量可能達(dá)到100T，節(jié)點(diǎn)容量有可能超過400T。二是數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，目前比較大的數(shù)據(jù)中心出口帶寬可達(dá)到一百～幾百Gbit／s以上，每年還以50％以上的速度在增長(zhǎng)，2015年已經(jīng)開始出現(xiàn)單波長(zhǎng)400Gbit／s需求，2020年預(yù)計(jì)出現(xiàn)1Tbit／s需求。隨著云計(jì)算的發(fā)展，使得不同數(shù)據(jù)中心之間的物理界限日益模糊，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的帶寬需求將進(jìn)一步提升。而行業(yè)專網(wǎng)如現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、金融網(wǎng)絡(luò)金融系統(tǒng)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(nèi)外主流廠商如華為、中興、烽火和諾基亞等均發(fā)布了其400Gbit／s樣機(jī)，其他廠家也在積極開發(fā)當(dāng)中，從了解到的信息來看，目前400Gbit／s傳輸大多采用多波長(zhǎng)復(fù)用的方案（即2個(gè)200G波長(zhǎng)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(dāng)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(duì)運(yùn)營(yíng)商省際、省內(nèi)骨干網(wǎng)而言，由于存在1000km以上的超長(zhǎng)距離傳輸需求，4×100G方案能夠?qū)崿F(xiàn)但需要現(xiàn)有系統(tǒng)支持靈活間隔。2×200G則必須結(jié)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(xiàn)。
城域網(wǎng)、數(shù)據(jù)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(dá)到傳輸容量和傳輸距離的一般需求。對(duì)于小容量的匯聚場(chǎng)景，光子集成（PIC）可能是更具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。
解決方案多樣化，需按需選擇
相對(duì)于100G技術(shù)，400G無論在客戶側(cè)還是在線路側(cè)均將發(fā)生顯著變化。對(duì)于客戶側(cè)而言，經(jīng)過近3年的研究和標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，400GE在邏輯和物理接口結(jié)構(gòu)、傳輸距離、調(diào)制格式、單通道波特率等關(guān)鍵參數(shù)已達(dá)成共識(shí)并已寫入IEEE 802．3bs標(biāo)準(zhǔn)。
就技術(shù)本質(zhì)而言，400G線路側(cè)接口技術(shù)面臨的主要問題是傳輸距離和頻譜效率的平衡問題。在技術(shù)方案方面，400G線路技術(shù)將重用100G成功應(yīng)用的偏振復(fù)用、基于相干的數(shù)字信號(hào)處理、相位調(diào)制等技術(shù)理念，但在具體應(yīng)用時(shí)將面臨兩個(gè)主要制約因素：一是由于速率相對(duì)于100Gbit／s提升了4倍，如果采用完全相同的技術(shù)，那么對(duì)于光電器件的帶寬響應(yīng)也要提升4倍，顯然目前的器件無法滿足；二是傳輸性能問題，速率提升后接口對(duì)于光信噪比的要求顯著增高，這就意味著傳輸距離將會(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(jié)合400G實(shí)現(xiàn)的限制因素后綜合選擇。
對(duì)于400G速率面臨的以上兩個(gè)問題，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(dú)光域載波的傳輸速率降低；二是采用更高階的調(diào)制降低實(shí)際信號(hào)的波特率，譬如引入16－QAM；三是引入特定的復(fù)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(fù)用技術(shù)、基于光域或者電域的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)等。從目前400Gbit／s業(yè)界普遍采用的技術(shù)方案來看，基于QPSK調(diào)制并采用奈奎斯特濾波的4載波方案、基于16QAM／8QAM／QPSK調(diào)制的2載波方案是目前典型的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)也有一些短距離傳輸?shù)幕趎－QAM單載波實(shí)現(xiàn)方案（譬如OIF的400ZR Interop項(xiàng)目），而實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的OFDM技術(shù)應(yīng)用到400Gbit／s線路側(cè)接口的可能性很低，或許在未來超400Gbit／s技術(shù)將可能采用。從目前測(cè)試驗(yàn)證和公開報(bào)道的結(jié)果來看，基于QPSK調(diào)制并采用奈奎斯特濾波的4載波方案的傳輸性能與現(xiàn)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(dá)到3．2bit／s／Hz）左右，相對(duì)于100G技術(shù)在集成度和成本方面優(yōu)勢(shì)不大，預(yù)計(jì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的可能性較低，而基于2載波的400Gbit／s技術(shù)將是城域和干線后續(xù)應(yīng)用的主流技術(shù)，但由于不同調(diào)制格式支持的傳輸能力不同（譬如16QAM傳輸距離為600km量級(jí)，8QAM為800km量級(jí)，QPSK大于1000km），需要根據(jù)實(shí)際傳輸距離、性能和系統(tǒng)成本等需求擇優(yōu)選擇。因此，現(xiàn)有的400G線路側(cè)技術(shù)方案沒有一種同時(shí)兼顧傳輸距離和頻譜效率的最優(yōu)化，只能根據(jù)實(shí)際傳輸需求選擇適合的技術(shù)方案，同時(shí)結(jié)合靈活柵格和ROADM等技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，但這也不排除后續(xù)發(fā)展過程中其他更優(yōu)勢(shì)方案的推出。
對(duì)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(yīng)用將對(duì)于高速傳輸技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)完善和發(fā)展起到推動(dòng)作用，對(duì)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(zhǎng)距離傳輸目前的主流技術(shù)預(yù)計(jì)將沿用100G器件的工作速率，這將進(jìn)一步延長(zhǎng)100G相關(guān)核心器件的生命周期。
其次，為了支持400GE客戶接口和400G線路接口的新型調(diào)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(shè)備將不斷研制和推出。
再次，為更進(jìn)一步增加400G線路的傳輸距離，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(yīng)用將與OTN／ROADM、SDN等技術(shù)的結(jié)合更加緊密，進(jìn)一步擴(kuò)展高速傳輸技術(shù)的應(yīng)用模式，同時(shí)為未來更高速率傳輸技術(shù)的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)?？傊?，400G技術(shù)未來將逐步推動(dòng)元器件、模塊、設(shè)備、新型光纖、應(yīng)用部署等相關(guān)高速傳輸產(chǎn)業(yè)鏈多個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)一步發(fā)展和革新。
400G技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)等方面都取得了不少進(jìn)展，2017年隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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。
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