全光傳送網擴容路徑的預判

8月3日，以“智簡全光助萬物光聯”為主題的2022中國光網路研討會在京隆重召開。會上，工信部通訊科技委常務副主任、中國電信集團公司科技委主任、中國光網路研討會大會主席韋樂平發表了《全光傳送網擴容路徑的預判》的主題演講，分享了全光傳送網的流量新趨勢，以及擴容路徑。

▲韋樂平, 工信部通訊科技委常務副主任、中國電信集團公司科技委主任、中國光網路研討會大會主席

一、全光傳送網的流量新趨勢

傳送網的流量主要來自路由器，而路由器埠速率的提升可以減少IP鏈路數量，簡化路由部署，因而路由器埠的速率在不斷提升。路由器埠速率的每一次提升都會驅使相應傳送網線路速率也隨之升級，與之匹配，減少傳輸成本。多年來這一規律一直未變。

近些年來，IP網路架構的扁平化帶來更多的連線局向及東西向流量，明顯減輕了核心路由器埠速率提升的壓力。另一方面，骨幹光纜網的物理路由很少，大量不同局向的IP鏈路匯聚在有限的光纜物理路由上，導致光傳送網的鏈路容量增速比核心路由器更快更早的出現400G速率的需求。

關於CTC骨幹傳送最大鏈路容量趨勢，有資料顯示，2010-2020年這10年傳送網總容量年均增長33%;未來10年降至14%。2016年後已有多個傳輸鏈路段容量超30T，2021年最大傳輸鏈路段容量118T，預計到2030年最大傳輸鏈路段容量將近400Tb/s。

二、全光傳送網的擴容路徑

韋樂平表示，“全光傳送網有六條擴容路徑，分別是擴充套件頻譜、提升速率、提高譜效、延長距離、多芯光纖、多纖光纜。”

光域擴容路徑一：擴充套件頻譜

傳統C波段4THz支援100G✕80波，單纖總容量8Tb/s。C+波段4.8THz支援100G✕96波，單纖容量提升20%。擴充套件C+波段6THz支援100G✕120波，單纖容量提升50%，達12Tb/s。擴充套件C+波段和L+波段12THz支援240波，單纖容量提升約為200%，達16Tb/s。目前已能支援11THz的譜寬。

需開發C+和L+一體化光器件(新摻雜光放、鐳射器、WSS、CL光纖等)、解決多通道光功率的動態均衡、非線性補償等技術難點。C+L+S波段165nm擴充套件約5倍，面臨更大的挑戰。近中期，頻譜擴充套件50%乃至達200%。中長期，頻譜擴充套件5倍有技術可能。

光域擴容路徑二：提升速率

100G是目前長途主要速率，200G也已在長途規模應用。400ZR/400G ZR+已能在城域DCI、城域接入、城域核心、區域骨幹網等中短距場景應用。

130G波特QPSK單波400G將是下一代長途主用速率，距離能從600公里提升至1500公里，可覆蓋99%長途網複用段距離，技術障礙oDSP即可突破(2023年)。800G短距可商用，中距有希望。

近中期，長距單波速率提升2倍，短距提升4倍有望。中長期，長距單波提升4-8倍可望而難及。在技術挑戰方面，主要靠oDSP和超級FEC的突破性進展。

現如今，400G時代已經開啟。數字經濟轉型帶來大量新業務、新應用、新技術、新模式，對底層網路的架構、容量、速率、效能、可用性提出了新的要求。

資料中心(DC)率先開啟向400G的過渡，2019年400G已開啟應用，2023年將成為主導。公用電信網在網路邊緣也開啟向400G的過渡，400G是未來5年光模組的主要增長點，複合增長率達到44%。OIF的400ZR、Open ZR+和OpenRoadm MSA的400ZR+。

矽、矽光和DSP進展催生了通用光模組，數字相干可插拔光模組，突破尺寸、成本、功耗障礙，適用多系統、多拓撲、多場景。CTC區域/長途網多個段落容量超30T，最高超110T，用單波400G WDM替代單波100G WDM，可節約大量昂貴的轉發器和光纖。

目前一代的商用oDSP採用7nm、96GB波特率、64QAM調製碼型已能夠支援800G速率短距離傳輸。新一代的oDSP採用5nm、130GB波特率、QPSK調製碼型能支援400G速率1500公里的長距離傳輸。

oDSP演算法具有三個關鍵，分別是機率整形(PS)、高效能前向糾錯(CFEC，OFEC)、數字副載波調製(DSCM)。

PS可望提升光訊雜比大約2dB，高效能FEC透過級聯編碼和軟判決結合多次迭達譯碼，可獲取高達約12dB的淨編碼增益。DSCM不僅可以增強高波特率訊號對色散和濾波的容忍度，還能增強對非線性的容忍度。

800G的發展狀況和路徑，第一階段是嵌入式光模組。2021年底，Ciena和Infinera宣佈短距離800G光模組已經商用，採用7nm和90GB+波特率oDSP技術。由於技術制約導致的尺寸限制，目前產品依然是整合在光線路系統的線路板上的嵌入式光模組。

第二階段是相干數字可插拔光模組，為支撐這一目標的實現，需要至少5nm和13GB+波特率oDSP的支撐，預計不遠的將來短距離系統有望。最新的進展是Acacia採用5nm和140GB波特率oDSP，已經能夠在150GHz通道間隔下傳送1.2T速率的訊號。

光域擴容路徑三：提高譜效

100G速率及以下，譜效率提升與速率提升基本成正比例，100G的譜效率約為2。100G速率及以上，譜效率越高，需更高OSNR，更大傳送功率，光纖非線性呈現，傳輸距離縮短，譜效率提升速率趨緩。

提高譜效率理論上靠更高QAM星座數，但距離縮短，實現代價更高，干擾容限更小;實踐上主要靠更高波特率支援，預計130GB+波特率oDSP問世後，可以支援400G QPSK碼型的長途傳輸。長遠看，期望256QAM結合200G+波特率技術有突破。

可見，譜效率提升受限光纖非線性，已趨飽和，擴充套件空間十分有限。

光域擴容路徑四：延長距離

增加訊號功率S：空間不大，受限於光纖非線性和鐳射器壽命，超低損大有效面積光纖有一定空間，G.654E已標準化和實用化。

降低噪聲功率N：空間不大，受限於光纖損耗和光放噪聲係數3dB，超低損大有效面積光纖有一定空間，G.654E已標準化和實用化。

採用G.654E光纖有望比G.652D光纖延長距離80%。依靠光器件效能的改進和基於AI的認知光技術，有望減少系統設計裕度3dB左右，難度大，尚在研究階段。中期，400G達到1500公里距離。長期，800G達到1500公里距離。

光域擴容路徑五：多芯光纖

據報導，多芯光纖(MCF)可在同一包層內容納3-37芯，可擴容3-37倍。為相容125um包層，規避密集芯間的干擾，只能容納3-4芯。器件和子系統需全面突破，含光放大器、收發器、光濾波器、光交換器件，訊號監視器等。

光纖光纜的設計、生產、連線、施工、維護將全部重建。僅僅節省幾根光纖，卻需要幾乎是光通訊全產業鏈的重新設計和產業化，代價巨大，得不償失。

可見，多芯光纖的擴容空間有限，但是代價巨大，主要適用於物理空間高度受限的短距海纜系統。

光域擴容路徑六：多纖光纜

基於一纜多纖的空間多工是最現實的長期擴容途徑，簡單易行、可線性按需擴容且擴容幅度大(幾十倍)，能滿足長期容量需求的基礎解決方案，結合G.645E光纖可作為長途高容量路由長期擴容的基本架構。

對400G系統，光纜的成本不到總造價5%，影響不大。為了降低總成本，需要開發高密度光纜、高密度埠、高密度整合光放大器陣列等，代價可控。

近中期，骨幹光纜結合現有擴容技術能基本滿足容量需求。長遠期，高容量路由敷設高芯數光纜(1000芯+)，結合現有擴容技術可以滿足20年以上容量需求。

光纜費用佔系統總造價比例隨芯數增加而下降，500芯和1000芯常規G.652D光纜佔總造價比例分別為1.8%和1%左右。採用G.654E光纜後，500芯和1000芯光纜佔比僅分別提升至4.8%和3.5%。

多纖空間多工再結合現有擴容技術最簡便、擴容大、成本低，是現實的長期擴容途徑，有望滿足20年以上需求。

三、全光交換節點技術的擴容路徑

光交換節點擴容路徑一：波長交換

作為波長交換的核心器件WSS的擴容是關鍵，提升單纖容量TDM方向有一定空間，但空間有限。擴充套件頻譜範圍WDM方向有一定空間，但空間有限。增加埠數有擴充套件空間，但空間也將受限。

隨著全光網規模的擴大、網路拓撲的扁平化，以及向都會網路的延伸，網路結構越來越複雜，光交換節點方向數及WSS的埠數需求也越來越大。

目前埠擴容主要採用分割槽技術擴容，從單WSS到雙WSS至四WSS，埠數也相應增加2至4倍。32維雙WSS已規模商用，後續將可能是48維-64維-80維-120維，難度越來越大，主要挑戰是埠隔離度難達標。

光交換節點擴容路徑二：光纖交換

基於波長交換的擴容趨勢是以20/32維為主，64維ROADM的600T容量可滿足2023年/2024年最大容量需求。80/120維波長交換架構下不同波長間不能無約束交換，阻塞率隨埠數非線性快速增長，阻塞率遠高於阻塞率隨埠線性增長的空分交換方式，因而擴容空間受限。

高於64維有可能不得不採用節點分裂的擴容方式，基於光纖空間多工和交換方式的擴容，潛力大、需求強、經濟性。

近中期，繼續依靠波長交換方式的ROADM擴容。中長期，節點分裂擴容方式。長遠期，節點和鏈路靠光纖空間多工和交換技術。