400G時代光傳送網的機遇及挑戰

柳 晟 中國移動通信有限公司研究院工程師

李允博 中國移動通信有限公司研究院高級工程師

王 磊 中國移動通信有限公司研究院高級工程師

李 晗 中國移動通信有限公司研究院高級工程師

1 引言

傳送網設備功耗的快速增長，正在成為運營商網絡建設的一個難題。隨著移動互聯網、云計算、視頻等業務的快速發展，中國移動骨干網的流量正以每年50%～80%、每5年10～15倍的速度增長。2009—2013年，由于移動服務、集客業務、家庭寬帶業務的開展，中國移動骨干網的帶寬從5Tbit/s增長到50Tbit/s，如圖1（a）所示。隨著4G LTE的大規模部署，無線網絡網速的提升，網絡流量預計將以更快的速度增長，給網絡的建設帶來了更大挑戰。

光傳送網中通常最受關注的性能是光傳輸設備的傳輸距離和傳輸容量，而在近來的實際網絡建設中，設備的功耗也變得越來越重要，設備供電、散熱受機房環境制約，最終會影響傳輸設備的實際部署。隨著流量的快速增長，傳輸距離的不斷提高，光傳輸設備的功耗也在迅速增長。

高的功耗帶來了許多負面影響，包括增加網絡運營成本、造成芯片過熱、增加機房供電系統負擔、要求更大的機房架間距離，以及更高要求的空調制冷等。如圖1（b）所示，由設備和空調消耗的功耗分別約占傳輸機房總功耗的53%和35%。近些年，為了部署新型大容量光傳輸設備，許多機房被升級到更高標準，這也讓運營商產生了很大的額外開銷。

2 功耗分析

圖1 OTN設備的總功耗和每比特功耗

為了實現業務靈活調度，提供各種保護恢復能力，提升線路傳輸效率，省際省內骨干網和城域網核心層中部署的光傳輸設備要求具有大交叉容量和長傳輸距離。作為一種傳輸高速、大顆粒業務的技術，光傳送網OTN（Optical Transport Network）設備已經廣泛部署在網絡的各個層面，為傳送網的規劃和管理帶來了很大的靈活性。另一方面，隨著傳輸速率從10G上升到100G，長途傳輸性能也在不斷刷新紀錄，但是OTN設備的高功耗成為網絡建設和運維一個實際面對的問題。圖2說明了在過去的6年中，一個滿配OTN設備的總功耗和每比特功耗的變化趨勢。

圖2 OTN設備的總功耗和每比特功耗

盡管每比特能耗從1.55nJ降低到0.85nJ，設備的總功耗卻從約3900W增長到超過2萬W，設備的交叉容量也從3.2T增長到25.6T。目前，交叉容量最大的25.6T OTN設備的功耗已經增長到約2萬W，這給運營商的傳輸機房帶來了很大的功耗壓力。

表1展示了25.6TOTN設備的功耗組成。交叉芯片和Framer芯片分別消耗約11%和20%的總功耗，光模塊消耗約40%的功耗，每個相干100G光模塊需要約70W的功耗，其中有超過1億個邏輯門的光DSP芯片需要40W功耗。從數據分析可知，OTN設備中的電子芯片和電子元件將消耗絕大部分的功耗。

為了評估100G和400G傳輸系統的系統性能，中國移動在國內率先開展了實驗室測試和現網試點。100G和400G信號分別在G.652、超低損光纖ULL（Ultra Low Loss）和大有效面積光纖 LEAF（Large Effective Area Fiber）上進行傳輸性能測試。超低損光纖的纖芯材料為純二氧化硅，有效面積為90μm2，熔接后的損耗為0.175dB/km。大有效面積光纖的有效面積為120μm2，熔接后的損耗為0.165dB/km。系統方面，100G系統采用PM-QPSK調制格式，400G系統采用雙載波的PM-16QAM調制格式。

根據試驗結果結合理論分析，采用PM-QPSK調制格式的100G系統理論上能夠在G.652光纖上傳輸約4000km（3dB OSNR余量），采用PM-16QAM調制格式的400G系統能夠在G.652光纖上傳輸約600km。對于超低損光纖和大有效面積光纖，400G的傳輸距離可以被延長到約840km和1100km。PM-16QAM調制格式的400G系統比PM-QPSK調制格式的100G系統有更高的頻譜效率，在理論上PM-QPSK的背靠背OSNR容限比PM-16QAM好約6.7dB。而測試結果表明，PM-16QAM比PM-QPSK需要約8dB更高的OSNR余量，8dB意味著PM-QPSK的傳輸距離是PM-16QAM的6.3倍，因為考慮到電中繼，從理論上等價于PM-16QAM需要6.3倍的板卡才能達到與PM-QPSK相等的總的傳輸距離。考慮到測試中PM-16QAM調制格式每100G功耗約為PM-QPSK調制格式功耗的80%，在同樣的總速率、相同的總傳輸距離情況下，PM-16QAM的功耗是PM-QPSK的約5倍，如表2所示。根據上述分析從功耗的角度看，在相同的傳輸距離和傳輸容量的前提下，采用PM-QPSK的100G系統整體功耗比采用PM-16QAM的400G更好。

3 網絡基礎的變化

目前，業務對于帶寬的需求持續增長，100G網絡建設蓬勃發展，客戶側出現100GE信號后，400GE信號的應用也指日可待。為了提高傳輸效率，線路側速率需要從100G向400G演進，但是傳輸距離和功耗是運營商部署400G系統最主要的障礙，需要構架新的傳送網的基礎設施，應對新的挑戰。

表1 OTN設備的功耗組成

表2 100和400G系統測試

●更新的電子器件

光傳輸設備中電子集成電路消耗了超過50%的總功耗，所以CMOS工藝的提升對于降低功耗非常重要。光DSP ASIC芯片的邏輯門尺寸將從目前的28nm減小到20nm或更小，每次尺寸更新可降低約30%的功耗。

●硅光技術發展

作為傳統光材料的替代，硅光技術非常具有前景。硅光技術具有低功耗、高密度、重利用、低成本、高產量CMOS制造工藝的優點。由于硅光和28nm CMOS技術的成熟，相干100G CFP封裝光模塊已經商用化，相干100G CFP2封裝光模塊也將預計在1～2年內成熟。根據中國移動2015年1月的測試結果，相干100G CFP模塊OSNR容限在13dB左右，糾前BER在1.6E-2量級。相干100G CFP的板卡功耗優勢較為明顯，相同密度的相干100G CFP板卡功耗相對于100G MSA板卡功耗降低了30%。

●新型傳輸媒介

新型高性能光纖，例如超低損光纖、大有效面積光纖，如果能夠部署在光傳送網中，則能在提高傳輸距離的同時減少成本和功耗。利用拉曼放大器、新型光再生器等技術，非電中繼距離有望被進一步的提高。

●新型節點技術

除了設備和光纖層面，通過優化組網方式也能降低網絡的總功耗。目前，業界已經能夠提供方向無關、顏色無關、沖突無關的ROADM器件產品，傳統光交叉技術的波長沖突問題得到了進一步的緩解。網絡中同時引入光交叉和電交叉，即光電混合交叉，可以在保持OTN電交叉的靈活性的同時，在光層調度一些波長，減小一些電交叉矩陣和線路板卡的使用。

此外，未來的光傳輸網絡可以為感知型光網絡，能夠隨著網絡流量、業務路徑、損耗、OSNR、色度色散、偏振模色散的變化，改變網絡的參數配置。

4 結束語

在一些實際部署場景，功耗已經成為目前運營商部署光傳輸設備的主要限制因素，而不是通常的傳輸距離或容量。對于每比特每單位傳輸距離的功耗，雖然PM-16QAM調制格式的400G系統有更高的頻譜效率，但是PM-16QAM調制格式的400G系統比PM-QPSK調制格式的100G系統有更大的功耗。因此，提升400G傳輸距離成為下一步研究的重點，同時應該升級光傳送網的基礎設施以滿足新的需求，包括部署新型光纖和放大器。

1 T.N.Nielsen,et al.Engineering Silicon Photonics Solutions for Metro DWDM.In Proc.OFC/NFOC 2014

2 TechView.Optical Breakthroughs Put 40/100 Gigabit on the Fast Track.Electronic Design.2010

3 Seb J.Savory.Digital Signal Processing for Coherent Systems.In Proc.OFC/NFOC 2012

4 Christoph Lange,et al.Realistic Energy-saving Potential of Load-adaptive Operation in Conventional and Platform-consolidated Operator Networks.In Proc.ECOC 2013