中國(guó)移動(dòng)漫談400G：400G新型全光網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

伴隨5G-A、6G技術(shù)發(fā)展，以及“東數(shù)西算”工程等戰(zhàn)略需求的增長(zhǎng)，骨干傳送網(wǎng)在超大帶寬、超長(zhǎng)距離和超低時(shí)延方面面臨更高的需求和挑戰(zhàn)。骨干網(wǎng)是綜合承載各項(xiàng)業(yè)務(wù)的信息“大動(dòng)脈”，是整個(gè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的“承重墻”。面向“東數(shù)西算”“東數(shù)西存”等算力網(wǎng)絡(luò)典型場(chǎng)景需求，中國(guó)移動(dòng)構(gòu)建400G新型全光網(wǎng)，構(gòu)筑算力網(wǎng)絡(luò)的全光底座。

100G規(guī)模應(yīng)用已歷經(jīng)10年，400G是光傳送網(wǎng)的下一項(xiàng)重大變革性代際技術(shù)。400G通過提升信號(hào)波特率和采用高階調(diào)制格式，使單纖傳輸容量提升4倍，單比特成本有望降低至60%。然而相比100G，400G系統(tǒng)的OSNR容限要求至少提升6dB，需系統(tǒng)化地對(duì)光纖、光放大器、調(diào)制格式等多維度關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，以滿足80波的大容量系統(tǒng)要求及城域中短距和骨干長(zhǎng)距不同應(yīng)用場(chǎng)景的傳輸性能要求。面向城域中短距應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)考慮頻譜效率和低成本部署，基于G.652.D光纖和純EDFA放大仍是400G城域網(wǎng)的基本要求。面向骨干長(zhǎng)距應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)考慮傳輸性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，考慮逐站OXC穿通的全光組網(wǎng)場(chǎng)景，16QAM支持約240km的傳輸距離，可以滿足數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場(chǎng)景需求，若傳輸性能進(jìn)一步提升可考慮在城域網(wǎng)部分應(yīng)用；16QAM-PCS具備約720km的傳輸能力，可覆蓋城域、部分省域傳輸?shù)闹饕獔?chǎng)景；QPSK可實(shí)現(xiàn)1500km以上的無電中繼傳輸，是400G長(zhǎng)距應(yīng)用的最佳碼型選擇，結(jié)合G.654.E光纖和拉曼放大技術(shù)可以進(jìn)一步延長(zhǎng)系統(tǒng)無電中繼傳輸距離。400G QPSK技術(shù)的引入，標(biāo)志著光傳送網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入“C6T+L6T”寬譜光通信時(shí)代，是繼SDH、直調(diào)WDM、OTN光聯(lián)網(wǎng)和相干光通信后又一重大技術(shù)變革。

400G驅(qū)動(dòng)光傳送網(wǎng)進(jìn)入寬譜光通信時(shí)代

面對(duì)業(yè)界存在的多種400G技術(shù)走向，中國(guó)移動(dòng)明確了城域/省域中短距場(chǎng)景采用16QAM和16QAM-PCS，骨干長(zhǎng)距場(chǎng)景采用QPSK的技術(shù)路線。在100G時(shí)代，基于C4T波段在50GHz通道間隔下實(shí)現(xiàn)80波系統(tǒng)。而對(duì)于不同的400G調(diào)制技術(shù)，16QAM的波特率約為67GBaud、通道間隔為75GHz，為滿足80波的系統(tǒng)配置，波段范圍需從傳統(tǒng)C4T波段擴(kuò)展到C6T波段；16QAM-PCS的波特率約為91GBaud、通道間隔為100GHz，若要滿足80波配置要求，波段范圍必須從C4T波段擴(kuò)展到“C+L”波段；QPSK的波特率約為130GBaud、通道間隔為150GHz，80波系統(tǒng)需要進(jìn)一步擴(kuò)展到12THz的“C6T+L6T”波段。由以上可知，“寬譜”是400G時(shí)代最突出的技術(shù)特征，也是最顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)。

寬譜技術(shù)的應(yīng)用主要面臨寬譜器件與寬譜系統(tǒng)兩大挑戰(zhàn)。在從100G到400G的技術(shù)發(fā)展歷程中，光模塊在器件帶寬方面面臨巨大的壓力和挑戰(zhàn)，需從28GBaud最高提升至130GBaud。光通信進(jìn)入寬譜時(shí)代后，光器件及模塊在寬譜方面的挑戰(zhàn)更加凸顯。在波段范圍擴(kuò)展至“C6T+L6T”后，EDFA放大器出現(xiàn)了L波段長(zhǎng)波增益低、放大器體積大、不同波段難以一體化放大等新的技術(shù)難題；WSS、ITLA等其他核心組件，需要支持?jǐn)U展至新的波段范圍且性能與C波段保持一致，并由分立式向“C+L”一體化演進(jìn)。

此外，在寬譜系統(tǒng)層面，“C6T+L6T”波段最長(zhǎng)與最短波的頻差達(dá)12.5THz，已經(jīng)非常接近受激拉曼散射（SRS）效應(yīng)的13.4THz增益峰值。在SRS效應(yīng)的作用下，短波信號(hào)功率將被長(zhǎng)波抽取，造成顯著的波道間功率不平坦，導(dǎo)致系統(tǒng)整體傳輸性能的劣化。中國(guó)移動(dòng)通過實(shí)驗(yàn)表明：80波配置的“C6T+L6T”400G QPSK信號(hào)經(jīng)過一個(gè)80km G.652.D標(biāo)準(zhǔn)跨段傳輸后產(chǎn)生的最大功率轉(zhuǎn)移就已高達(dá)7dB，而在同等實(shí)驗(yàn)條件下，100G使用的C4T波段僅存在小于1dB的功率轉(zhuǎn)移。此時(shí)，滿波配置的400 QPSK系統(tǒng)均衡除了面臨12THz寬譜、跨“C+L”波段兩大挑戰(zhàn)外，還需處理SRS效應(yīng)所致的功率轉(zhuǎn)移問題，保證系統(tǒng)末端各通道性能相近。當(dāng)前，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在靜態(tài)環(huán)境下均衡后波道平坦度<±2.5dB，未來應(yīng)繼續(xù)研究在增減波、網(wǎng)絡(luò)割接等復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、模板化的自適應(yīng)均衡，力爭(zhēng)波道平坦度≤±0.5dB。

中國(guó)產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)400G?QPSK技術(shù)走向

2018年至2021年，業(yè)界先后推出了采用16QAM和16QAM-PCS實(shí)現(xiàn)單通道400G傳輸?shù)募夹g(shù)路線。國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)廣泛參與，共同推動(dòng)了技術(shù)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)完善，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)處于并跑水平。例如，日本NTT公司在2020年基于EDFA/拉曼混合放大和G.654.E光纖采用400G 16QAM完成2019km實(shí)時(shí)傳輸試驗(yàn)；中國(guó)移動(dòng)在2021年基于純EDFA放大和G.652.D光纖采用400G 16QAM-PCS完成1077km沈陽(yáng)—大連現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)，鏈路含16個(gè)跨段、平均跨段損耗21dB，且系統(tǒng)末端具有6dBOSNR余量。

經(jīng)過產(chǎn)業(yè)界多年的努力，400G 16AM-PCS的B to B OSNR容限已達(dá)約17.5dB。在基于G.652.D光纖的經(jīng)典商用場(chǎng)景下，可支持約1000km的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和約720km的逐跨OXC組網(wǎng)傳輸。然而，我國(guó)幅員遼闊，面向“東數(shù)西算”超長(zhǎng)距離、超低時(shí)延需求，應(yīng)考慮OXC全光組網(wǎng)及1500km以上的傳輸能力。此外，對(duì)于引入光層保護(hù)的跨段，還要增加大約4.5dB的額外插損。400G 16QAM-PCS技術(shù)難以較好滿足我國(guó)的長(zhǎng)距骨干網(wǎng)實(shí)際需求。因此，中國(guó)產(chǎn)業(yè)于2021年提出采用400G QPSK低階調(diào)制、130GBaud高波特率、“C6T+L6T”擴(kuò)展波段技術(shù)路線，以滿足超1500km 80波系統(tǒng)傳輸。但高波特率、擴(kuò)展波段等技術(shù)難度大，對(duì)芯片、器件要求高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期投入QPSK端到端研發(fā)存在疑慮。

通過充分論證QPSK的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及考慮未來800G及更高速率網(wǎng)絡(luò)必然走向高波特率、擴(kuò)展波段路線，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界堅(jiān)定地明確了以QPSK作為400G骨干全光網(wǎng)的技術(shù)基石，全力推動(dòng)光傳送網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入寬譜光通信時(shí)代，協(xié)同推進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。2023年中國(guó)移動(dòng)在寧波、北京、貴陽(yáng)召開3次技術(shù)進(jìn)展發(fā)布會(huì)，宣布創(chuàng)造400G長(zhǎng)距傳輸3項(xiàng)世界紀(jì)錄，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)基本構(gòu)建了涵蓋芯片、器件、模塊、設(shè)備、系統(tǒng)的自主可控產(chǎn)業(yè)鏈，有力推進(jìn)了400G QPSK技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟。

2023年3月，在寧波主辦“光網(wǎng)筑底算力揚(yáng)帆——中國(guó)移動(dòng)算力網(wǎng)絡(luò)400G全光網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)階段總結(jié)暨產(chǎn)業(yè)推進(jìn)研討會(huì)”，發(fā)布世界最長(zhǎng)距離400G光傳輸技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。在預(yù)留0.06dB/km光纖維護(hù)余量的前提下，實(shí)現(xiàn)了基于G.652.D光纖、EDFA/拉曼混合放大的5616km傳輸，且系統(tǒng)末端仍具有2.2dB的OSNR余量，驗(yàn)證了QPSK的長(zhǎng)距傳輸能力。2023年5月，在北京舉辦“《下一代全光骨干傳送網(wǎng)白皮書》發(fā)布會(huì)”，展示了基于G.654.E光纖和純EDFA放大實(shí)現(xiàn)的“C6T+L6T”波段400G QPSK7000km傳輸成果，是目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的最高水平，論證了G.654.E光纖在提升超高速超寬譜光傳輸系統(tǒng)性能方面的優(yōu)越性。

2023年6月，在貴陽(yáng)舉辦“中國(guó)移動(dòng)‘九州’算力光網(wǎng)白皮書暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展倡議發(fā)布會(huì)”，宣布基于G.652.D光纖完成了全球最長(zhǎng)距離的純EDFA經(jīng)典商用場(chǎng)景80×400G QPSK 1673km現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)，鏈路含30個(gè)跨段、平均跨段損耗19dB，在預(yù)留0.06dB/km光纖維護(hù)余量的前提下，系統(tǒng)末端OSNR余量6.4dB，檢驗(yàn)了400G QPSK面向商用部署的系統(tǒng)能力。相關(guān)研究成果在技術(shù)上全面論證了基于QPSK的400G新型骨干全光網(wǎng)的可行性，核心技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)已基本滿足現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用需求，為構(gòu)建算力網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延全光底座打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，因此2023年有望成為400G規(guī)模商用元年。

400G和G.654.E光纖雙雙進(jìn)入高速發(fā)展期

中國(guó)移動(dòng)面向算力網(wǎng)絡(luò)等新業(yè)務(wù)發(fā)展需求，以構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為己任，目前已完成省際400G新型骨干網(wǎng)建設(shè)方案的規(guī)劃和決策，開始構(gòu)建全球首個(gè)最大規(guī)模、最廣覆蓋的400GOTN骨干網(wǎng)，同時(shí)加快技術(shù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，助力算力業(yè)務(wù)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此外，結(jié)合流量增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2024年400G技術(shù)將進(jìn)一步向省域骨干、城域核心層延伸應(yīng)用。

G.654.E光纖相比傳統(tǒng)G.652.D光纖具有超低損耗和低非線性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于400G系統(tǒng)可以帶來至少2dB的性能提升。中國(guó)移動(dòng)與產(chǎn)業(yè)界正在協(xié)同推進(jìn)擴(kuò)大G.654.E光纖的部署應(yīng)用。面向800G及更高速率系統(tǒng)演進(jìn)，G.654.E對(duì)系統(tǒng)性能提升的必要性更加凸顯，具有更為廣闊的應(yīng)用空間。

從技術(shù)發(fā)展來看，400G QPSK光模塊當(dāng)前均為MSA固定模塊，未來兩三年應(yīng)在傳輸性能基本不變或滿足系統(tǒng)要求的前提下向可插拔、小型化、低功耗演進(jìn)；在超寬譜器件方面，國(guó)內(nèi)主流廠家的ITLA、EDFA、WSS等核心器件已經(jīng)全面支持12THz，需要進(jìn)一步引導(dǎo)“C+L”雙系統(tǒng)向單系統(tǒng)演進(jìn)；在自主可控方面，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)高速光管芯、先進(jìn)oDSP芯片等關(guān)鍵組件的國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)突破和完善。此外，基于部署一代、預(yù)研一代的技術(shù)發(fā)展理念，應(yīng)圍繞單通道800G/1.2T系統(tǒng)開展關(guān)鍵技術(shù)研究，提前布局下一代光通信前沿技術(shù)。

*本文刊載于《通信世界》總第930期 2023年10月25日 第20期

原文標(biāo)題:《400G新型全光網(wǎng)技術(shù)發(fā)展》

作者：中國(guó)移動(dòng) 李晗 鄒洪強(qiáng) 劉卓

張德朝 韓柳燕 王東 左銘青

責(zé)編/版式：王禹蓉

審核：舒文瓊

監(jiān)制：劉啟誠(chéng)