淺析100G“管道”建設及后續發展

谷松濤

【摘要】 本文針對運營商對100G的管道建設持續升溫以及量收“剪刀差”的不斷增加，本文首先對量收“剪刀差”進行分析，然后對100G技術優勢及應用建議進行介紹，最后對“管道”技術后續發展分析。

【關鍵詞】 100G管道 剪刀差 PM-QPSK 400G

Research of QoS Technology Based on Token Bucket Gu Songtao

Abstract： As the increasing of the 100G ‘tunnel construction and scissors differential， the article makes analysis of scissors differential， and then making an introduction of 100G advantages and advisement of application ， at last making analysis of development of ‘tunnel technology

Key words： 100G ‘tunnel ； scissors differential ；PM-QPSK； 400G

引言

4G、大數據、云計算、IDC興建等不斷涌現的需求，推動著從芯片廠商、通信設備廠商到運營商不停向前發展，特別是運營商需要建設大容量、長距離、高質量的“管道”來響應業務與應用層面的強烈驅動。

作為“管道”建設的重要技術組成部分，100G WDM以及100G OTN技術高調進入光通信行業的視野，尤其在干線，100G的需求十分明顯。三大運營商對100G“管道”的建設投資逐年增加，從2013年Q3開始，三大運營商共啟動了5次100G骨干網集采，成為全球最大的100G市場。中國電信方面，綜合其寬帶優勢以及4G承載網建設需求，在2013年啟動規模龐大的100G設備集采，并在河南、浙江、福建、廣東等省份部署，2014年，中國電信新建100G東北環、西北環、省干的 “管道”，在大型地市本地網核心網也逐漸引入100G和長長中繼。

針對三大運營商對100G的管道建設持續升溫，本文首先對量收“剪刀差”進行分析，然后對100G技術優勢及應用建議進行介紹，最后對“管道”技術后續發展分析。

一、量收“剪刀差”

隨著寬帶網絡流快速增長，擴容成本增長與業務利潤增速放緩之間形成的剪刀差，成為運營商面臨的首要問題，如下圖所示。從之前的語音為主，到現在的以數據為主，大顆粒業務不斷出現，網絡流量呈爆炸式增長，帶寬需求不斷激增，網絡建設成本也陡勢增長，與之不匹配的是網絡容量以及運營商的流量收入卻增長緩慢，形成了量收“剪刀差”。

中國電信科技委主任韋樂平主任在《電信業的未來與去電信化的思考》一文中對流量、用戶、收入三者的差異也進行了分析，如圖2所示。對于中國電信來說，從2004年至2014年的十年間，網絡流量增加了70%，呈陡勢增長，但是用戶數僅增長25%，網絡流量激增帶給中國電信的收入增長了20%，出現了明顯的量收“剪刀差”。

那如何降低“剪刀差”呢？帶寬需求持續增長之勢不可逆轉，所以需要從提升網絡容量，降低網絡建設成本，實現流量化經營三方面來考慮，如圖3所示。

1）提升網絡容量。建設大容量、長距離、高質量的“管道”，提升頻譜利用效率并降低每比特傳送成本，現階段實現100G“管道”在網絡應用層次的延伸是重點。本文也對100G“管道”建設進行重點介紹

2）降低網絡建設成本。優化網絡層級并減少設備種類，分組增強型OTN設備的規模應用，降低建設和運維成本。

3）智能化流量經營。應用SDN技術、流量工程技術、QoS技術等實現網絡流量合理化精細化、差異化調度，實現流量創收。

二、100G技術優勢及應用建議

2.1 100G技術優勢

100G的技術優勢從調制方式、相干接收、軟判決FEC三個方面介紹：

1）調制方式： PM-QPSK （Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying，偏振復用正交相移鍵控）可以提高頻譜效率。該調制方式將傳輸信號的波特率降低為二進制調制的四分之一， 也就是說：通過采用2個正交偏振態來傳輸bit信息，能將通道速率降低一半，由于每個偏振態可以使用4個相位來表示bit信息，又可以實現通道速率降低一半，因此，對于112Gbps的bit速率而言，經過PM-QPSK編碼后，波特率可以降至28Gbps。如圖4所示。

2）相干檢測：和傳統的直接解調和差分解調方式相比，相干檢測所使用的本地激光器的功率要遠大于輸入光信號的光功率，可以極大地改善光信噪比。同時，相干檢測技術充分利用DSP電域均衡補償算法來處理極化模復用信號，對信號進行補充和重構，將傳輸的信號的特性（極化模，幅度，相位）作極大還原，大幅度消除光纖帶來的傳輸損傷。因此，100G線路上，PMD容限可達到30ps以上，色散CD容限達到60000ps/nm，有效降低光纖非線性效應NLN 干擾。如圖5所示。

3）軟判決FEC大幅提升系統OSNR： FEC技術主要是使用帶外冗余編碼解決傳輸誤碼問題，用電層技術解決光層問題，提供系統的OSNR容限。根據ITU標準G.975.1中所建議的FEC方案以及業界發展實際情況，20%軟判決FEC增益比7%硬判決FEC增益可以提高約2.6dB，如圖6所示。

綜上100G技術優勢，可實現“四超”，即：超大傳輸容量、超長傳輸距離、超強糾錯編碼、超快保護恢復。

2.2 100G技術應用建議

1）原有10G/40G系統升級100G系統建議：10G系統升級100G通道，100G通道與10G通道間隔200Ghz以上，同時100G通道無需考慮色散和偏振膜色散的問題；100G相干和40G相干混傳，無通道間隔要求，且無需DCM，減少EDFA配置數量，增大傳輸距離；為實現100G相干與40G非相干混傳，建議采用FBG取代DCM，避免DCF的非線性，可以適當提高入纖功率。

2）干線引入100G建議：干線主要以鏈式組網方式為主，業務方面主要以大顆粒透傳，點對點應用為主，保護方式也比較簡單。建議在干線節點布局采用大容量100G OTN設備，可滿足干線節點的穿通業務需求、子業務的上話和落地需求。

3）城域本地網引入100G OTN建議：城域本地網多以環形組網為主，主要用于承載網、城域網，大客戶專線等業務的承載，業務顆粒一般包括2.5G、10G，一、二線城市，省會城域本地網會有40G、100G等業務顆粒。城域本地網對于樞紐節點有子業務疏導和匯聚需求、有大客戶業務的承載需求、有電層保護需求，建議未雨綢繆，提早布局100G OTN。

三、“管道”技術后續發展分析

國內各大運營商的100G“管道”建設正如火如荼的進行中，從國家干線到省內干線，再到城域本地網都將全面布局100G管道，以應對流量的爆炸式增長。那么，習慣于未雨綢繆的通信行業，已經在思考100G“管道”技術后續該如何演進才能降低量收“剪刀差”？從三個方面進行分析。

3.1網絡容量激增，節能減排迫在眉睫

100G設備具有巨大的交叉能力，功耗較之一般分組設備和10G/40G的傳輸設備要高出1倍以上，對各大運營商機房條件提出了嚴峻考驗。在第七屆中國綠色通信大會上，運營商、工業和信息化部賽迪研究院和通信產業報等專家以“綠色4G網絡建設與節能創新”為主題，聚焦了新形勢下的4G網絡建設，旨在通過通信行業節能解決方案與實踐典范案例的分享，以及對綠色通信產業鏈需求方案的探討，與業界共同推動中國綠色通信的建設與運營。

對于已經成型的機房空間，改造難度較大，因此需要設備提供商在100G設備的制造工藝上不斷創新。目前主流設備提供商，比如烽火通信，其提供更高效能散熱解決方案，一方面通過熱仿真技術提升系統散熱方案一次通過率，在產品開發階段就以節能降耗為目標，一方面通過風扇智能調速技術，降低設備正常工作能耗，同時配合設備風道優化及散熱物料的設計與選型，達到持續散熱優化、降低散熱能耗比重、提高設備能效比的效果；另外100G板卡方面采用28nm制造工藝ASIC芯片，配合新型100G光模塊，開發出單槽位1/2/4路100G板卡，集成度提升4倍，功耗降低50%。如此這樣大大降低了100G部署的配套成本，并為100G規模部署掃清了障礙。

3.2大容量PEOTN設備將規模應用

多層網絡方式加倍消耗運營商寶貴的機房空間及電源，加劇了網絡規劃和維護難度，導致網絡建設成本居高不下。分組傳送網和光網絡OTN的融合的分組增強型OTN成為突破口，為分組傳送網的深化發展提供新動力。在PEOTN架構下，網絡層次得以簡化，網絡可以提供更大的帶寬，建設成本降低，業務開通更加便捷。節省機房空間，減少機房電源、配套資源和人力資源等方面的支出，降低網絡建設與運營成本。

PEOTN通過統一信元交換技術實現全業務的統一承載，從TDM業務到分組業務，再到OTN業務統一承載，實現分組和光的融合，如圖7所示。2013年11月，中國電信率先進行了“分組增強型OTN”設備的摸底測試，這也是運營商組織的第一次PEOTN測試。目前主流設備廠商均開發出了具備現網應用的大容量PEOTN設備，交叉容量最大達到25.6T，并且為后續400G“管道”預留了背板帶寬，為SDN技術的演進預留了北向接口。

3.3 400G“管道”技術應用

需求方面，中國電信集團科技委主任韋樂平曾表示，按照目前的流量發展趨勢，未來5年，網絡流量年增長近40%，傳送網將以100G為主導；但到2017年，骨干網最大截面傳輸帶寬約為38Tb/s，需要5個80波分100G系統，只要可行，400G是更合理的選擇；未來5-10年，網絡流量年增長約30%，高流量地區將需要45-125Tb/s，只要可行，400G應該是主導速率。

目前400G技術中最主流的有兩種方案：一種是基于四載波PM-QPSK調制方案，另一種是基于數字相干接收雙載波PM-16QAM調制方案。

基于數字相干接收四載波PM-QPSK調制400G方案，約125GHz的通道帶寬，C波段傳輸容量可達到15Tbit/s，頻譜效率3.2bit/Hz，與100G相當的傳輸距離，可用于骨干長距離傳輸，但對線路傳輸容量的提升不明顯，僅提供了400G速率接口。

基于數字相干接收雙載波PM-16QAM調制400G方案可以將單模光纖C波段的傳輸容量由100G系統的9.6Tbit/s（頻譜效率2bit/Hz）提升到25Tbit/s（（頻譜效率5bit/Hz）），其在G.652光纖中的傳輸距離約600Km左右，主要適用于城域短距離傳輸。由于國內運營商還未對400G進行集采，各廠家推出的400G解決方案還無法達到整合產業鏈的效果，但這只是時間問題。

四、 結論

4G業務、大數據、云計算、IDC等新興業務對“管道”的強烈需求，同時結合運營商的轉型，本文從量收“剪刀差”開始分析，從降低“剪刀差”的角度對100G“管道”技術以應用建議進行介紹，并分析了“管道”技術后續發展演進。

對于“管道”技術后續發展，特別是本文中提到的綠色通信、PEOTN規模應用、400G技術方案統一將是高速大容量光傳輸技術的重要研究和發展方向，這需要通信行業鏈的各個節點都參與進來。

參 考 文 獻

[1]韋樂平. 電信業的未來與去電信化的思考.通信產業網.2012.12.28

[2] Tim Szigeti，Christina Hattingh. 端到端QOS網絡設計[M]. 人民郵電出版社.2007.1

[3]王孝敏. IP網絡的域內域間流量工程研究[D]，電子科技大學2011

[4]趙光磊. 綜合業務承載需求猛增POTN成產業新熱點[J]. 通信世界，2011（30）：29-30.

[5]楊愛霞.OTN在移動傳送網建設演進中的應用探討[J]. 電信技術，2010（6）：52-55.