骨干全光網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討

  0 引言

  全光網(wǎng)是光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，全光網(wǎng)概念在我國首次出現(xiàn)于2008年左右，隨著光纖接入(FTTx)技術(shù)和軟交換技術(shù)的普及，電話和寬帶網(wǎng)絡(luò)在接入層分別采用光纖替代銅線，即“光進(jìn)銅退”，全國各地廣泛宣傳全光網(wǎng)、全光城市等概念。這一時(shí)期的全光網(wǎng)定義為全光網(wǎng)1.0，其特征是骨干網(wǎng)以WDM技術(shù)為核心的全光傳輸和城域/本地網(wǎng)、以FTTx技術(shù)為核心的全光接入。2011年2月16日，中國電信正式啟動(dòng)“寬帶中國·光網(wǎng)城市”行動(dòng)，2017年實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)，F(xiàn)TTx和百兆入戶的比例均超過90%，標(biāo)志著“全光網(wǎng)1.0”的實(shí)現(xiàn)。

  中國電信于2017年在中國光網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)(OptinetChina)上首次提出“全光網(wǎng)2.0”的概念，指出當(dāng)傳輸和接入都實(shí)現(xiàn)光纖化，交換層也引入基于光分插復(fù)用設(shè)備(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM)的全光交換技術(shù)后才能構(gòu)成嚴(yán)格意義上的全光網(wǎng)。在2018年世界光纖通信大會(huì)(Optical Fiber Communication，OFC)上，中國電信在大會(huì)報(bào)告(Plenary Speech)上首次明確“全光網(wǎng)2.0”的主要特征，包括依托可重構(gòu)ROADM設(shè)備、100 Gbit/s和超100 Gbit/s相干傳輸技術(shù)、智能波長交換光網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Switched Optical Network，WSON)控制平面和一跳直達(dá)全光架構(gòu)實(shí)現(xiàn)波長級(jí)全光調(diào)度、分鐘級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)放、秒級(jí)恢復(fù)和毫秒級(jí)時(shí)延。此后，“全光網(wǎng)2.0”的概念逐漸被業(yè)界接受，內(nèi)涵也不斷得到豐富。到2021年，中國電信建成了一張覆蓋除港澳臺(tái)外所有省級(jí)行政區(qū)的一二干融合的基于ROADM技術(shù)的骨干全光交換網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了近200 個(gè)城市和多數(shù)大型數(shù)據(jù)中心，包括440 多個(gè)ROADM節(jié)點(diǎn)和1600多個(gè)光放大(Optical Amplifier，OA)節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志著“全光網(wǎng)2.0”在骨干網(wǎng)層面進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段，即骨干全光網(wǎng)。

  骨干全光網(wǎng)的核心是全光傳輸和全光交換。全光傳輸?shù)淖非竽繕?biāo)是大容量與長距離，而這兩個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)存在一個(gè)權(quán)衡，一個(gè)方面的提升往往意味著另一個(gè)方面有所犧牲。更大的系統(tǒng)容量，可以通過提高頻譜效率以及擴(kuò)展頻譜帶寬來實(shí)現(xiàn)，長距離傳輸?shù)男阅芤髣t限制提升頻譜效率的空間。隨著更高處理能力芯片的出現(xiàn)，一定程度上可以打破限制，在滿足長距離傳輸性能要求的前提下，提升頻譜效率或者提高單波傳輸速率。同時(shí)，G.654E光纖的更低衰耗和大有效面積的特性，可以進(jìn)一步助力系統(tǒng)傳輸性能的提升。全光交換目前的核心技術(shù)是ROADM，未來發(fā)展方向除了物理交叉能力的提升，更重要的是基于軟件和協(xié)議的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)更快速的業(yè)務(wù)調(diào)度、故障恢復(fù)等軟能力，拓展全光交換技術(shù)的應(yīng)用場景。基于此，本文將從單波傳輸速率、擴(kuò)展波段、新型光纖以及全光交換技4個(gè)方面對(duì)全光骨干網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

  1 單波傳輸速率演進(jìn)

  單波速率從100 Gbit/s到200 Gbit/s，再到400 Gbit/s演進(jìn)。從2013年開始，100 Gbit/s的波分系統(tǒng)逐步在中國電信的WDM/ROADM網(wǎng)絡(luò)及OTN網(wǎng)絡(luò)中部署，目前已覆蓋全國31個(gè)省。在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(China Communications Standards Association，CCSA)《N×400 Gbit/s WDM系統(tǒng)技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中定義了雙載波400 Gbit/s[1]，即用2個(gè)200 Gbit/s波長承載一路400 Gbit/s業(yè)務(wù)信號(hào)，稱之為超級(jí)通路(Super Channel)。超級(jí)通路400 Gbit/s WDM技術(shù)實(shí)際應(yīng)用支持相同技術(shù)選型的400 Gbit/s與200 Gbit/s信號(hào)混合傳輸。單載波400 Gbit/s的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍處于制定中，其波道間隔定義將與雙載波400 Gbit/s保持一致。可以預(yù)見，400GE接口將成為未來重要的業(yè)務(wù)速率，線路側(cè)400 Gbit/s將是傳輸網(wǎng)的主流傳輸速率。并且可以確定的是，未來將采用單載波400 Gbit/s的方案承載業(yè)務(wù)。而雙載波400 Gbit/s的劣勢(shì)在于采用此方案承載400GE接口業(yè)務(wù)，相比較單載波方案而言，會(huì)使用雙倍的業(yè)務(wù)板卡，成本更高并且存在反向復(fù)用的問題，需要增加額外開銷。

  1.1 200 Gbit/s

  CCSA《N×400 Gbit/s WDM系統(tǒng)技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種200 Gbit/s技術(shù)選型[1]，一種是PM16QAM，另一種是PM-QPSK。200 Gbit/s PM-16QAM與PM-QPSK目前都是比較成熟的技術(shù)方案。

  200 Gbit/s PM-16QAM方案的優(yōu)勢(shì)在于與100 Gbit/s PM-QPSK技術(shù)兼容性高且頻譜效率是其兩倍，即采用相同波段傳輸，系統(tǒng)容量可以實(shí)現(xiàn)翻倍;200 Gbit/s PM-16QAM采用與100 Gbit/s PM-QPSK技術(shù)相同的波特率以及50 GHz波道間隔，可以實(shí)現(xiàn)100~200 Gbit/s的平滑升級(jí)，且可以與100 Gbit/s QPSK混合傳輸。該方案的劣勢(shì)在于傳輸距離較短，在現(xiàn)網(wǎng)G.652D光纖中傳輸距離一般在500 km以內(nèi)。因此，該方案適用于城域網(wǎng)應(yīng)用，國內(nèi)運(yùn)營商均在省內(nèi)網(wǎng)絡(luò)有少量部署。應(yīng)用該技術(shù)方案在中國電信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了現(xiàn)網(wǎng)測試，傳輸鏈路如圖1所示[2]。被測200 Gbit/s PM-16QAM WDM信號(hào)可實(shí)現(xiàn)經(jīng)過21個(gè)光放段，總長度為1142 km的長距無誤碼傳輸，系統(tǒng)背靠背OSNR容限(End of Life，EOL)為16.5 dB。

圖1 200 Gbit/s PM-16QAM方案現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)傳輸鏈路示意圖

  200 Gbit/s PM-QPSK方案采用的是75 GHz的波道間隔，相比較于100 Gbit/s PM-QPSK同樣提高了頻譜效率，該方案的突出優(yōu)勢(shì)在于現(xiàn)網(wǎng)G.652D光纖中傳輸距離一般在1500 km以上，可在省際及省內(nèi)干線中應(yīng)用;該方案的缺點(diǎn)在于與波道間隔為50 GHz的100 Gbit/s PM-QPSK不能混用，否則會(huì)產(chǎn)生頻譜碎片，不利于網(wǎng)路維護(hù)以及ROADM組網(wǎng)。

  2019年，在長江中下游區(qū)域的中國電信省級(jí)骨干ROADM網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行了單波長200 Gbit/s PM-QPSK WDM系統(tǒng)的超長距離傳輸試驗(yàn)(見圖2)[3]。該試驗(yàn)傳輸鏈路總長度達(dá)到2174 km，包含9個(gè)ROADM節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過35個(gè)光放段;傳輸設(shè)備采用200 Gbit/s PM-QPSK方案，波特率達(dá)到69GBaud，通道間隔為75 GHz，系統(tǒng)背靠背OSNR容限為14.5 dB。該試驗(yàn)結(jié)果表明，在兼顧系統(tǒng)容量提升的同時(shí)，200 Gbit/s QPSK WDM系統(tǒng)能夠提供超長距傳輸能力。對(duì)運(yùn)營商而言，這一方案是骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行容量升級(jí)、降低單比特傳輸成本的一種選擇。

圖2 200 Gbit/s PM-QPSK方案現(xiàn)網(wǎng)超長距傳輸系統(tǒng)示意圖

  1.2 400 Gbit/s

  單載波400 Gbit/s的技術(shù)方案比較多，主要有以下3種。

  (1)波道間隔為75 GHz的PM-16QAM方案，波特率一般在64GBaud左右，在現(xiàn)網(wǎng)中測試，糾錯(cuò)前誤碼率門限為3.4E-2時(shí)，系統(tǒng)背靠背OSNR容限約為23 dB。該方案的商用板卡的傳輸性能不能滿足骨干光傳輸，現(xiàn)網(wǎng)G.652D光纖的傳輸距離在300 km左右，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(Data Center Inter-connect，DCI)等應(yīng)用場景。

  (2)波道間隔為100 GHz的PM-16QAM方案，波特率一般在90GBaud左右。如圖3所示，在實(shí)驗(yàn)室搭建了13×22 dB(每跨段80 km)WDM測試系統(tǒng)。在研究測試中，測得系統(tǒng)背靠背OSNR容限在18.5 dB以內(nèi)?，F(xiàn)網(wǎng)傳輸能力按照實(shí)驗(yàn)室傳輸距離的七成計(jì)算，該方案的商用板卡可以支持現(xiàn)網(wǎng)中G.652D光纖700 km以上的傳輸距離，可用于省內(nèi)干線、城域網(wǎng)等應(yīng)用場景。

圖3 N×400 Gbit/s WDM測試系統(tǒng)實(shí)際配置

  (3)波道間隔為150 GHz的PM-QPSK方案，波特率在130GBaud左右。該方案目前尚無商用板卡，預(yù)計(jì)背靠背OSNR容限在16.5 dB以下?，F(xiàn)網(wǎng)G.652D光纖中傳輸距離在1500 km以上，性能會(huì)優(yōu)于波道間隔為75 GHz的200 Gbit/s PM-QPSK方案，可在省際干線中應(yīng)用，預(yù)計(jì)是下一代主流的骨干網(wǎng)傳輸技術(shù)方案。

  2 頻譜擴(kuò)展技術(shù)

  增加系統(tǒng)容量的技術(shù)方案，在提高單通道速率之外，擴(kuò)展可利用的頻譜資源是另一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。C波段的頻譜帶寬為4 THz，通過對(duì)其擴(kuò)展，可以得到4.8 THz，甚至6 THz的傳輸帶寬;此外，C波段結(jié)合L波段的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)帶寬資源的翻倍。

  2.1 擴(kuò)展C波段

  C波段的擴(kuò)展方案可以分為兩個(gè)階段，第一階段是將50 GHz間隔的80波系統(tǒng)(C80)擴(kuò)展到96波(C96)，系統(tǒng)容量增加20%;隨著流量的增加以及技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展方案發(fā)展到第二階段(見圖4)，擴(kuò)展50 GHz間隔的120波系統(tǒng)，即擴(kuò)展C波段，相比較80波，系統(tǒng)容量增加50%。當(dāng)前工作在擴(kuò)展C波段，波道間隔為75 GHz的80波PM-QPSK波分系統(tǒng)已經(jīng)成熟，主要設(shè)備廠商的設(shè)備都可以支持。

圖4 擴(kuò)展C波段頻譜圖

  相比較于C80及C96，擴(kuò)展C波段系統(tǒng)需要解決一系列技術(shù)問題，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)線路板卡，增加激光器波長調(diào)諧范圍;優(yōu)化光放大器，滿足擴(kuò)展C波段的放大增益并保證平坦度;優(yōu)化波長選擇開關(guān)(WavelengthSelective Switch，WSS)，使其滿足擴(kuò)展C波段的應(yīng)用要求等。擴(kuò)展C波段的應(yīng)用會(huì)引入一定程度的傳輸性能劣化，相比較C80/C96系統(tǒng)，整體系統(tǒng)性能會(huì)裂化有0.5~1 dB。通過系統(tǒng)相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將劣化控制在0.5 dB以內(nèi)。同時(shí)，擴(kuò)展C波段WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，從而改善性能。目前，波段C擴(kuò)展的WDM系統(tǒng)已開始商用，但仍缺乏相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義，應(yīng)加快推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  2.2 C+L波段

  C+L作為成熟的商用技術(shù)，已經(jīng)在日本、歐洲等國家和地區(qū)廣泛使用，能有效倍增系統(tǒng)(80×2波或96×2波)的傳送容量。在光纖資源緊缺，敷設(shè)成本或者租賃成本高昂的地區(qū)，是一種具有吸引力的選擇方案。由于傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件(如激光器、放大器、WSS等)無法支持工作在C+L波段，以當(dāng)前的能力僅能支持工作在C或者L波段，因此C+L波段系統(tǒng)實(shí)際是兩套獨(dú)立系統(tǒng)(見圖5)，優(yōu)勢(shì)在于兩個(gè)波段共享一個(gè)光纖，節(jié)省光纖資源;劣勢(shì)在于，需要開發(fā)L波段的全套傳輸產(chǎn)品，且C+L波段的傳輸性能要略遜于單獨(dú)的C波段。

圖5 C+L波段WDM傳輸系統(tǒng)示意圖

  在國內(nèi)，優(yōu)劣勢(shì)兩相權(quán)衡下，光纖資源不作為稀缺資源考慮，以目前情況來看，C+L的應(yīng)用可能性較低。然而，網(wǎng)絡(luò)流量迅速增長，光纖敷設(shè)的難度及成本也在增加，不排除光纖成為稀缺資源的可能。作為技術(shù)儲(chǔ)備，研究C+L波段傳輸系統(tǒng)一樣具有重要意義。針對(duì)L波段100 Gbit/s WDM系統(tǒng)，CCSA已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究[4]。由于C+L系統(tǒng)的寬光譜特性的存在，對(duì)通道光功率的動(dòng)態(tài)均衡、非線性補(bǔ)償?shù)忍岢隽烁叩囊?。由于L波段的光纖衰耗大于C波段，導(dǎo)致L波段OSNR比C波段劣化0.5~1 dB。并且受激拉曼散射效應(yīng)的存在會(huì)使得C波段功率向L波段轉(zhuǎn)移，從而引起C波段性能的劣化。在C+L波段研究以及應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮這些問題。

  3 G.654E新型光纖

  在單模光纖中，限制信號(hào)傳輸能力的關(guān)鍵因素是衰耗和非線性效應(yīng)。相應(yīng)地，降低光纖衰耗系數(shù)以及降低光纖非線性噪聲積累是光纖設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。通過采用純硅芯或者低鍺摻雜芯區(qū)加上摻氟包層的設(shè)計(jì)可以使得光纖的衰耗系數(shù)降低到0.17 dB/km的水平。而降低非線性的方法，在海纜中應(yīng)用的654光纖已經(jīng)使用，即增大光纖的有效面積。光纖有效面積越大，非線性效應(yīng)越弱;然而光纖有效面積越大，彎曲損耗也越大，太大的有效面積不適合陸纜使用。因此，作為一個(gè)權(quán)衡選擇，130 μm2的有效面積加上超低損耗的光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為陸纜單模光纖的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，即G.654E光纖[5]。當(dāng)前，中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通均已在現(xiàn)網(wǎng)中少量部署G.654E光纜，其中中國電信建設(shè)的全長1900多公里，世界上首條省際骨干全G.654E光纜(上海—金華—河源—廣州光纜)已于2021年4月建成。

  為驗(yàn)證G.654E超低損耗及大有效面積新型光纖的實(shí)際性能，中國電信利用該條新建光纜完成了業(yè)界首次在G.654E光纜上的單載波400 Gbit/s超長距WDM 傳輸商用設(shè)備現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)(見圖6)。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程規(guī)范要求的OSNR余量要求下，采用星座整形PM-16QAM碼型的400 Gbit/s系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1500 km左右的無電中繼傳輸，達(dá)到超長距傳輸系統(tǒng)要求。現(xiàn)網(wǎng)比對(duì)測試結(jié)果表明，G.654E光纜的應(yīng)用可以使得系統(tǒng)OSNR相較傳統(tǒng)G.652D纖芯環(huán)境提升3.5 dB，可延長無電中繼傳輸距離80%以上。

圖6 基于G.654E光纜的400 Gbit/s超長距現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)示意圖

  4 全光交換技術(shù)

  ROADM的技術(shù)價(jià)值在于可以通過遠(yuǎn)程控制更改上下和穿通波長，無需手工跳纖，實(shí)現(xiàn)對(duì)WDM系統(tǒng)的波長重構(gòu);可以快速建立或重構(gòu)波長路由、減少人工操作錯(cuò)誤。DC互聯(lián)、波長專線等，往往比拼業(yè)務(wù)的提供速度，ROADM因此具有巨大的競爭優(yōu)勢(shì)。ROADM在2016年被中國電信引入并部署于區(qū)域ROADM網(wǎng)，經(jīng)過建設(shè)和融合，全網(wǎng)已形成華北、華南、西南、西北、東北等5個(gè)區(qū)域ROADM網(wǎng)。與ROADM一同引入的還有其網(wǎng)絡(luò)保護(hù)恢復(fù)技術(shù)——WSON，通過該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)重路由恢復(fù)，可抵抗多次故障。

  當(dāng)前，廣泛使用的CD-ROADM，其中C(Colorless)、D(Directionless)分別指的是波長無關(guān)和方向無關(guān)。通過WSS級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)光層業(yè)務(wù)上下端口波長可調(diào)，本站上下路端口可任意改變傳送方向。目前，現(xiàn)網(wǎng)中少量使用CDC-ROADM，這是一種最靈活的ROADM設(shè)備形態(tài)，在C、D的基礎(chǔ)上多了一個(gè)競爭無關(guān)的C(Contentionless)，CDC的功能是通過MCS(Multicast Switch)實(shí)現(xiàn)。

  在當(dāng)前的ROADM網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用20維WSS，隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)逐步出現(xiàn)端口數(shù)量不足的情況。目前，32維WSS已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中少量部署，由于維度變高，光纖連纖數(shù)量大幅增加，32維需要32×32×2=2048根光纖，大大增加了連纖錯(cuò)誤幾率以及維護(hù)難度。因此，基于光背板的ROADM設(shè)備(簡稱光背板)被開發(fā)出來以解決此問題。光背板將光纖印刷在背板內(nèi)，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)WSS各端口之間的光纖硬連接，無需面板跳纖，節(jié)省前面板空間，避免工程和維護(hù)中的錯(cuò)連情況。

  現(xiàn)有ROADM網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重路由基于分布式算路策略，即源節(jié)點(diǎn)算路。在計(jì)算恢復(fù)資源時(shí)，不同源節(jié)點(diǎn)的計(jì)算波長資源可能相同，將導(dǎo)致波長資源沖突。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和負(fù)載的增加，這種沖突的概率也將增加，將導(dǎo)致業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)多次回退的現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)故障數(shù)據(jù)記錄的分析發(fā)現(xiàn)，曾出現(xiàn)9次資源沖突的情況，最后才成功恢復(fù)業(yè)務(wù)。在上述案例中，該次故障導(dǎo)致部分業(yè)務(wù)中斷時(shí)間超過30 min。

  為解決上述問題，中國電信提出集中算路和分布式控制相結(jié)合的方式。集中式算路可完全計(jì)算路由資源沖突問題，有效減少動(dòng)態(tài)重申路由的業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間，在西南ROADM網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證了這種方案的可行性和有效性。

  為了進(jìn)一步減少ROADM的恢復(fù)時(shí)間，需要提升計(jì)算單元的計(jì)算能力(主要是CPU和內(nèi)存)，優(yōu)化重路由計(jì)算算法和控制機(jī)制，同時(shí)將OTU波長調(diào)諧時(shí)間和WSS切換時(shí)間進(jìn)一步優(yōu)化。通過上述幾種策略改進(jìn)和優(yōu)化，將恢復(fù)時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘不等的不確定時(shí)間縮短為可保證的秒級(jí)，有望實(shí)現(xiàn)30 s以內(nèi)，甚至10 s以內(nèi)，有效提升業(yè)務(wù)的可用率指標(biāo)。

  5 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討

  骨干光傳輸全面進(jìn)入相干時(shí)代，中國電信骨干網(wǎng)絡(luò)中單波速率100 Gbit s的WDM系統(tǒng)已經(jīng)全面部署應(yīng)用，單波200 Gbit/s和400 Gbit/s的WDM系統(tǒng)正在積極探索，近年來進(jìn)行了多次長距和超長距的實(shí)驗(yàn)室以及現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)。提高單波長的速率，可以減少波長和光模塊的數(shù)量，降低單比特傳輸?shù)脑O(shè)備成本和功耗，降低運(yùn)維復(fù)雜度。從業(yè)務(wù)發(fā)展和技術(shù)能力的角度來看，400 Gbit/s極可能是中國電信下一代骨干網(wǎng)DWDM傳輸?shù)闹髁骶€路速率。從匹配400GE業(yè)務(wù)需求以及滿足超長距離傳輸能力的角度出發(fā)，波道間隔為150 GHz的400 Gbit/s PM-QPSK方案是最為適配的技術(shù)路線，預(yù)計(jì)2023—2024年，骨干長距離400 Gbit/s產(chǎn)業(yè)具備規(guī)模部署能力，根據(jù)400GE業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。此外，客戶側(cè)已經(jīng)具備成熟商用的400GE光模塊，而400 Gbit/s WDM系統(tǒng)跨系統(tǒng)轉(zhuǎn)接需要成熟的400 Gbit/s OTN接口，即400 Gbit/s客戶側(cè)光模塊需要同時(shí)支持400 Gbit/s FlexO速率。目前，市場上沒有兼容400GE和400 Gbit/s FlexO的雙速率光模塊，預(yù)計(jì)2022—2023年主流模塊廠商將具備提供能力。

  然而，提高系統(tǒng)容量以及提高單波速率(頻譜效率)不是唯一因素，單纖容量取決于系統(tǒng)的頻率效率和頻譜帶寬。在骨干網(wǎng)傳輸性能要求的限制下，高速系統(tǒng)提升頻譜效率的空間越來越有限，需要通過擴(kuò)展頻譜帶寬提升單纖容量。目前，中國電信現(xiàn)網(wǎng)100 Gbit/s系統(tǒng)所用波段為C80和C96系統(tǒng)，系統(tǒng)容量分別為8 Tbit/s和9.6 Tbit/s。在200 Gbit/s速率下，骨干傳輸系統(tǒng)的容量可以提高到16 Tbit/s，與C80波段的100 Gbit/s系統(tǒng)相比，速率翻倍，容量也翻倍。擴(kuò)展C波段的200 Gbit/s系統(tǒng)，在中國電信現(xiàn)網(wǎng)已有少量部署。在400 Gbit/s時(shí)代，中國電信骨干傳輸系統(tǒng)的容量持續(xù)提升，需要繼續(xù)依賴擴(kuò)展波段的技術(shù)。同時(shí)，目前業(yè)界正在研究在擴(kuò)展C波段的基礎(chǔ)上，繼續(xù)擴(kuò)展L波段，CCSA也正在進(jìn)行C+L波段系統(tǒng)的相關(guān)研究。從長遠(yuǎn)考慮，一套能夠支持工作在C+L波段的傳輸系統(tǒng)是行業(yè)所期待的目標(biāo)，這需要放大器及相關(guān)關(guān)鍵器件，如激光器、WSS等多方面的改進(jìn)與突破。以光放大器為例，增益光纖增加新的摻雜元素，可以提升增益范圍;采用多段放大、優(yōu)化泵浦功率配比等方式可以提升擴(kuò)展區(qū)域的增益系數(shù)等。這需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)共同努力，進(jìn)行研究與探索。

  提升頻譜效率受限，原因在于受限于骨干傳輸性能要求。而采用G.654E新型光纖可以提升系統(tǒng)傳輸性能，可以助力更高傳輸容量的系統(tǒng)應(yīng)用部署。G.654E光纖相比較于G.652D，模場直徑更大(有效面積更大)，可以提高1.5~2 dB的入纖功率，并且衰耗系數(shù)更小。綜合評(píng)估，對(duì)于長距傳輸，OSNR可以提高3 dB 左右，明顯減少再生中繼站的使用。雖然G.654E光纖的纖芯單價(jià)在200 元/芯公里以上，明顯高于G.652D的單價(jià)25 元/芯公里，但是以傳輸網(wǎng)綜合造價(jià)成本來分析，可以顯著降低網(wǎng)絡(luò)成本，帶來經(jīng)濟(jì)收益。同時(shí)，在運(yùn)行維護(hù)過程中，減少再生站的使用，能有效減少碳排放，助力碳達(dá)峰和碳中和。在中國電信骨干傳輸網(wǎng)，尤其是溝通京津冀、長三角、粵港澳、陜川渝四大核心區(qū)域的大動(dòng)脈上會(huì)優(yōu)先考慮部署G.654E光纖，充分利用其能夠延長無電中繼傳輸距離的能力。不過根據(jù)工程和實(shí)驗(yàn)室研究經(jīng)驗(yàn)來看，G.654E光纖目前仍然存在著一定的熔接問題。不同光纖廠家在光纖剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及光纖摻雜材料種類和濃度存在一定差異性，這將導(dǎo)致部分廠家間光纖熔接損耗較大;而光纖熔接時(shí)，會(huì)存在兩段光纖模場直徑差距越大，光纖熔接損耗越大的情況。因此，有必要綜合產(chǎn)業(yè)鏈上下游力量，多方發(fā)力，推動(dòng)開發(fā)更加適配G.654E光纖熔接的熔接機(jī)設(shè)備及程序，推動(dòng)光纖光纜廠家G.654E光纖進(jìn)行歸一化設(shè)計(jì)以及模場直徑集中化，以提高不同廠家熔接的兼容性。

  從中國電信的應(yīng)用來看，骨干網(wǎng)以20維WSS為主的模式將向以32維WSS為主的模式過渡，未來新建400 Gbit/s的高速ROADM平面將引入光背板、高維WSS等新技術(shù)，降低維護(hù)成本以及難度，同時(shí)逐步升級(jí)為集中式算路策略，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)可保障的快速恢復(fù)，助力業(yè)務(wù)品質(zhì)提升。CDC-ROADM目前產(chǎn)業(yè)鏈還不夠成熟，中國電信將進(jìn)一步研究和推動(dòng)CDC-ROADM技術(shù)發(fā)展，按需引入現(xiàn)網(wǎng)。

  6 結(jié)束語

  隨著云網(wǎng)融合的持續(xù)推進(jìn)，中國電信骨干全光網(wǎng)2.0進(jìn)入了深化發(fā)展階段。在全光傳輸技術(shù)領(lǐng)域，DCI等業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)對(duì)全光傳輸系統(tǒng)的傳輸容量提出了更高的要求。本文從單波傳輸速率、擴(kuò)展波段、新型光纖以及ROADM等4個(gè)方面對(duì)全光骨干網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，并著重分析中國電信技術(shù)發(fā)展策略。單波速率從100 Gbit/s到200 Gbit/s，再到400 Gbit/s演進(jìn)，頻譜帶寬從4 THz向6 THz擴(kuò)展。基本可以明確，下一代骨干光傳輸網(wǎng)的主要方案將是400 Gbit/s PM-QPSK與擴(kuò)展C波段的組合，未來5~10年將會(huì)在全網(wǎng)大部分節(jié)點(diǎn)部署。在光纖技術(shù)領(lǐng)域，未來骨干網(wǎng)溝通京津冀、長三角、粵港澳、陜川渝四大核心區(qū)域的大動(dòng)脈以及相應(yīng)輻射區(qū)域會(huì)優(yōu)先考慮G.654E光纖部署，呼吁光纖光纜廠商進(jìn)一步提高G.654E光纖的兼容性，降低其建設(shè)和運(yùn)營成本，提高其適用范圍。在全光交換技術(shù)領(lǐng)域，在可預(yù)見的未來，骨干全光網(wǎng)還將采用基于ROADM的波長交換技術(shù)，有利于降低成本和功耗，提升光層網(wǎng)絡(luò)的靈活性，未來發(fā)展方向是32維及以上高維度WSS、簡化連纖的光背板、CDC-ROADM等技術(shù)，以及通過“集中+分布”相結(jié)合的WSON智能控制平面技術(shù)實(shí)現(xiàn)的快速故障恢復(fù)等技術(shù)，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

  參考文獻(xiàn)

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  文章作者：呂凱、唐建軍、張安旭、李俊杰