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作者：趙文玉，工信部電信研究院 在云計算、大數據、物聯(lián)網(wǎng)等諸多新型應用的驅動(dòng)下，國內外100Gb/s技術(shù)已成熟商用并實(shí)現規模部署，超100Gb/s高速傳輸技術(shù)成為光通信領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)之一�？v觀(guān)近期IEEE /ITU-T標準制定、主流設備商樣機研制、典型運營(yíng)商現網(wǎng)試點(diǎn)等諸多超100Gb/s技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，400Gb/s借助標準化推動(dòng)和技術(shù)近期可商用等特性成為目前最受關(guān)注的超100Gb/s候選速率，如何合理選擇400Gb/s技術(shù)方案并推動(dòng)其未來(lái)產(chǎn)業(yè)化應用引起業(yè)界普遍關(guān)注。 400G標準研究及制定業(yè)已啟動(dòng)，三大標準組織協(xié)作穩步推進(jìn) 隨著(zhù)100Gb/s技術(shù)及標準日趨完善，國際標準化組織ITU-T、IEEE和OIF的高速傳輸標準化工作逐步轉向超100Gb/s。ITU-T SG15圍繞下一代支持超100Gb/s的 OTN結構演進(jìn)、IEEE 802.3聚焦新一代高速以太網(wǎng)速率、OIF側重超100Gb/s用模塊及芯片接口等開(kāi)展研究，2013年3月IEEE 802全會(huì )上正式?jīng)Q定 400GE立項則標志著(zhù)400Gb/s速率標準化工作正式啟動(dòng)。參照IEEE 802.3標準常規制定周期，預計2016~2017年左右400GE制定完成，預計ITU-T SG15基于400GE客戶(hù)側信號優(yōu)先驅動(dòng)的超100Gb/s OTN標準化工作同期完成，OIF在2015年年初400Gb/s白皮書(shū)完成以后預計將啟動(dòng)400Gb/s光模塊和器件等標準化工作。另外，我國標準化組織CCSA 在400Gb/s標準研究與制定工作方面與國外同步，目前正在進(jìn)行400Gb/s長(cháng)距離傳輸、400Gb/s光模塊等相關(guān)標準化研究工作。 鑒于ITU-T和IEEE在10Gb/s、40Gb/s技術(shù)標準化過(guò)程中合作不力的歷史教訓(導致OTN容器在承載以太網(wǎng)10GE LAN 和40GE LAN接口時(shí)兼容性差)，以及ITU-T、IEEE和OIF在100Gb/s傳輸技術(shù)標準制定過(guò)程中的成功合作的經(jīng)驗，三大標準組織在400Gb/s標準制定過(guò)程中保持著(zhù)良好的溝通，并且不定期通過(guò)標準組織之間正式交流函的方式告知自身制定標準的進(jìn)展以及與他方標準的協(xié)調問(wèn)題，典型如ITU-T和IEEE對于 400Gb/s模塊的重用性、OIF和IEEE對于電域物理單通路特性的相互兼容性等。按照目前ITU-T專(zhuān)注400GE映射和長(cháng)距離傳輸、IEEE規范客戶(hù)側接口400GE、 OIF側重400Gb/s模塊及接口等標準化范疇，400Gb/s標準將在三大標準組織的齊力協(xié)作下穩步推進(jìn)，預計2016~2017年期間400Gb/s標準將正式面世。 400G多樣化設備樣機逐步推出，現網(wǎng)試點(diǎn)驗證加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 和昔日10Gb/s、40Gb/s和100Gb/s技術(shù)發(fā)展類(lèi)似，400Gb/s在步入正式商用之前需要經(jīng)歷技術(shù)、市場(chǎng)等多維度選擇和競爭。國內外諸多設備廠(chǎng)商為了盡早選擇優(yōu)勢技術(shù)方案并奪取市場(chǎng)先機，近兩年已逐步競相推出400Gb/s原型樣機，如華為、中興、烽火、阿朗(上海貝爾)、Ciena、Coriant、富士通等等。這些設備樣機主要采用四載波100Gb/s速率、兩載波100Gb/s來(lái)通過(guò)多子載波復用技術(shù)來(lái)傳輸400Gb/s信號，也有部分廠(chǎng)商直接采用單載波400Gb/s技術(shù)。另外，為了更好地兼容超400Gb/s信號傳輸并根據市場(chǎng)最終需求靈活選擇速率，設備樣機一般設計為靈活支持多種傳輸速率，除了400Gb/s速率之外還可支持如1Tb/s、1.6Tb/s或2Tb/s等，這在促進(jìn)400Gb/s技術(shù)和設備優(yōu)勝劣汰競爭的同時(shí)也為速率更高的傳輸技術(shù)發(fā)展奠定了前期基礎。 國內外主流光傳輸設備商在成功研制400Gb/s設備樣機的同時(shí)，從2012年左右開(kāi)始擇機在運營(yíng)商現網(wǎng)或實(shí)驗室開(kāi)展試驗，典型如華為和荷蘭KPN、波蘭EXATEL等多個(gè)歐洲運營(yíng)商基于不同400Gb/s技術(shù)的試驗，中興和德國電信基于多種超100G速率的試驗，Ciena和Sprint/Vodafone、阿朗和澳大利亞及歐美多個(gè)運營(yíng)商、Coriant和奧地利A1/波蘭NETIA開(kāi)展400Gb/s試驗等。目前國外個(gè)別運營(yíng)商已經(jīng)或準備選擇400Gb/s技術(shù)承載在線(xiàn)業(yè)務(wù)，如法國電信選擇阿朗400Gb/s技術(shù)承載巴黎到里昂的業(yè)務(wù)、智利Telefonica擬選擇華為400Gb/s OTN技術(shù)承載數據中心互聯(lián)業(yè)務(wù)等。國內運營(yíng)商在400Gb/s新技術(shù)試點(diǎn)與國外比較相對滯后，2013年年底中國移動(dòng)率先啟動(dòng)了基于400Gb/s速率的實(shí)驗室及現網(wǎng)試點(diǎn)測評項目，華為、中興、烽火和阿朗均參與該項目，相關(guān)工作預計2014年第三季度完成，其他兩大運營(yíng)商尚在籌劃之中。從未來(lái)發(fā)展來(lái)看，主流廠(chǎng)商400Gb/s設備樣機的成功研制和多個(gè)運營(yíng)商現網(wǎng)試點(diǎn)評測之間的互動(dòng)在一定程度上加速了400Gb/s技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，這為400Gb/s技術(shù)日后競爭超100Gb/s長(cháng)距傳輸首選速率創(chuàng )造了優(yōu)勢條件。 400G繼承100G關(guān)鍵技術(shù)，調制及載波存在個(gè)性差異 100Gb/s突破了原有基于強度調制、強度檢測的傳統傳輸技術(shù)路線(xiàn)，引入了相位調制和基于數字信號處理(DSP)的相干接收等新型機制，是高速傳輸技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑事件�？紤]到100Gb/s近期才開(kāi)始規模部署，同時(shí)兼顧未來(lái)傳輸帶寬增長(cháng)節奏及需求時(shí)機、超高速光電器件和芯片發(fā)展現狀、單比特功耗及成本等諸多因素，400Gb/s將采用繼承100Gb/s的偏振復用、相位調制、基于數字信號處理(DSP)的相干接收、基于多種優(yōu)化算法的前向糾錯(FEC)等關(guān)鍵技術(shù)，不太可能采用實(shí)現機制更為復雜、基于電域或光域的正交頻分復用(OFDM)技術(shù)或類(lèi)OFDM技術(shù)。因此，從技術(shù)實(shí)現本質(zhì)機理上而言，400Gb/s繼承了100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)并力爭重用相關(guān)器件芯片，相對100Gb/s而言并沒(méi)有引入重大技術(shù)變革。 從具體實(shí)現細節上來(lái)看，400Gb/s技術(shù)在調制碼型選擇和載波數量方面也呈現出個(gè)性差異。相對100Gb/s技術(shù)而言，400Gb/s比特速率增加了4倍，如果采用和100Gb/s類(lèi)似的單載波和正交相移鍵控(QPSK)調制技術(shù)，那么信號波特率將達到112Gbaud量級，這無(wú)論在電域信號處理、還是在光域信號調制都根本無(wú)法實(shí)現(目前光電商用化器件也就支持到28~32Gbaud左右的波特率)。因此，400Gb/s技術(shù)在繼承100G關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，采用了增加調制階數和(或)提升載波數量的方式降低信號處理的波特率，典型如采用4載波、單載波100Gb/s速率的QPSK調制方式，采用2載波、單載波200Gb/s速率的16 QAM(正交幅度調制)調制方式等，或者采用單載波400Gb/s速率的16 QAM等調制方式。另外，考慮到軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)理念向光網(wǎng)絡(luò )延伸，基于軟件可配置或自適應的調制和多載波復用技術(shù)將有可能在400Gb/s技術(shù)中引入，也即400Gb/s信號發(fā)射端需要引入數模轉換(DAC)功能模塊以實(shí)現調制碼型的靈活調整或配置。 400G譜效和距離難能兩全，方案選擇與應用場(chǎng)景相關(guān) 單通路傳輸速率不斷提升的目的主要體現在特定的頻譜資源內實(shí)現更高的頻譜效率(也即每Hz頻譜每秒傳輸的比特數更高)、實(shí)現系統資源優(yōu)化管理并進(jìn)一步降低單位比特成本等。傳輸速率從100Gb/s提升到400Gb/s時(shí)，單通路速率提升的同時(shí)必然要提升頻譜效率，否則單純將單通路速率提升到400Gb/s意義不大。另外，傳輸距離也是更高速率技術(shù)必須考慮的問(wèn)題，也即速率提升的同時(shí)不能顯著(zhù)降低可達距離，畢竟新技術(shù)的未來(lái)應用環(huán)境還將基于現有實(shí)際網(wǎng)絡(luò )的拓撲架構。由于頻譜效率和傳輸距離是對矛盾體，在采用相同技術(shù)和芯片工藝等前提下提升頻譜效率的同時(shí)增加傳輸距離不太現實(shí)，這種矛盾在400Gb/s時(shí)代尤為明顯。因此，目前業(yè)界推出了的幾種400Gb/s主流技術(shù)方案或側重頻譜效率，或側重傳輸距離，譬如4載波、單載波采用100Gb/s速率的QPSK調制方式的傳輸距離在1000km以上，但其頻譜效率約為3.2b/s/Hz;采用2載波、單載波采用200Gb/s速率的16 QAM調制方式的傳輸距離在500~600km量級，其頻譜效率提升至4~5b/s/Hz左右;而采用單載波400Gb/s速率其頻譜效率沒(méi)有顯著(zhù)變化，但由于采用單載波技術(shù)波特率提升了一倍(相關(guān)光電器件工作帶寬均需提升)，傳輸距離降低到200km~300km左右量級。 從芯片和設備研制、工程設計、網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)維護等角度考慮，采用達到共識的唯一傳輸技術(shù)方案將對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅動(dòng)力最大，這在40Gb/s和100Gb/s技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中得到充分驗證。目前400Gb/s面臨的技術(shù)發(fā)展環(huán)境與昔日40Gb/s有些類(lèi)似，只不過(guò)40Gb/s僅僅是采用調制碼型變化來(lái)改善傳輸距離，而400Gb/s則額外增加了調整子載波數量的維度，但400Gb/s面臨的市場(chǎng)環(huán)境與40Gb/s有所不同，目前及未來(lái)城域及跨區的大型數據中心等傳輸應用潛在需求很大，傳統干線(xiàn)優(yōu)先采用最高速率的傳統可能面臨變革。另外，雖然400Gb/s的多技術(shù)方案對于其未來(lái)產(chǎn)業(yè)化規模應用帶來(lái)一定障礙，但基于多種傳輸距離規格的新型高帶寬傳輸需求將對400Gb/s的多技術(shù)方案提供有力支撐。因此，400Gb/s技術(shù)方案未來(lái)的最終選擇與應用場(chǎng)景密切相關(guān)，很有可能率先打破高速傳輸新技術(shù)啟動(dòng)商用時(shí)單一方案一統天下的局面。 400G未來(lái)商用前景可期，尚存諸多不確定挑戰因素 新型超高帶寬應用和高速光通信技術(shù)革新等共同推動(dòng)傳輸速率持續提升。雖然何種速率將在未來(lái)占據超100Gb/s技術(shù)主導地位業(yè)界尚未達成共識，但400Gb/s基于其標準化制定、技術(shù)可實(shí)現、可重用100Gb/s器件/芯片等優(yōu)勢近期已成為超100Gb/s最受業(yè)界關(guān)注的候選速率。首先，從傳輸網(wǎng)絡(luò )帶寬提供能力上來(lái)看，目前100Gb/s系統剛開(kāi)始規模部署，按照思科公司2013年的預測，IP流量(傳輸帶寬主要消耗者)在未來(lái)幾年將保持大約23%的復合增長(cháng)率，按此估算大約7年以后帶寬需求相對2013年增長(cháng)4倍左右,也即2020年對于400Gb/s的帶寬需求和2013年對于100G的帶寬需求相當，因此至少需在2017~2018年左右啟動(dòng)現網(wǎng)承載業(yè)務(wù)應用試點(diǎn);其次，從產(chǎn)業(yè)標準及器件芯片支撐上來(lái)看，預計2016~2017年左右400Gb/s客戶(hù)側接口標準將制定完成，基于400GE客戶(hù)信號映射的新一代OTN架構也將標準化完成，相應400Gb/s關(guān)鍵芯片和器件也將逐漸成熟。綜合考慮上述應用需求及產(chǎn)業(yè)成熟度等因素，400G未來(lái)商用前景值得期待。 雖然目前來(lái)看400Gb/s速率未來(lái)占據超100Gb/s首選商用速率的可能性比較大，但也存在很多不確定性挑戰因素。首先是技術(shù)方案多樣化的影響問(wèn)題。前面已提及昔日40Gb/s技術(shù)生命周期短的重要原因之一就是技術(shù)方案太多，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化合力，而400Gb/s的技術(shù)方案面臨類(lèi)似情形，只不過(guò)方案數量相對40Gb/s要更少一些;第二，未來(lái)傳輸帶寬的實(shí)際增長(cháng)速率問(wèn)題。如果網(wǎng)絡(luò )未來(lái)傳輸帶寬需求增長(cháng)過(guò)快，那么按照4倍速率提升傳輸帶寬可能滿(mǎn)足不了增長(cháng)需求，而如果網(wǎng)絡(luò )未來(lái)傳輸帶寬需求增長(cháng)過(guò)慢，則100Gb/s主導的周期會(huì )加長(cháng)，隨著(zhù)時(shí)間推移和技術(shù)革新，大于400Gb/s的速率靈活可適配的傳輸技術(shù)將可能趨于成熟，基于400Gb/s技術(shù)的黃金期將不再重現。第三，400Gb/s技術(shù)成本和功耗問(wèn)題。業(yè)界為了探索可商用化的100Gb/s技術(shù)進(jìn)行了大規模投入，短期內無(wú)法獲取明顯的盈利，而且廠(chǎng)商之間競爭加劇了利潤率的降低。因此，如果400Gb/s技術(shù)在成本、功耗和集成度等方面相對100Gb/s而言沒(méi)有取得預期顯著(zhù)提升的話(huà)，短期內很難與100Gb/s進(jìn)行競爭，畢竟100Gb/s技術(shù)依然在不斷優(yōu)化和改善之中，相當于100Gb/s技術(shù)生命周期的延伸變相壓縮或者降低了400Gb/s技術(shù)的市場(chǎng)預期。 結論 400Gb/s借助標準化推動(dòng)和技術(shù)近期可達等成為目前聚焦度最高的超100Gb/s傳輸速率�；谥赜�100 Gb/s關(guān)鍵技術(shù)理念及核心器件，400Gb/s技術(shù)發(fā)展較快并已研制成功采用多種技術(shù)方案的設備樣機并開(kāi)展現網(wǎng)試驗。由于信號速率提升了4倍，400Gb/s與100 Gb/s相比而言采用了個(gè)性化的調制及載波技術(shù)，但預計不會(huì )采用復雜度更高的OFDM技術(shù)，目前已出現四載波QPSK、兩載波16-QAM和單載波16-QAM等多種典型方案，這些方案均無(wú)法實(shí)現頻譜效率與傳輸距離的完美匹配，只能根據應用場(chǎng)景特點(diǎn)選擇相對優(yōu)勢方案。綜合考慮未來(lái)帶寬需求及高速傳輸產(chǎn)業(yè)成熟進(jìn)度等，400b/s技術(shù)未來(lái)商用前景非常值得業(yè)界期待，但同時(shí)也存在諸多不確定性，預計到2016年左右400b/s技術(shù)的市場(chǎng)定位將趨于清晰。 |
