光通信在“新基建”中的作用研究

李俊杰 武曉峰 霍曉莉 張安旭 唐建軍 丁 一

1 中國電信股份有限公司研究院 北京 102209

2 中國電信集團有限公司 北京 100035

引言

“新基建”是新型基礎設施的簡稱，是黨的十八大以后，由中央政府倡導智慧經濟新發展理念，吸收新科技革命成果，實現生態化、數字化、智能化、高速化新舊動能轉換，建立現代化經濟體系的國家基本建設與基礎設施建設。“新型信息基礎設施”是“新基建”的重要組成部分，作為新型信息基礎設施的“帶寬基石”，光通信網絡將在“新基建”時代迎來新的發展機遇。

1 “新基建”帶來的新機遇

1.1 何謂“新基建”

“新基建”是與傳統的“鐵公基”相對應，結合新一輪科技革命和產業變革特征，面向國家戰略需求，為經濟社會的創新、協調、綠色、開放、共享發展提供底層支撐的具有乘數效應的戰略性、網絡型基礎設施。賽迪智庫在2020年3月發布的《“新基建”發展白皮書》歸納了“新基建”七大領域：5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網[1]。

李克強總理在2020年“兩會”上做《政府工作報告》第一次明確了“加強新型基礎設施建設”的提法，具體內容為“加強新型基礎設施建設，發展新一代信息網絡，拓展5G應用，建設數據中心，增加充電樁、換電站等設施，推廣新能源汽車，激發新消費需求、助力產業升級”[2]。

1.2 “新基建”下的通信網絡設施

結合2020年4月份國家發改委新聞發布會的內容，官方明確的“新基建”范圍包括信息基礎設施、融合基礎設施、創新基礎設施三大方面。我們逐一分析通信網絡設施在“新基建”中的地位。

首先，信息基礎設施包括以5G、物聯網、工業互聯網、衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施，以人工智能、云計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施，以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等。通信網絡基礎設施建設被放在了首位，在新技術和算力基礎設施中，云計算和數據中心也同樣離不開通信網絡的支撐。由此可見，通信網絡基礎設施在“新基建”中的地位顯得尤為重要。

其次，融合基礎設施包括智能交通基礎設施、智慧能源基礎設施等。無論是智能交通還是智慧能源，都是通信網絡與傳統路網、能源網的結合，而區塊鏈、人工智能、云計算、數據中心等與通信網絡更是魚與水的關系，沒有高速、高容量的通信基礎設施，根本無法實現。“車路協同”也是目前通信網絡與交通網絡融合的典范。

再次，創新基礎設施包括重大科技基礎設施、科教基礎設施、產業技術創新基礎設施等內容。我國的通信科學技術和產業已經躍居國際先進水平，但是其可持續發展依舊離不開創新基礎設施的大力支持，通信領域的科技和產業創新基礎設施勢必也是“新基建”的重要組成部分。

綜上所述，通信網絡基礎設施是“新基建”基礎中的基礎。光通信網絡作為通信網絡基礎設施的“帶寬基石”，同樣也是“新基建”的“帶寬基石”，迎來新的發展機遇。

2 光通信夯實“新基建”帶寬基石

隨著信息化水平的提高，通信網絡基礎設施已經滲透到國民經濟和人民生活的方方面面，其中影響最深遠的是包含物聯網在內的廣義互聯網、支撐移動互聯網的4G/5G/6G廣義無線網絡以及伴隨云計算出現的數據中心網絡，下文將展望光通信在這三大板塊中的作用和發展趨勢。

2.1 支撐互聯網發展的光通信網絡

互聯網(Internet)是過去二十多年光通信網絡技術發展的最大動力，隨著VR/AR、自動駕駛等新型業務的興起，目標萬物互聯的物聯網(Internet of Things，IoT)加入了互聯網大家庭，進一步壯大了互聯網影響社會經濟活動的深度和廣度，因此包括物聯網在內的廣義互聯網在可預見的將來依舊是光通信網絡技術發展的最大驅動力之一。

互聯網對光通信技術的核心需求是帶寬，自從上世紀七八十年代光纖通信實用化以后，光通信一直扮演著互聯網“承重墻”的角色。特別是上世紀九十年代波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術和本世紀一十年代相干光通信技術兩代技術革命，使得光通信帶寬持續以大約每三年翻一番的“光摩爾定律”高速發展，有力支撐了互聯網乃至人類信息網絡在過去三十年的蓬勃發展(如圖1所示)。但是基于單模光纖的商用光通信系統容量已經逐漸逼近大約100Tb/s的香農極限，后續可持續發展亟待理論、方法、技術、工藝、器件和系統的全方位創新[3]。

圖1 光通信容量增長歷史及非線性香農極限示意圖

在可預見的未來，光通信技術依舊需要在單模光纖、波分復用技術和相干光通信技術基礎上進一步提升容量，因此無外乎有兩條路徑，分別是提升單波速率和增加可用波長。

1)提升單波速率。我國已經全面部署基于相干光通信技術的80×100Gb/s WDM系統，近幾年三大運營商開始關注和部署單波長200Gb/s和400Gb/s的WDM系統，例如基于PM-16QAM調制的80×200Gb/s WDM系統已經在部分城域網少量干線有所部署，面向長距離傳輸單波長200Gb/s和400Gb/s WDM技術也已經有了大量1 000km以上長距離現網試點報道，即將進入商用[4-5]。單波長600Gb/s和800Gb/s的相干光通信技術也已提上了議事日程，華為、Ciena、Infinera等廠商都有一些現網試驗報道，但是目前傳輸距離等性能都存在很大不足，只能局限在短距離應用，距離商用還有較大差距。

2)增加可用波長。我國全面部署的WDM系統主要制式是C波段80×50GHz(4THz頻譜)。過去幾年已經有少量系統采用了C波段96×50GHz(4.8THz)，增加了20%的可用波長。進入單波長200Gb/s時代，為了實現距離相當前提下容量翻番的目標，運營商提出了80×75GHz(6THz頻譜)的擴展C波段WDM系統需求，目前已經成熟并開始商用部署，國內的華為、中興和烽火等廠商均推出了相應的設備，這也是國內運營商和設備商在光通信產業界率先提出并實現的一項技術。至此，擴展C波段的可用頻譜提升了50%。下一步目標是單波長400Gb/s時代繼續保持距離前提下的容量翻番目標，擴展對象是L波段。歐美國家在過去十年已經部署了相當規模的C+L波段WDM系統，其總頻譜大約是9.6THz，還不足以實現總容量翻番的目標。目前以國內產業鏈為主體，正在研究擴展C+L的技術路線和方案，預計可用頻譜大約在11~12THz左右[6]。學術界還在研究拉通O、E、S、C、L、U各個波段的全波段光放大技術，這是一個更遠期的研究目標。單模光纖可用波段如圖2所示。

圖2 單模光纖可用波段示意圖

除了系統技術以外，業界在光纖技術方面也進行了大量創新，一方面是對單模光纖的持續性能優化，另一方面是新型傳輸光纖的研制。

1)優化單模光纖。噪聲積累和非線性是影響WDM系統進一步提升容量和延長傳輸距離的主要瓶頸，因此單模光纖的優化就是從降低光纖衰耗和增大有效面積兩個方面著手。目前采用芯區低摻雜甚至純硅芯技術，超低損耗陸纜光纖的衰耗系數已經可以低于0.17dB/km；陸纜用大有效面積光纖有效面積達到130um2，相對于傳統單模光纖有50%以上的提升。同時具備超低損耗和大有效面積特征的G.654E光纖已經完成了國內外標準化，國內三大運營商已經開始現網部署，其中中國電信建設的世界上首條省際骨干全G.654E光纜(上海－金華－河源－廣州光纜)已于2021年初建成。

2)研制新型光纖。前面三種技術路徑對光通信容量的提升都是緩慢的，達到倍增都非常困難，無法實現數量級提升的質變。下一步有望實現光通信系統容量質變的創新有可能是打破單模光纖理論和工藝架構的新型光纖。如圖3所示，目前值得關注的新一代新型光纖主要有少模光纖(Few Mode Fiber，FMF)、多芯光纖(Multi-Core Fiber，MCF)、空心光纖(Holly Fiber)或者稱為光子晶體光纖(Photonics Crystal Fiber，PCF)等。雖然這類光纖目前在理論、工藝、成本、配套器件、與光傳輸系統的兼容性等方面都存在很多問題，但是業界還是要高度關注，因為這些創新可能催生光通信技術的下一場革命。

圖3 幾種下一代新型光纖示意圖

新時代互聯網對光傳輸網絡的需求也已不再僅僅是帶寬本身，光層在組網調度方面的效率和靈活性也成為使能互聯網的重要手段。

WDM傳輸技術發展伊始，業界就一直在研究光層交換技術，但是由于全光波長變換和光信息直接處理等技術的缺失，目前在光網絡層實現的依舊是波長顆粒的光層調度，最重要的設備基礎是可重構光分插復用設備(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)。我國第一張全光調度的省際骨干網絡——中國電信長江中下游地區ROADM網絡于2017年建成[7]，截至2020年，中國電信已經建成了覆蓋全國所有本地網、包含5大區域的骨干ROADM網絡，這是我國WDM技術應用水平從點到點傳輸向網狀組網邁出的重要一步。過去三年ROADM網絡建設運營的實踐經驗證明了光層調度組網能力對提升互聯網性能和生存性具有不可替代的價值。

2.2 4G/5G/6G廣義無線網絡的光承載技術

無線網絡是催生光通信技術蓬勃發展的又一個重要動力，特別是進入4G和5G時代以后，移動前傳(Mobile Front-Haul，MFH)成為光通信特別是光模塊市場的一個重要增長點。所謂前傳是伴隨著無線接入網(Radio Access Network，RAN)的基帶部分和射頻部分的分離部署而產生的：基帶部分(4G的BBU、5G的DU/CU)集中部署在運營商機房，有利于降低基站的工程難度和維護成本，并且為跨站協同提供了便利；射頻部分(5G的RRU、5G的AAU)部署在基站鐵搭，通過移動前傳系統連接基帶部分。這種分離的架構稱為C-RAN(Centralized RAN，集中式RAN)，與之相對應一體化架構稱為D-RAN(Distributed RAN，分布式RAN)。

前傳接口是RAN設備的內部接口，一般是模擬信號直接采樣的數字信號，因此對帶寬、時延、抖動等性能要求較高，而且通常每個載頻、每個扇區都要獨立前傳接口。隨著我國的4G和5G基站數量快速躍居世界首位，我國的移動前傳市場規模在全球首屈一指，催生一個具有鮮明中國特色的移動前傳光通信市場。特別是進入5G時代以后，隨著網絡提速帶來的前傳光模塊速率提升(單載頻、單扇區25Gb/s)以及載頻擴展帶來的前傳光模塊數量增加(160MHz/200MHz載頻需要2×25Gb/s)，引發了光通信技術在這個細分市場的多項創新，特別是第一次將WDM技術引入到了網絡的邊緣層[8]。

目前各運營商4G和5G的移動前傳已商用的WDM方案以粗波分復用(CWDM)為主，面向未來演進提出了多種技術方案，本文不展開敘述，但希望從中引發WDM技術在接入網和城域邊緣層的技術路線的討論。通過分析5G前傳以及20G/50G PON的技術路線可以發現，絕大部分方案都選擇了O波段(1260~1360nm)的WDM技術，其中CWDM技術由于采用20nm波道間隔，部分波長可能超過O波段范圍。

O波段在單模光纖中處于低色散且損耗較小的區域，傳統上可作為客戶側光信號的工作窗口。25Gb/s和50Gb/s信號選用O波段的主要原因是色散代價較小，可以保證25Gb/s NRZ及50Gb/s PAM4信號10km甚至更長的傳輸距離，無需色散補償。但是隨著客戶側業務速率提升，也開始引入WDM技術，例如IEEE定義的100GE-LR4和100GE-ER4接口就采用O波段800GHz間隔的LWDM(Lan WDM)。中國電信提出將O波段800GHz間隔的LWDM(同時符合ITU-T對DWDM的定義)作為5G前傳的解決方案，并和中國移動及眾多國內外合作伙伴一起在ITU-T推動了聚焦O波段WDM技術標準化的G.owdm標準的立項。

隨著DSP技術的成熟，業內還有一種將O波段WDM系統的單波長提升到100Gb/s的努力，例如100G Lambda MSA組織正在研究的400GE-LR4/LR方案就計劃采用4波長、800GHz間隔的O波段WDM技術通過4x100Gb/s PAM4信號實現400GE業務接口。因此在光網絡的接入層和城域邊緣層，O波段WDM技術是一種非常值得關注的高性價比方案。

5G方興未艾之時，6G已經提上日程。6G時代提出了空天地海一體化的宏遠目標，光通信技術至少在兩個方面發揮重要作用。第一個作用是6G無線蜂窩網絡的承載，預計還將延續5G的C-RAN方案，6G移動前傳將進一步提升速率和提高性能要求，要求光通信技術繼續提供高性價比的WDM承載方案。第二個作用是6G衛星通信的星際通信和星地通信，特別是星際通信，光通信幾乎是唯一可行的解決方案。

衛星通信，特別是低軌衛星通信技術可以與成熟的無線蜂窩通信技術形成有效互補，成為6G規劃的空天地海一體化通信宏遠目標的重要組成部分，特別在中美兩國成為一個重要熱點。美國SpaceX公司是商用低軌衛星通信業務的領頭羊，根據公開媒體報道，早在2020年9月就已經成功在軌道上測試了星鏈(Starlink)衛星的星際激光通信，并且在2021年1月發射的10枚星鏈衛星中正式部署了星際激光通信設備。

星際激光通信對衛星通信系統帶來兩大顯著進步。第一是提升覆蓋能力，沒有星際通信的衛星是獨立的存在，參考無線蜂窩網絡的概念，地面站可以比作BBU，衛星相當于RRU，由于BBU和RRU星地中繼要求，兩者的距離和角度都受到限制；有了星際通信的衛星則可以自行中繼，有效擴展覆蓋范圍，理論上可以實現全球覆蓋。第二是降低連接時延，沒有星際通信情況下，任何兩個客戶之間的通信都需要通過地面站轉接，如果不在同一個地面站覆蓋范圍內，還需要多個地面站轉接，星際通信可以大大減少地面站轉接次數和距離，從而顯著降低時延。根據公開媒體報道，SpaceX公司的目標是在完全星際互聯的星鏈網絡中實現8毫秒超低時延，這將大大超過目前海纜光纖系統的傳輸時延水平。

2.3 面向數據中心的光通信技術

數據中心是最近五年流量增長最快、驅動光通信技術進一步發展的最重要動力。早在2018年，Cisco公司在做全球云指數(Global Cloud Index，GCI)研究和編制中，就給出了目標2021年的全球數據流量流向預測，指出到2021年全球超過85%的流量是數據中心內部和中心之間的東西向流量，只有不到15%是用戶訪問數據中心的南北向流量[9]。

圖4還給出了東西向流量的進一部細化分布預測，其中數據中心內部流量占大頭，占到整個互聯網流量的71.5%，數據中心互聯(DCI)的流量占小頭，但是也已經接近了整個南北向流量的占比(13.6%VS14.9%)。過去幾年光通信市場變化的格局也印證了這一點，中美兩國的互聯網企業同時也是云服務的主要供應商，在光傳輸網絡建設規模和水平方面直逼傳統電信運營商，特別是美國的互聯網企業已經超越了傳統電信運營商成為國際海纜傳輸系統和國內長途傳輸系統的主要建設需求方。下面從數據中心內部和數據中心之間兩個方面來分析對光通信技術的影響。

圖4 Cisco公司給出的數據中心在互聯網流量流向中占比的預測示意圖

第一，數據中心內部。在數據中心內部流量爆發式增長的驅動下，數據中心市場已經成為光模塊市場發展和技術進步的第一推動力，無論是速率還是規模，都已經遠遠超越了傳統電信網絡市場。最近幾年電信網絡市場光模塊發展的一個重要方向就是研究如何借鑒和重用數據中心光模塊技術，借助數據中心光模塊的海量需求降低電信市場光模塊的成本。例如移動前傳的10Gb/s和25Gb/s光模塊相當一部分重用了數據中心光模塊技術，電信設備的100GE和未來400GE光模塊的技術要求也越來越與數據中心要求趨同。數據中心內部光通信發展近期的熱點是板上光通信，包括板上光子聯合體(Consortium for On-Board Optics，COBO)、光電合封(Co-Packaged Optics，CPO)等。這項技術涉及到芯片、工藝、硅光、高速電接口等多項技術創新，將為未來的數據中心交換機甚至服務器的信號交互方式指明發展方向，交換機、路由器等電信設備的下一步發展也可能步其后塵，需要整個產業鏈高度關注。

第二，數據中心之間。與美國運營商撤離云和數據中心市場不同，中國運營商依舊是云計算和數據中心業務的有力競爭者。過去運營商和互聯網企業在數據中心之間(DCI)方面的技術路線是不同的：互聯網企業無論是自建傳輸還是租用運營商波長電路，都是以L1的光波長通道作為DCI的載體，實現低成本、高帶寬、低時延的目標述求；電信運營商由于業務的多樣性和傳統組網思路的影響，采用了IP/MPLS網絡、MSTP/OTN專線、WDM波長等各種各樣的解決方案。隨著運營商云業務的增長，也逐漸意識到DCI應當以L1層的WDM技術為主。雖然基于WDM的DCI方案初期成本由于業務量較小可能比較高，而且考慮到數據中心機房的機柜尺寸、通風散熱方式、供電方式等特點，對設備外觀和尺寸的要求也異于傳統波分設備，但是長遠來看隨著DCI業務流量的快速增長，WDM波長必然成為DCI的主要解決方案。同樣，隨著DCI業務流量的快速增長，如何在單根光纖實現傳輸容量的最大化，成為DCI技術發展的重要方向。如前所述，可以通過提升單波速率和增加可用波長的方式來達到這一目的。目前，400G CFP2-DCO模塊開始成熟商用，即將成為DCI設備的主流線路接口；C+L技術在互聯網廠商的DCI網絡中應用也越來越多。在互聯網企業的驅動下，數據中心WDM系統越來越多的采用開放和解耦的方式，例如ONF主導的ODTN項目、Facebook倡導的TIP項目、AT&T主導的OpenROADM項目，都在致力于光網絡的開放解耦，具體包括采用SDN技術的軟硬件解耦、光層設備和電層設備之間的硬件解耦以及設備和光模塊之間的解耦，等等。這一方面騰訊、阿里巴巴等互聯網企業再一次走到了運營商的前面，在DCI WDM設備的開放解耦甚至自研方面開創了先河。電信運營商近期也已開始關注，結合自身在光網絡領域的建設和運維方面的優勢，開放會帶來靈活性，解耦能降低成本，利用開放與分解的光網絡來構建DCI光網絡，勢必會成為越來越受關注的技術方向[10]。

3 結語與展望

作為“帶寬基石”，光通信網絡將在“新基建”時代一方面受益于“新基建”的發展驅動，另一方面將為“新基建”提供動能。本文全面分析了“新基建”時代，光通信網絡技術在“新型通信網絡基礎設施”中對國民經濟和人民生活緊密相關的三大板塊中發揮的重要作用，并展望了未來的技術發展趨勢。

第一，包含物聯網在內的廣義互聯網引發技術革命。近期依舊要依靠單模光纖(SMF)，通過提升單波長速率(400Gb/s、800Gb/s)和增加可用波段方式(擴展C波段、擴展C+L波段)進一步提升光傳輸系統容量，同時對單模光纖性能進行必要的優化(減低損耗系數、增大有效面積)，來滿足互聯網帶寬增長需求；遠期要關注新型光纖技術的實用化，在適當的時間節點引入現網部署，有可能引發下一次光通信技術革命；同時引入ROADM等光層組網調度技術，提升光層網絡靈活性。

第二，4G/5G/6G廣義無線網絡支撐移動互聯網和衛星通信。4G/5G無線網絡催生了一個新的移動前傳光通信市場，面向未來發展，O波段WDM是一種非常有想象空間的接入層和城域邊緣層的光網絡技術，值得業界高度重視。6G樹立了空天地海一體化的宏遠目標，應當前瞻性關注衛星通信領域的光通信技術，特別是低軌衛星系統中的星際激光通信，將是光通信技術突破光纖介質束縛以后最有機會的發展新空間。

第三，伴隨云計算出現的數據中心網絡開創新的業態場景。數據中心已經成為毫無爭議的網絡流量中心，數據中心成為光模塊市場發展和技術進步的第一推動力，電信網絡設備光模塊應盡量借鑒和復用數據中心光模塊技術。在數據中心互聯(DCI)領域，開放和解耦的光WDM傳輸系統已經成為互聯網企業的選擇，運營商近期也給予了高度的關注，有望開創一種新的業態場景。