單載波800 Gbit/s光傳輸關鍵技術及標準化進展

湯 瑞，吳冰冰，趙文玉，張海懿

(中國信息通信研究院 技術與標準研究所，北京 100191)

0 引 言

隨著400 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)標準化的完成，商用技術發(fā)展及相關產(chǎn)業(yè)鏈已日趨成熟，業(yè)界已開始轉向超400 Gbit/s接口的研發(fā)以滿足網(wǎng)絡升級需求。根據(jù)市場研究公司Omdia的預測，未來2～3年，市場對于超100 Gbit/s網(wǎng)絡的部署需求將逐步超過100 Gbit/s網(wǎng)絡，并且超400 Gbit/s(含400 Gbit/s)將成為超100 Gbit/s網(wǎng)絡的主流應用，市場驅動主要來源于電信網(wǎng)絡提速(骨干網(wǎng)向200 Gbit/s升級，城域網(wǎng)向400 Gbit/s及以上速率升級)以及數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用。

目前國際和國內標準化組織正積極開展超400 Gbit/s技術及標準討論，同時學術界和工業(yè)界對超400 Gbit/s進行了大量研究，并期望超400 Gbit/s能夠在400 Gbit/s的基礎上進一步提升網(wǎng)絡容量并降低每比特傳輸成本，以解決運營商日益面臨的業(yè)務流量及網(wǎng)絡帶寬持續(xù)增長的壓力，從而在干線網(wǎng)絡傳輸、城域核心路由器互聯(lián)和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等場景得以應用。從2019年開始，國際國內主要傳輸廠商陸續(xù)發(fā)布了超400 Gbit/s 數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)芯片，并進行了實驗室或現(xiàn)網(wǎng)試驗以及部分部署案例。系統(tǒng)速率主要為800 Gbit/s，傳輸距離百公里量級，主要面向數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等短距場景等。

如何實現(xiàn)更高的傳輸速率(800 Gbit/s～1 Tbit/s及以上)，以及長距離傳輸系統(tǒng)如何演進是未來骨干光傳送網(wǎng)面臨的一大挑戰(zhàn)，也是近兩年高速傳送的熱點話題和研究重點。本文討論分析了單載波800 Gbit/s光傳輸?shù)年P鍵技術以及相關標準化進展，同時對800 Gbit/s技術的后續(xù)演進進行了探討。

1 800 Gbit/s傳輸技術方案

目前，100 GBaud相干光組件技術已基本具備可商用能力，可以支撐64階正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)方式的單波800 Gbit/s系統(tǒng)。表1所示為近兩年的一些傳輸系統(tǒng)試驗結果，由表可知，對800 Gbit/s及以上速率，大多采用了概率星座整形(Probability Constellation Shaping，PCS)，但由于系統(tǒng)過高的光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，OSNR)需求，基于摻鉺光纖放大器(Er-doped Fiber Amplifier，EDFA)和標準單模光纖(Standard Single Mode Fiber，SSMF)的傳輸距離僅可滿足城域200 km左右的應用場景。PCS可以改善OSNR容限，但OSNR容限改善越大，PCS編碼的冗余率也越大，從而提高了所需的器件波特率；其次，高階調制格式還會增加對激光器的線寬和模數(shù)轉換(Analog to Digital Converter，ADC)量化位寬的需求；而實現(xiàn)DSP算法的加法器和乘法器單元對高階調制格式也需要更多的量化位寬，從而增加了DSP芯片的復雜度和功耗。800 Gbit/s可能成為超400 Gbit/s的一個主要速率選擇，但具體技術方案還需要綜合考慮器件水平、調制格式和傳輸距離的要求。

表1 800 Gbit/s及以上速率傳輸系統(tǒng)試驗結果

2 800 Gbit/s傳輸關鍵技術

2.1 關鍵技術概述

實現(xiàn)單波800 Gbit/s長距傳輸，需要從多個方面進行。如圖1所示，采用抗噪聲能力更強的低階調制格式，采用高性能補償算法，采用增強型前向糾錯(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)技術等增強系統(tǒng)抗噪聲和損傷的能力，采用超低損、大有效面積光纖、混合放大和全拉曼放大等手段，優(yōu)化傳輸信道，減少傳輸過程中的損傷和噪聲。

圖1 400 Gbit/s長距離增強型WDM系統(tǒng)關鍵技術

2.2 信號整形

(1) 頻譜整形

基于發(fā)射端的頻譜整形技術能夠減緩波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)系統(tǒng)中信道間的非線性效應，對于單載波800 Gbit/s系統(tǒng)，由于波特率太高，所需帶寬可能超出光電器件的能力，此時需要DSP芯片在發(fā)端進行帶寬預補償和頻譜整形。預補償主要采用數(shù)字濾波器來對信號的奈奎斯特頻率點進行預加重，頻譜整形一般采用升余弦或根升余弦濾波器來實現(xiàn)。為了降低對器件的要求，提升抗非線性效應能力，目前的800 Gbit/s商用產(chǎn)品也有采用數(shù)字子載波復用(Digital Subcarrier Multiplexing，DSCM)結合信號整形的方案，如2020年美國Infinera公司使用專用集成電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片驗證了8×11.95 GBaud結合PCS的DSCM系統(tǒng)傳輸性能，利用康寧公司的超低損耗光纖實現(xiàn)了單波800 Gbit/s超過1 000 km的傳輸。圖2所示為單載波和8個DSCM的結構比較，DSCM的最大優(yōu)勢在于降低了相位噪聲的影響，簡化了DSP設計[12-13]。

圖2 單載波和DSCM對比圖

相較于高波特率單載波系統(tǒng)，DSCM系統(tǒng)在數(shù)字域中將若干低波特率子載波信號復用可實現(xiàn)與其相等的頻譜效率，而且通過對子載波帶寬和調制格式的靈活配置可實現(xiàn)傳輸速率顆粒度的精細化調整，同時各子載波較低的波特率還帶來了非線性容忍性增強等優(yōu)勢。然而，為支持在數(shù)字域中將各基帶子載波向高頻方向搬移并復用以獲得復合高波特率信號，DSCM方案仍需要采用高采樣率大帶寬數(shù)模轉換(Digital to analog converter, DAC)，高采樣率帶來的巨大數(shù)據(jù)吞吐量對芯片的處理速度和運行能耗都提出了極高的要求，如何在保留DSCM優(yōu)勢的前提下，降低對DAC帶寬和采樣率的要求也是需要重點研究的課題[14]。

(2) 星座圖整形

為提升高階QAM的抗噪聲性能，并增強光收發(fā)機的可編程能力，提供速率靈活可變的光傳輸，業(yè)界于2016年左右提出信號整形技術，并于2～3年后成功在單波200 和400 Gbit/s等速率相干光模塊中商用。星座圖整形技術包含PCS和幾何整形，分別改善星座點出現(xiàn)的概率和星座點位置，優(yōu)化傳輸性能。對于加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道，當調制格式足夠高時，信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)增益可達1.53 dB[15]。幾何整形采用均勻分布的非等距星座點設計，利用設計的啟發(fā)式算法或者嚴格意義上的最優(yōu)化算法得到優(yōu)化的星座分布。PCS采用等距分均勻星座分布設計，調整不同星座圖的出現(xiàn)概率，使其服從高斯分布，從而實現(xiàn)接近香農(nóng)極限的目的[16]。PCS的核心部分在于將獨立二元分布的比特序列設計為具有目標分布的符合序列，相比于普通均勻QAM調制，PCS僅需要增加概率分布匹配器(Distribution Matcher，DM)來將等概率的信源數(shù)據(jù)轉換成特定概率分布的符號序列，且可以兼容大部分的調制解調DSP算法，因而業(yè)界更偏向于PCS技術，預計其在800 Gbit/s系統(tǒng)中會得到更廣泛的應用。

2.3 信道均衡

800 Gbit/s傳輸系統(tǒng)初期需要采用128 Gbaud方案配合150 GHz波道間隔來實現(xiàn)，同時要滿足運營商80波配置要求，波段擴展將成為必選方案。而在超寬波段系統(tǒng)中，由于受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)引起的短波長功率向長波長功率轉移現(xiàn)象不可忽視。特別是對于C+L波段的傳輸系統(tǒng)，通常需要調整EDFA的增益和增益斜率，對入纖信號進行功率調整，不平坦的系統(tǒng)信號入纖功率使得用于評估非線性損傷的高斯噪聲(Gaussian Noise，GN)模型不能準確評估C+L波段傳輸系統(tǒng)非線性損傷，需要對模型進行修正包括建模計算SRS導致的波長相關的損耗變化對非線性的影響；分析PCS技術和多電子載波復用技術等對非線性的加劇或減弱的影響。

另外，如果考慮C+L波段傳輸系統(tǒng)中動態(tài)的波長上下路，還需要對系統(tǒng)中的波長功率進行動態(tài)控制。此前業(yè)內在常規(guī)C+L波段傳輸系統(tǒng)中的通常做法是采用填充波道使系統(tǒng)始終保持滿配狀態(tài)，實際工作中采用“真波換假波”思路進行功率均衡和控制，以避免由于系統(tǒng)動態(tài)上下波對現(xiàn)有波道上業(yè)務性能產(chǎn)生影響，但這可能會需要更多的波道監(jiān)測設備，帶來額外的成本和槽位空間占用。借助光標簽及軟件層面的復用段級甚至通道級自適應均衡管理算法將有可能在C+L波段的高速傳輸系統(tǒng)應用中發(fā)揮重要作用。

2.4 非線性補償

高階調制格式、高波特率以及WDM等技術使得信號對非線性效應愈加敏感。同時，波分系統(tǒng)的頻譜也在不斷擴展，入纖功率的提升也會帶來更大的非線性效應。相干接收端DSCM技術的發(fā)展和成熟，使得數(shù)字向后傳播補償(Digital Backward Propagation，DBP)算法、共軛雙波(Phase-Conjugated Twin Waves，PCTW)算法和非線性傅里葉變換(Nonlinear Fourier Transform，NFT)算法等接收端數(shù)字非線性補償算法得到實現(xiàn)和應用。這些算法雖然能夠實現(xiàn)較為優(yōu)異的非線性損傷補償性能，但都存在復雜度過高且需提前知曉傳輸系統(tǒng)具體信息的不足。與此同時，微擾法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的策略有效地實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)無關的非線性損傷抑制[17-19]，但深度神經(jīng)網(wǎng)絡的無記憶前饋式結構使其依舊面臨著非線性損傷補償效果和復雜度相互制約的矛盾，因此，克服光信道的非線性信號失真，建立接近實際信道的非線性理論模型，設計和實現(xiàn)低復雜度高性能的光纖非線性損傷補償方案對于推動非線性損傷補償算法的實際應用很有必要，也是實現(xiàn)800 Gbit/s長距傳輸?shù)闹匾鼓芗夹g[20]。

2.5 糾錯編碼

光通信FEC技術經(jīng)歷了從硬判決到軟判決，從解碼到迭代解碼，從單碼到級聯(lián)碼，從分組碼到卷積碼，從獨立FEC到調制編碼結合的過程。目前，主流的FEC方案包括：里德-所羅門(Reed-Solomon，RS)碼、Turbo乘積碼、階梯(Staircase)碼和低密度奇偶校驗碼(Low-Density Parity-Check，LDPC)等[21]，許多FEC方案可以實現(xiàn)小于香農(nóng)極限1 dB的性能。

目前的高速WDM系統(tǒng)FEC方案研究有兩個大的方向：一是FEC自身增益性能的提升。目前由于受ADC器件帶寬以及濾波器件帶寬的限制，最高支持的FEC開銷是20%～25%，未來隨著器件帶寬的優(yōu)化設計，將可以支持更大開銷的FEC，從而為800 Gbit/s系統(tǒng)提供更多的OSNR增益；二是FEC與其他數(shù)據(jù)處理模塊做聯(lián)合迭代，提升系統(tǒng)整體性能。由于FEC自身性能的提升空間較小，為進一步提升系統(tǒng)性能，業(yè)界開始研究FEC與其他數(shù)據(jù)處理模塊做聯(lián)合迭代的方案，典型的兩個例子就是與非線性補償器和解調器做聯(lián)合迭代，隨著互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工藝的進步及算法研究的深入，可以在800 Gbit/s芯片中實現(xiàn)FEC與其他數(shù)據(jù)處理模塊的聯(lián)合迭代以獲得更好的傳輸性能。

2.6 波段擴展及放大

800 Gbit/s傳輸系統(tǒng)在使用128 GBaud、PM-16QAM方案時，波道寬度為150 GHz，器件有效帶寬為75 GHz。此時，擴展C波段按6 THz計算，只能承載40個波道的傳輸。目前的80波長距相干傳輸系統(tǒng)的頻譜范圍已由常規(guī)C波段4 THz擴展至6 THz。但6 THz擴展C波段仍無法支持80波800 Gbit/s長距系統(tǒng)，需進一步開展頻譜擴展技術研究，收斂多種潛在方案及頻譜邊界。目前來看，L波段是潛在的相對成熟的新波段選擇[22]。

L波段光模塊在DSP芯片方面可與傳統(tǒng)C波段光模塊兼容，激光器、調制器、接收機以及波長選擇開關(Wavelength Selectable Switch，WSS)等光芯片器件需升級支持擴展頻譜范圍，且性能與C波段相近，但目前產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，性能需進一步研究驗證。

光放大器方面，目前還沒有集成式的C+L波段EDFA，L波段EDFA噪聲系數(shù)比C波段噪聲系數(shù)大0.5～1.0 dB，在相同的入纖功率和跨段損耗前提下，L波段信號傳輸后的OSNR比C波段信號傳輸后的小0.5～1.0 dB。受SRS效應影響，C波段信號功率轉移到L波段，接收端的OSNR需要綜合考慮C波段轉移的功率、L波段獲取的功率與C波段噪聲系數(shù)和L波段噪聲系數(shù)。分布式拉曼放大器理論上適用于任何波段的放大，非常適用于大容量長距離傳輸應用場景。由于拉曼放大器的增益特性與實際使用的光纖特性相關，對于擴展C+L波段的傳輸系統(tǒng)，信號本身由于SRS導致的功率轉移也會加劇這種拉曼放大器的增益不平坦特性，特別是系統(tǒng)中動態(tài)增減波時，拉曼放大器的增益平坦度更難保證。因此在C+L波段的傳輸系統(tǒng)中，在系統(tǒng)增減波的情況下，需要采用相應的自動功率調整策略，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調整增益和斜率，維持系統(tǒng)性能。

2.7 新型光纖

傳輸距離需求不變的前提下，無論是通過提升波特率還是調制格式的方式來實現(xiàn)單波更高速率的同時，系統(tǒng)對鏈路OSNR的要求更高?？s小跨段長度、增加中繼數(shù)量或采用更低噪聲的拉曼放大器雖然可以一定程度上緩解800 Gbit/s及以上高速傳輸距離受限于OSNR的問題，但會帶來額外成本的顯著增加。因此業(yè)界一直在探索使用更高性價比的新型光纖技術來支持高速長距傳輸。

低損耗大有效面積光纖通過增大模場面積降低高速信號傳輸?shù)姆蔷€性效應，通過超低損耗減少光放大器引入的放大自發(fā)輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪聲積累，相同距離鏈路的新型單模光纖(Single Model Fiber,SMF)帶給系統(tǒng)增益3 dB以上，并可以兼容現(xiàn)有EDFA和拉曼放大器。隨著超低損耗光纖制備技術的成熟，目前全球多個公司已實現(xiàn)超低損耗光纖的規(guī)?；a(chǎn)。如表2所示，美國康寧、日本住友、中國長飛光纖、亨通光電、烽火通信和中天科技等國內外知名企業(yè)紛紛推出了成熟的商用超低損耗G.652光纖與超低損耗大有效面積G.654光纖[23]。國內三大運營商也在積極推進G.654.E光纖的應用，并已開始了部分干線G.654.E光纖鏈路的建設工作。

表2 部分廠家新型光纖的規(guī)格參數(shù)

不過由于G.654.E光纖普遍采用純石英纖芯工藝，其色散稍大于普通光纖，這可能會給高速率長距離光纖通信系統(tǒng)的色散容限帶來挑戰(zhàn)。另外，G.654.E光纖的截止波長較大，對于C++系統(tǒng)，其最短波長可到1 524 nm附近，已經(jīng)不在標稱截止波長內，能否保證單模傳輸及傳輸性能，還需進一步驗證。對于拉曼放大系統(tǒng)，G.654.E光纖的低損耗特性有利于提高有效作用長度，但更大的有效面積會犧牲拉曼放大效率，并且1 450 nm左右的泵浦光將不再是單模特性，系統(tǒng)的整體拉曼增益也可能會受到影響，有待充分的理論和實驗研究。

隨著超低損耗光纖技術的不斷發(fā)展，目前基于純硅芯光纖的損耗已經(jīng)接近于理論極限值(0.14 dB/km)。學術界也對空芯光纖等新型光纖展開了研究?？招竟饫w的纖芯為中空或其他填充材料，通過特殊的包層結構設計將光限制在氣體或真空纖芯中?？招竟饫w經(jīng)歷多次迭代，衰耗已經(jīng)降至0.28 dB/km[24]。近兩年的多篇論文和實驗為高性能光通信開辟了可能性。

3 800 Gbit/s標準化進展

目前800 Gbit/s相關標準化工作主要在光互聯(lián)論壇(Optical Internetworking Forum，OIF)和國際電工電子協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)進行，國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)第15研究組負責高速接口的邏輯層和物理標準化工作，目前的工作重點集中在200和400 Gbit/s，800 Gbit/s相關工作預計從2022年開始逐步展開。

(1) OIF

2020年12月，OIF正式啟動800 Gbit/s相干接口項目，項目致力于定義面向園區(qū)網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用的800 Gbit/s相干線路規(guī)格，包括支持80 ～120 km傳輸、帶放大器的單跨段WDM系統(tǒng)以及支持2 ～10 km傳輸、不含放大器的固定波長傳輸系統(tǒng)。

在具體技術參數(shù)方面，80 ～120 km接口目前基本確定采用PM-16QAM調制碼型，支持150 GHz間隔32個通道，采用靈活光傳送網(wǎng)信息結構(Flexible OTN information structure，F(xiàn)lexO)幀結構，開放前向糾錯(Open Forward Error Correction，OFEC)編碼，更具體的物理層指標還在持續(xù)討論當中。2 ～10 km接口目前基本確定在G.652光纖上采用PM-16QAM調制碼型和193.7 THz工作頻率。

除了單波800 Gbit/s實現(xiàn)協(xié)議(Implementation Agreement，IA)，OIF也在討論支持光放的長距800 Gbit/s和基于雙子載波的長距800 Gbit/s等更多方案。同時在電接口方面，OIF也已啟動系列112 Gbit/s電接口標準制定和224 Gbit/s電接口標準研究。

(2) IEEE

IEEE 802.3在2020年12月成立超400 Gbit/s以太網(wǎng)工作組(Beyond 400 Gbit/s Ethernet Study Group)，并在2021年4月和6月分別投票通過了800 Gbit/s和1.6 Tbit/s的立項計劃P802.3df，800 Gbit/s接口介質包括銅纜、多模光纖(Multi Mode Fiber，MMF)和SMF，傳輸距離覆蓋1 m～40 km。其中單波長800 Gbit/s接口規(guī)格為工作在SSMF、傳輸距離為10和40 km；1.6 Tbit/s接口則為16通道，每通道100 Gbit/s，或者8通道，每通道200 Gbit/s。同時，IEEE 802.3ck工作組也正在制定112 Gbit/s電接口標準。

此外，其他一些組織或聯(lián)盟也在進行800 Gbit/s相關標準化活動，如800 Gbit/s Pluggabble多源協(xié)議(Multi- Source Agreement，MSA)已發(fā)布8×100 Gbit/s 100 m和4×200 Gbit/s 2 km規(guī)范；雙密度四通道小型可插拔封裝(Quad Small Form-factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD)800 MSA將面向800 Gbit/s的技術規(guī)范統(tǒng)一合并至新發(fā)布的QSFP-DD 6.01規(guī)范，通道小型化可插拔(Octal Small Form-factor Pluggable，OSFP) MSA發(fā)布適用于800 Gbit/s OSFP模塊4.0的版本規(guī)范。中國通信標準化協(xié)會(China Communications Standards Association，CCSA)也針對800 Gbit/s分別立項了光模塊和傳輸系統(tǒng)的研究課題。

各標準化組織的800 Gbit/s接口標準情況如表3所示。

4 800 Gbit/s速率的演進方向

從2019年開始，Infinera、Ciena、華為、Acacia和Inphi等多個廠商相繼發(fā)布800 Gbit/s DSP芯片，并基于實驗室/現(xiàn)網(wǎng)試點驗證了單載波800 Gbit/s的可行性[25]。綜合當前器件廠商的研發(fā)狀態(tài)以及網(wǎng)絡對高寬帶傳輸需求的增長趨勢，800 Gbit/s相干不同實現(xiàn)方案、應用場景及路標預測如表4所示。

表4 800 Gbit/s實現(xiàn)方案、應用及路標預測

目前的方案大多基于800 Gbit/s、64QAM調制格式，隨著高帶寬芯片與器件及算法技術的不斷演進，預計基于PM-16QAM的800 Gbit/s不可插拔模塊從2023年開始逐步進入測試和小批量商用階段；基于100 Gbit/s可插拔光收發(fā)合一模塊類型2(Centum Form Factor Pluggable Module-Type 2，CFP2)/QSFP-DD800封裝的可插拔模塊2024年小批量商用[26]。結合頻譜擴展以及先進的鏈路技術實現(xiàn)大容量長距離的傳輸，傳輸距離從短距發(fā)展到長距/超長距，應用場景也將從數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用逐漸擴展到城域網(wǎng)、省干網(wǎng)甚至骨干網(wǎng)。

5 結束語

WDM技術是解決高速大容量業(yè)務傳輸?shù)挠行Ъ夹g方案，國內運營商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)開始部署400 Gbit/s系統(tǒng)，并已啟動800 Gbit/s的研究工作。目前單載波800 Gbit/s的傳輸能力還無法滿足干線網(wǎng)絡的傳輸需求，標準化的工作重點也集中在80 km以內的城域和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用。對800 Gbit/s長距傳輸來說，在現(xiàn)有網(wǎng)絡鏈路下很難基于一個方案同時滿足速率/容量提升和超長距傳輸?shù)膬蓚€關鍵需求，并且仍有大量的技術難題需要解決和突破。本文在介紹800 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)關鍵技術的基礎上，對相關的標準化研究最新進展進行了介紹，并對未來的速率演進進行了分析和展望。