超100G技術的研究進展和面臨挑戰(zhàn)

    　ICCSZ訊 在云計算、新型互聯(lián)網(wǎng)等寬帶業(yè)務發(fā)展的推動下，100Gb/s光傳輸技術國內商用部署節(jié)奏明顯加快。從2012年年底開始，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通三大運營商已啟動或正準備啟動100Gb/s光傳輸商用工程招標建設，這標志著我國100Gb/s技術從2013年起已正式步入初步規(guī)模商用階段，而速率更高的超100Gb/s技術已逐漸成為業(yè)界關注的熱點。借鑒高速傳輸速率以往按照4倍或10倍增長的歷史經驗，國內外科研機構幾年前就已啟動基于400Gb/s、1Tb/s甚至更高速率的超100Gb/s傳輸技術研究，伴隨著2013年3月IEEE 802.3 400GE標準成功立項，400Gb/s已成為近期業(yè)界高度聚焦的超100Gb/s技術。

    業(yè)界共推，設備研發(fā)及標準均已啟動

    　在100Gb/s正式商用之前，業(yè)界主要關注點集中在100Gb/s設備研制、傳輸性能提升、集成度和功耗進一步優(yōu)化等方面。伴隨著100Gb/s設備商用節(jié)奏加快，業(yè)界逐漸把超高速光傳輸技術攻關和新產品研制的重點聚焦在超100Gb/s（由于長距傳輸線路具體速率暫未確定，故采用超100Gb/s籠統(tǒng)表示）的未來發(fā)展上。國內的三大光傳輸設備商從2012年左右開始逐步發(fā)布了400Gb/s、1Tb/s等速率實驗室樣機或正在開展產品研制，部分在國外運營商進行了現(xiàn)網(wǎng)試驗，阿朗公司去年甚至推出了基于2載波、400Gb/s 速率、傳輸距離可達500km量級的超高速傳輸板卡，同時今年在法國電信Orange進行商用試驗。另外中國電信、中國移動等國內運營商后期均有在實驗室或現(xiàn)網(wǎng)進行400Gb/s技術測試驗證的計劃。從目前公開報道的信息來看，國內外主要光傳輸設備商現(xiàn)階段主研的超100Gb/s商用樣機主要集中在400Gb/s速率，設備研制難題包括調制格式、復用方式、子載波選擇、數(shù)字信號處理算法及實現(xiàn)、前向糾錯等，力求研制成功低單位成本及能耗、高集成度并滿足實際應用需求（包括傳輸距離、譜效等等）的商用化產品，而更高速率的超100Gb/s設備尚處于實驗室研究或模型樣機研制階段。

    　在各廠商研制超100Gb/s設備以爭取未來市場先機的同時，高速傳輸相關標準組織如國際電聯(lián)（ITU-T）、電氣與電子工程師學會（IEEE）、光互聯(lián)論壇（OIF）以及國內的中國通信標準化協(xié)會（CCSA）等非常關注并已啟動相應標準工作。ITU-T的SG15的Q11和Q6組分別開展超100Gb/s OTN幀結構和超100Gb/s物理層標準研究工作，預計最快2014年上半年幀結構將會有初步結論。IEEE的802.3主要負責高速光以太網(wǎng)的標準化制定工作，2013年3月400GE標準項目立項成功，預計2016年~2017年400GE標準化完成。OIF最近兩年也推動多種超高速率接口規(guī)范制定，典型包括56Gb/s的多種應用電接口以及400Gb/s長距傳輸用光模塊方案等。另外，我國的CCSA TC6技術委員會的WG1和WG4分別負責光傳送設備和光模塊標準化工作，近兩年分別開展了基于超100Gb/s傳輸技術及光模塊的標準類研究課題，目前整體上都在開展之中。

    超100G技術路線多樣，性能和成本平衡至關重要 

   　超100Gb/s主要涉及短距離互聯(lián)（客戶側）和長距離傳輸（線路側）?？蛻魝燃夹g方面，鑒于IEEE已經把速率定位于400GE，超100Gb/s客戶側的技術選擇主要圍繞400Gb/s進行，截至今年8月IEEE 802.3 400GE項目組已召開了3次會議，目前討論的重點依然是關鍵技術路線的選擇，典型如電層通道速率、光層通道速率、FEC（前向糾錯編碼）選擇等等。參考100Gb/s低成本實現(xiàn)討論方案（802.3bm項目，單模光纖方案目前暫未獲通過）并結合未來可預見技術發(fā)展等，400GE接口有多種實現(xiàn)方案，包括25Gb/s、50/56Gb/s不同的電接口速率、脈沖幅度調制（PAM-n）和離散多載波（DMT）等多種基于不同波特率的光接口調制復用方式等等。

    　在線路側技術方面，前十多年高速傳輸技術經歷了40Gb/s速率多方爭優(yōu)、多種并存的時代后，在100Gb/s速率上又在偏振復用-正交相移鍵控（DP-QPSK）和相干接收等關鍵技術路線上趨于統(tǒng)一，而超100Gb/s目前在技術路線選擇上又面臨40Gb/s當年類似的情形，而且技術路線的選擇更為復雜，典型包括正交幅度調制（n-QAM）等調制格式、載波個數(shù)，以及基于奈奎斯特WDM、電/光域的正交頻分復用（OFDM）線路傳輸復用方式等等。從目前整體發(fā)展來看，線路側近兩年可支持商用化產品的400Gb/s技術路線主要重點落在4載波的QPSK（傳輸距離1000km量級）或者2載波的16QAM（傳輸距離500km量級）上，但這并不排除其他方案后來居上情形的出現(xiàn)。

    　無論是超100Gb/s客戶側還是線路側，在最終技術路線選擇時面臨的關鍵問題，就是如何讓性能和成本盡可能在特定階段接近某種平衡，譬如超100Gb/s客戶側接口就是應用需求要求低成本實現(xiàn)的最明顯例子。客戶側傳輸距離短因而存在多種實現(xiàn)方案，這將導致出現(xiàn)評估哪種方案成本更低的難題，IEEE 802.3bm項目中100GE單模光纖的多種低成本方案目前仍然沒有達成共識就是例證。另外，線路側技術選擇主要面臨的就是如何權衡傳輸距離和頻譜效率的取舍，但同時頻譜效率又會變相地轉化到比特成本上，因此實際上也是性能與成本之間的平衡問題。

    面臨諸多挑戰(zhàn)，信號處理最為突出

    　雖然40Gb/s和100Gb/s尤其是100Gb/s技術研究及最終商用實現(xiàn)方案選擇經驗為超100Gb/s技術的未來發(fā)展提供了很好的參考，但由于超100Gb/s傳輸速率一般至少要提升4倍或10倍，相應參與光電信號處理的光學器件和微電子器件工作帶寬顯著提升，超100Gb/s在后續(xù)發(fā)展方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

    　第一，多技術路線選擇整體上不利于超100Gb/s未來發(fā)展。無論是客戶側還是線路側，超100Gb/s的技術路線都面臨多樣化競爭方案選擇，不像在100Gb/s發(fā)展階段中技術優(yōu)勢明顯的DP-QPSK和基于數(shù)字信號處理（DSP）的相干接收等，目前超100Gb/s技術方案中暫時沒有哪種方案明顯占優(yōu)，這種方案多樣性在有利于通過競爭來攻關技術難題、探索技術新方向的同時，將產生諸多業(yè)內互相競爭的產業(yè)鏈條，在一定程度上會影響超100Gb/s整體產業(yè)的成熟進度，類似現(xiàn)象在40Gb/s發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)。因此，盡快推動超100Gb/s標準化進程至關重要。

    　第二，未來實際帶寬需求量將影響超100Gb/s技術發(fā)展節(jié)奏。按照思科公司2012年預測，2016年固定互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求大約是2011年的3.5倍，移動數(shù)據(jù)帶寬需求大約是2011年的18倍，而中國電信預測2017年干線網(wǎng)絡最大截面?zhèn)鬏斝枨髮⑦_38Tb/s，基于現(xiàn)有商用的100Gb/s傳輸技術承載未來巨量帶寬需求將面臨成本、功耗、機房面積、光纜資源和運維等諸多挑戰(zhàn)，而且目前尚未出現(xiàn)相比光纖通信技術容量更大的其他傳輸技術。因此未來4~5年出現(xiàn)超100Gb/s傳輸需求的可能性較大，但最終實際需求還是要取決于后續(xù)實際帶寬需求的發(fā)展規(guī)模，這將直接影響超100Gb/s技術成熟的節(jié)奏。

    　第三，超高速光電處理及芯片實現(xiàn)面臨瓶頸。由于無論是客戶側還是線路側，超100Gb/s速率相對于100Gb/s而言至少增加4倍或更高，采用現(xiàn)有技術和芯片工藝在功耗、集成度和成本等方面優(yōu)勢不大，而采用新技術和新工藝等將在調制和編碼、系統(tǒng)傳輸、解調和數(shù)字信號相干接收處理等方面面臨技術挑戰(zhàn)，典型如客戶側高速率（如50/56Gb/s）電接口、線路側高采樣率數(shù)模/模數(shù)轉換器（64Gb/s以上）、更低功耗超大規(guī)模電路DSP處理電路、優(yōu)化線路損傷提升傳輸距離的DSP處理算法、更高增益FEC等。由于超高速光電處理及相關芯片涉及光學和微電子等基礎領域，超100Gb/s在頻譜效率、傳輸距離、集成度、成本和功耗等方面還需要大量的技術和工藝創(chuàng)新，才能達到商用化要求水平，這是超100G發(fā)展目前面臨的最突出障礙。

    尚處發(fā)展初期，未來演進存多種可能

   　雖然目前400Gb/s已經出現(xiàn)了商用試驗案例，但縱觀應用需求、技術路線、標準規(guī)范、設備研制等多方因素，超100Gb/s整體上尚處發(fā)展初期，后續(xù)演進存在多種可能。第一，從客戶側應用需求來看，由于傳輸速率標準已經確定為400GE，目前國外大量的400GE超高速光互聯(lián)驅動主要來源于大型和超大型數(shù)據(jù)中心建設，而我國超100Gb/s首要應用需求則可能出現(xiàn)在干線網(wǎng)絡，因此400GE技術將同時面臨100~500m、2~10km、40km等多種應用需求，這將導致后續(xù)標準方案更多、方案間競爭更為激烈，最終接口目標距離和傳輸技術選擇有待業(yè)界共同推動。第二，從線路側速率選擇來看，目前客戶側選擇400GE意味著線路側速率至少是400Gb/s或者更高（包括速率靈活可配置方式）。由于現(xiàn)有方案實現(xiàn)的線路側400Gb/s技術在傳輸距離和頻譜效率上尚未達成有效平衡，最終線路側速率的選擇將由帶寬需求驅動的節(jié)奏（如帶寬增速快，應用需求周期短等）、應用場景（如干線或城域等）、技術突破（如出現(xiàn)重大技術創(chuàng)新等）多種因素確定，但近2~3年的設備樣機研制或現(xiàn)網(wǎng)試驗則將主要以400Gb/s為主。第三，從線路側技術選擇上來看，除了繼承100Gb/s關鍵技術本質之外，采用基于奈奎斯特和OFDM等多子載波進行反向復用是目前看到可能使用的新技術點，但100Gb/s具體調制格式（如DP-16QAM、DP-QPSK以及其他更復雜的混合調制等）與具體線路傳輸技術的選擇目前尚未明晰，有待業(yè)界后續(xù)進一步推動。

    總結

   　未來潛在的超寬帶應用和技術革新等驅動超100Gb/s成為高速光傳輸研究熱點。從整體發(fā)展上來看，超100Gb/s尚處于發(fā)展初期，目前尚未確定關鍵技術特性，但未來2~3年傳輸產品研制則以400Gb/s速率為主，后續(xù)演進存在多種可能性，這對于我國而言也是進一步提升超高速光通信技術及產品國際競爭力的絕佳機會。