超100G技術(shù)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(wù)發(fā)展的推動下，100Gb/s光傳輸技術(shù)國內(nèi)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(zhǔn)備啟動100Gb/s光傳輸商用工程招標(biāo)建設(shè)，這標(biāo)志著我國100Gb/s技術(shù)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(shù)已逐漸成為業(yè)界關(guān)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(jīng)驗，國內(nèi)外科研機構(gòu)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(shù)研究，伴隨著2013年3月IEEE 802.3 400GE標(biāo)準(zhǔn)成功立項，400Gb/s已成為近期業(yè)界高度聚焦的超100Gb/s技術(shù)。

    業(yè)界共推，設(shè)備研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)均已啟動

    　在100Gb/s正式商用之前，業(yè)界主要關(guān)注點集中在100Gb/s設(shè)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(shè)備商用節(jié)奏加快，業(yè)界逐漸把超高速光傳輸技術(shù)攻關(guān)和新產(chǎn)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(nèi)的三大光傳輸設(shè)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(chǎn)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(nèi)運營商后期均有在實驗室或現(xiàn)網(wǎng)進行400Gb/s技術(shù)測試驗證的計劃。從目前公開報道的信息來看，國內(nèi)外主要光傳輸設(shè)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(shè)備研制難題包括調(diào)制格式、復(fù)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(yīng)用需求（包括傳輸距離、譜效等等）的商用化產(chǎn)品，而更高速率的超100Gb/s設(shè)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(shè)備以爭取未來市場先機的同時，高速傳輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織如國際電聯(lián)（ITU-T）、電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）、光互聯(lián)論壇（OIF）以及國內(nèi)的中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）等非常關(guān)注并已啟動相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)工作。ITU-T的SG15的Q11和Q6組分別開展超100Gb/s OTN幀結(jié)構(gòu)和超100Gb/s物理層標(biāo)準(zhǔn)研究工作，預(yù)計最快2014年上半年幀結(jié)構(gòu)將會有初步結(jié)論。IEEE的802.3主要負責(zé)高速光以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，2013年3月400GE標(biāo)準(zhǔn)項目立項成功，預(yù)計2016年~2017年400GE標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shù)委員會的WG1和WG4分別負責(zé)光傳送設(shè)備和光模塊標(biāo)準(zhǔn)化工作，近兩年分別開展了基于超100Gb/s傳輸技術(shù)及光模塊的標(biāo)準(zhǔn)類研究課題，目前整體上都在開展之中。

    超100G技術(shù)路線多樣，性能和成本平衡至關(guān)重要 

   　超100Gb/s主要涉及短距離互聯(lián)（客戶側(cè)）和長距離傳輸（線路側(cè)）?？蛻魝?cè)技術(shù)方面，鑒于IEEE已經(jīng)把速率定位于400GE，超100Gb/s客戶側(cè)的技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(jié)合未來可預(yù)見技術(shù)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(diào)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(diào)制復(fù)用方式等等。

    　在線路側(cè)技術(shù)方面，前十多年高速傳輸技術(shù)經(jīng)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(fù)用-正交相移鍵控（DP-QPSK）和相干接收等關(guān)鍵技術(shù)路線上趨于統(tǒng)一，而超100Gb/s目前在技術(shù)路線選擇上又面臨40Gb/s當(dāng)年類似的情形，而且技術(shù)路線的選擇更為復(fù)雜，典型包括正交幅度調(diào)制（n-QAM）等調(diào)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(fù)用（OFDM）線路傳輸復(fù)用方式等等。從目前整體發(fā)展來看，線路側(cè)近兩年可支持商用化產(chǎn)品的400Gb/s技術(shù)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(cè)還是線路側(cè)，在最終技術(shù)路線選擇時面臨的關(guān)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(cè)接口就是應(yīng)用需求要求低成本實現(xiàn)的最明顯例子?？蛻魝?cè)傳輸距離短因而存在多種實現(xiàn)方案，這將導(dǎo)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(cè)技術(shù)選擇主要面臨的就是如何權(quán)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(zhuǎn)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(shù)研究及最終商用實現(xiàn)方案選擇經(jīng)驗為超100Gb/s技術(shù)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(yīng)參與光電信號處理的光學(xué)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(shù)路線選擇整體上不利于超100Gb/s未來發(fā)展。無論是客戶側(cè)還是線路側(cè)，超100Gb/s的技術(shù)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(shù)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(shù)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(guān)技術(shù)難題、探索技術(shù)新方向的同時，將產(chǎn)生諸多業(yè)內(nèi)互相競爭的產(chǎn)業(yè)鏈條，在一定程度上會影響超100Gb/s整體產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)化進程至關(guān)重要。

    　第二，未來實際帶寬需求量將影響超100Gb/s技術(shù)發(fā)展節(jié)奏。按照思科公司2012年預(yù)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(yù)測2017年干線網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)容量更大的其他傳輸技術(shù)。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(shù)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(cè)還是線路側(cè)，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(shù)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(shù)和新工藝等將在調(diào)制和編碼、系統(tǒng)傳輸、解調(diào)和數(shù)字信號相干接收處理等方面面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，典型如客戶側(cè)高速率（如50/56Gb/s）電接口、線路側(cè)高采樣率數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)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(guān)芯片涉及光學(xué)和微電子等基礎(chǔ)領(lǐng)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(shù)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(jīng)出現(xiàn)了商用試驗案例，但縱觀應(yīng)用需求、技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)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(cè)應(yīng)用需求來看，由于傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確定為400GE，目前國外大量的400GE超高速光互聯(lián)驅(qū)動主要來源于大型和超大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)，而我國超100Gb/s首要應(yīng)用需求則可能出現(xiàn)在干線網(wǎng)絡(luò)，因此400GE技術(shù)將同時面臨100~500m、2~10km、40km等多種應(yīng)用需求，這將導(dǎo)致后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)方案更多、方案間競爭更為激烈，最終接口目標(biāo)距離和傳輸技術(shù)選擇有待業(yè)界共同推動。第二，從線路側(cè)速率選擇來看，目前客戶側(cè)選擇400GE意味著線路側(cè)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(cè)400Gb/s技術(shù)在傳輸距離和頻譜效率上尚未達成有效平衡，最終線路側(cè)速率的選擇將由帶寬需求驅(qū)動的節(jié)奏（如帶寬增速快，應(yīng)用需求周期短等）、應(yīng)用場景（如干線或城域等）、技術(shù)突破（如出現(xiàn)重大技術(shù)創(chuàng)新等）多種因素確定，但近2~3年的設(shè)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(cè)技術(shù)選擇上來看，除了繼承100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)本質(zhì)之外，采用基于奈奎斯特和OFDM等多子載波進行反向復(fù)用是目前看到可能使用的新技術(shù)點，但100Gb/s具體調(diào)制格式（如DP-16QAM、DP-QPSK以及其他更復(fù)雜的混合調(diào)制等）與具體線路傳輸技術(shù)的選擇目前尚未明晰，有待業(yè)界后續(xù)進一步推動。

    總結(jié)

   　未來潛在的超寬帶應(yīng)用和技術(shù)革新等驅(qū)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(guān)鍵技術(shù)特性，但未來2~3年傳輸產(chǎn)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(shù)及產(chǎn)品國際競爭力的絕佳機會。