關(guān)于400 Gbps DWDM技術(shù)大規(guī)模商用論證

鄭晶晶 黃飛 詹軍 童慶武

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的不斷增長(zhǎng)，大帶寬網(wǎng)絡(luò)的需求也日益增長(zhǎng)，研發(fā)和推廣更大容量的DWDM技術(shù)成為大勢(shì)所趨。目前，400 Gbps DWDM技術(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和一些小規(guī)模商用環(huán)境中完成測(cè)試和部署。隨著400 Gbps關(guān)鍵技術(shù)不斷成熟、成本逐漸可控、供應(yīng)鏈上下游日益支持，現(xiàn)階段400 Gbps DWDM技術(shù)已具備大規(guī)模商用的可行性。文章從關(guān)鍵技術(shù)論證、關(guān)鍵器件介紹、演進(jìn)路線三個(gè)方面對(duì)400 Gbps DWDM技術(shù)大規(guī)模商用進(jìn)行了論證。

關(guān)鍵詞：400 Gbps DWDM；商用；400 Gbps QPSK；L6T

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.024

中圖分類號(hào)：TN 929.11? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-00-03

Demonstration of large-scale commercial use of 400 Gbps DWDM technology

ZHENG Jingjing， HUANG Fei， ZHAN Jun， TONG Qingwu

（Wuhan Fenghuo Technology Service Co.， Ltd.， Wuhan 430070， China）

Abstract： With the continuous growth of internet traffic， the demand for high bandwidth networks is also increasing， and the development and promotion of higher capacity DWDM technology has become a trend. Currently， the 400 Gbps DWDM technology has been tested and deployed in laboratories and some small-scale commercial environments. With the continuous maturity of 400 Gbps key technologies， cost controllability， and increasing support from upstream and downstream of the supply chain， 400 Gbps DWDM technology has the feasibility of large-scale commercial use at this stage. The article demonstrates the large-scale commercial use of 400 Gbps DWDM technology from three aspects： key technology demonstration， introduction of key components， and evolution path.

Key words： 400 Gbps DWDM; Commercial use; 400 Gbps QPSK; L6T

1? ?研究背景

2022年初，國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合多部門啟動(dòng)?xùn)|數(shù)西算工程，這一工程的落地對(duì)全國(guó)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流向和建網(wǎng)思路都提出了新的需求。伴隨“數(shù)字中國(guó)”戰(zhàn)略的推進(jìn)，算力規(guī)模和應(yīng)用的急速增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源提出了新的挑戰(zhàn)，以400 Gbps速率為代表的大容量全光網(wǎng)提上日程，業(yè)界普遍認(rèn)為，400 Gbps速率會(huì)是繼100 Gbps之后的下一代黃金速率，生命周期預(yù)計(jì)會(huì)跨越十年。為此，產(chǎn)業(yè)界都在加速推進(jìn)400 Gbps的成熟。

2? ?400 Gbps關(guān)鍵技術(shù)論證

400 Gbps光傳輸系統(tǒng)由5大模塊組成：400 Gbps相干光模塊、光放大、光交換、光系統(tǒng)、光纖光纜（見圖1、圖2）。

經(jīng)過三代400 Gbps傳輸系統(tǒng)聯(lián)合驗(yàn)證，400 Gbps超長(zhǎng)距傳輸已聚焦到兩種碼型：PCS-16QAM、PM-QPSK（見圖3）。

C波段下，憑借B2B性能和較高的入纖功率，QPSK傳輸距離優(yōu)于PCS-16QAM，性能與100 Gbps QPSK相當(dāng)；G.652光纖中受強(qiáng)SRS效應(yīng)、WDM器件插損增加以及L波段器件性能影響，QPSK在C6T+L6T下傳輸距離將明顯下降，評(píng)估與C4.8T+L4.8T下的PCS-16QAM+基本處于同一水平；G.654光纖中SRS效應(yīng)降低明顯，性能主要受限L器件性能和WDM插損增加，但由于入纖功率的提高，傳輸距離將會(huì)延長(zhǎng)。雖然目前技術(shù)都有發(fā)展路線，但仍然有諸多技術(shù)難點(diǎn)需要徹底解決。首先，SRS效應(yīng)帶來的短波功率向長(zhǎng)波轉(zhuǎn)移，C波段向L波段轉(zhuǎn)移，影響通道平坦度和OSNR一致性。其次，由此導(dǎo)致的系統(tǒng)非線性相位噪聲加劇，通道間/內(nèi)噪聲干擾、SPM（自相位調(diào)制）/XPM（交叉相位調(diào)制）/FWM（四波混頻）等問題突出。還有近三十年來，光纖非線性補(bǔ)償難度一致是商用道路上需要明確取得突破的核心，國(guó)內(nèi)廠商目前都在此攻堅(jiān)。

小結(jié)：PM QPSK（128 GB）理論傳輸性能比PCS 16QAM（107 GB）好1 dB左右，兩種碼型常規(guī)EDFA配置下鏈路仿真、現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)均能滿足干線1600 km以上無電中繼需求（保留5 dB以上系統(tǒng)OSNR余量）。產(chǎn)業(yè)鏈支持400 Gbps PM QPSK（128 GB）廠家比PCS 16QAM（107 GB）略多，烽火當(dāng)前對(duì)于超長(zhǎng)距400 Gbps可支持PCS 16QAM（107 GB）和PM QPSK（128 GB）兩種方案。

3? ?400 Gbps配套關(guān)鍵器件簡(jiǎn)介

在光域進(jìn)展方面，80×400 Gbps WDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要C+L波段擴(kuò)展，C6T產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)?00 Gbps QPSK驅(qū)動(dòng)已完善成熟，C4.8T+L4.8T產(chǎn)業(yè)鏈在10 Gbps、100 Gbps海外市場(chǎng)推動(dòng)下已完善成熟，C6T+L6T產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)?00 Gbps PM QPSK驅(qū)動(dòng)處于完善過程中，當(dāng)前主要依賴中國(guó)廠商實(shí)現(xiàn)；C4.8T+L4.8T一體化光器件取得進(jìn)展，當(dāng)前WSS、OCM海外廠家已經(jīng)做到C4.8T+L4.8T一體化并已產(chǎn)品化，WSS支持ADD/DROP任意端口上下任意C4.8T+L4.8T波長(zhǎng)；C4.8T+L4.8T一體化光器件進(jìn)展將遠(yuǎn)快于C6T+L6T，C6T+L6T一體化的WSS樣品預(yù)計(jì)最早在2024年下半年出現(xiàn)；激光器、EDFA C+L一體化進(jìn)展緩慢，從工程實(shí)現(xiàn)角度而言，預(yù)計(jì)C4.8T+L4.8T比C6T+L6T更快面世。

光模塊：IPEC（國(guó)際光電委員會(huì)）于2022年10月25日正式發(fā)布《基于100 Gbps/Lane的100 Gbps和400 Gbps PAM4光模塊接口標(biāo)準(zhǔn)》。目前在400GE光模塊中，光口側(cè)主要使用4路*106 Gbps PAM4（400G-DR4、FR4、LR4）實(shí)現(xiàn)400 Gbps信號(hào)傳輸。國(guó)內(nèi)成熟供應(yīng)商光迅、中際等有自主可控產(chǎn)品技術(shù)儲(chǔ)備。

光纖光纜：長(zhǎng)飛、烽火通信、亨通等有成熟產(chǎn)品支持。

集成電路及光芯片：在400 Gbps網(wǎng)絡(luò)中，集成電路和光芯片起著關(guān)鍵的作用，用于光信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、光放大、光切換等功能。烽火通信、華為、中興等有成熟產(chǎn)品支持。

高速DSP：在400 Gbps網(wǎng)絡(luò)中，高速DSP通常用于光信號(hào)的調(diào)制解調(diào)和數(shù)字信號(hào)的處理，以實(shí)現(xiàn)高速、高效的數(shù)據(jù)傳輸和通信。日本NEL和美國(guó)Acacia、Inphi有成熟產(chǎn)品支持。

L6T EDFA：L6T放大器主要通過改變摻雜元素或者基質(zhì)材料來擴(kuò)展L波段放大帶寬，目前L6T放大器增益問題基本解決，產(chǎn)業(yè)鏈主要受限鉺纖廠家。OFS、Fibercore、長(zhǎng)進(jìn)激光、睿芯、銳光具備實(shí)用化L6T鉺纖生產(chǎn)能力，光迅、德科立已實(shí)現(xiàn)L6T EDFA的小批量樣產(chǎn)。

當(dāng)前主要通過改變摻雜元素或者基質(zhì)材料來擴(kuò)展L波段放大帶寬。國(guó)外廠家的研究目前大部分仍停留在1 620 nm，近期研究進(jìn)展基本都由國(guó)內(nèi)廠商支持。前L6T放大器增益問題基本解決，但NF噪聲指數(shù)與C和L4.8T仍有1.5～2 dB的差距，這由鉺纖特性所決定的。L6T當(dāng)前仍存在一定難題，EDFA鉺纖效率、SRS強(qiáng)效應(yīng)、系統(tǒng)業(yè)務(wù)信道和輔助信道分布、SRS效應(yīng)是C+L應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題^[1]。L4.8T在業(yè)界已經(jīng)商用多年，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟。L6T光器件當(dāng)前仍處于小批量樣品階段，且僅國(guó)內(nèi)在研究。烽火處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

WSS波長(zhǎng)光開關(guān)：當(dāng)前WSS、OCM海外廠家已經(jīng)做到C4.8T+L4.8T一體化并已產(chǎn)品化，WSS支持ADD/DROP任意端口上下任意C4.8T+L4.8T波長(zhǎng)，C4.8T+L4.8T一體化光器件進(jìn)展將遠(yuǎn)快于C6T+L6T，C6T+L6T一體化的WSS樣品預(yù)計(jì)最早在2024年下半年出現(xiàn)。目前Finisar、Lumentu、Molex、海思、光迅、昂納等國(guó)產(chǎn)廠家主要提供C4.8T、C6T的9維、20維產(chǎn)品。

小結(jié)：40 Gbps在C+L波段的部署是當(dāng)前業(yè)內(nèi)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)，涉及技術(shù)、產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)鏈。相干光模塊、EDFA、WSS等光器件在C6T、C4.8T+L4.8T已成熟并支持規(guī)模商用，L6T波段相干光模塊、EDFA有待產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步成熟和完善。當(dāng)前400 Gbps在C+L波段的部署本質(zhì)上是在一根纖芯上兩套系統(tǒng)的疊加。關(guān)于C+L波段兩套器件的“有機(jī)”融合C4.8T+L4.8T WSS已有樣品，C6T+L6T預(yù)計(jì)最早在2024年下半年會(huì)出現(xiàn)樣品。成本方面，C6T、C4.8T+L4.8T EDFA、WSS與傳統(tǒng)C波段接近，L6T EDFA從實(shí)現(xiàn)方案來看比C波段EDFA高出不少。在C+L應(yīng)用方式下系統(tǒng)的非線性管理和優(yōu)化是一大難題，需要進(jìn)行深入研究和驗(yàn)證，另外，ITU-T標(biāo)準(zhǔn)還在討論中，預(yù)計(jì)2023年6月定稿發(fā)布。當(dāng)前廠家宣稱的雙速率都是硬件支持速率，處于樣品階段。廠家主要包括光迅、索爾思、Finisar。

4? ?400 Gbps實(shí)驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng)原型演進(jìn)路線

2016年烽火通信開始布局400 Gbps預(yù)研，2018年全球首張400 Gbps OTN試商用網(wǎng)絡(luò)在北京聯(lián)通二平面建設(shè)，400 Gbps傳輸系統(tǒng)原型首次面世。2021年烽火通信在智利幫助Mundo客戶建設(shè)首張400 Gbps OTN骨干傳輸網(wǎng)。考慮對(duì)方已成為當(dāng)?shù)豑OP3固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、第二大FTTH運(yùn)營(yíng)商，烽火采用先進(jìn)的SDN管控平臺(tái)，滿足Telemetry、Netconf/Yang，整合Inspection Tool巡檢工具，提升運(yùn)維能力，同時(shí)設(shè)計(jì)具有兼容后續(xù)800 Gbps高速傳輸技術(shù)特點(diǎn)，為南美首家部署試商用400 Gbps傳輸網(wǎng)絡(luò)做了良好示范。2023年初，烽火通信聯(lián)合中國(guó)電信研究院，基于電信上海-金華-河源-廣州G.654E光纜，采用最新第三代400 Gbps系統(tǒng)，通過118.75 GHz帶寬，107 G波特率的PCS-16QAM調(diào)制400 Gbps系統(tǒng)技術(shù)方案，利用現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際鏈路在線實(shí)時(shí)傳輸，成功實(shí)現(xiàn)了從廣州出發(fā)在上海環(huán)回返回廣州。其中放大器全部采用純EDFA，全程無電中繼，路由全長(zhǎng)3 820 km，實(shí)現(xiàn)業(yè)界最長(zhǎng)驗(yàn)證距離，打破了現(xiàn)網(wǎng)行業(yè)紀(jì)錄。而本次驗(yàn)證中采用的107 Gbps系統(tǒng)具有更好的傳輸性能，相對(duì)于96 Gbps，傳輸距離提升30%以上；同時(shí)系統(tǒng)支持C波段和L波段，在C4.8T+L4.8T波段可實(shí)現(xiàn)80波大容量傳輸系統(tǒng)，容量翻倍，有力支撐了下一步400 Gbps干線商用。2023年5月17日在世界電信日期間，基于自主研發(fā)的400 Gbps QPSK光模塊，烽火通信向業(yè)界展示了全國(guó)首個(gè)400 Gbps 6 000 km無電中繼實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)驗(yàn)證成果，這標(biāo)志著向產(chǎn)業(yè)成熟邁出關(guān)鍵一大步。本次驗(yàn)證采用自研400 Gbps QPSK單盤、400 Gbps QPSK模塊及全自研Tbits級(jí)別的OTN處理芯片，實(shí)現(xiàn)了無電中繼6 000 km的極限傳輸距離。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，系統(tǒng)采用了現(xiàn)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的G.652.D光纖，并基于C6T波段，通過EDFA+拉曼放大器驗(yàn)證了多場(chǎng)景極限距離傳輸能力。測(cè)試結(jié)果表明，自研400 Gbps QPSK的性能完全可以滿足大容量、長(zhǎng)距離傳輸需求，相較于200G QPSK，可達(dá)到“容量翻倍、距離不變”的效果。同時(shí)在試商用工程現(xiàn)場(chǎng)，基于湖北省內(nèi)干線網(wǎng)絡(luò)光纜數(shù)據(jù)，采用了C+L波段和400 Gbps QPSK技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)網(wǎng)長(zhǎng)跨度模擬測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中，烽火通信實(shí)現(xiàn)了環(huán)回1100 km的傳輸距離驗(yàn)證，系統(tǒng)的余量超過5 dB，線路利舊（全程G.652.D），且不新增節(jié)點(diǎn)；全程采用EDFA，系統(tǒng)性驗(yàn)證了在維持現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、維持現(xiàn)有運(yùn)維習(xí)慣、維持主流光纜類型的情況下，400 Gbps QPSK可以滿足干線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能要求。

5? ?結(jié)束語

在和國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商實(shí)驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)過程中，400 Gbps全光網(wǎng)已經(jīng)在理論和實(shí)踐方面獲得了突破性進(jìn)展，通過超長(zhǎng)距實(shí)時(shí)傳輸驗(yàn)證，初步明確400 Gbps QPSK技術(shù)路線，400 Gbps大規(guī)模商用技術(shù)路線選擇應(yīng)綜合考慮“性能、產(chǎn)業(yè)、自主可控”因素，進(jìn)行技術(shù)路線選擇，選擇性能滿足應(yīng)用需求，產(chǎn)業(yè)支持度好，技術(shù)生命周期長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)自主可控、降低風(fēng)險(xiǎn)。

從2018年至今，烽火通信陸續(xù)與國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商完成多個(gè)C+L寬譜、單波400 Gbps長(zhǎng)距離傳輸試點(diǎn)、系統(tǒng)性驗(yàn)證了400 Gbps極限傳輸能力和現(xiàn)網(wǎng)部署預(yù)驗(yàn)證，表明400 Gbps系統(tǒng)離正式商用部署更進(jìn)一步，烽火通信400 Gbps QPSK無電中繼傳輸6 000 km是目前業(yè)界處于領(lǐng)先地位的商用方案。400 Gbps是個(gè)系統(tǒng)工程，烽火通信將在系統(tǒng)優(yōu)化、光電聯(lián)動(dòng)、智能運(yùn)維等技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)攻關(guān)，加速推進(jìn)400 Gbps系統(tǒng)等商用。

目前，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合烽火通信在內(nèi)的10余個(gè)行業(yè)伙伴共同發(fā)布了《中國(guó)移動(dòng)?xùn)|數(shù)西算業(yè)務(wù)布局白皮書》；中國(guó)聯(lián)通寧夏分公司與烽火通信等50家生態(tài)合作伙伴簽署了“東數(shù)西算”戰(zhàn)略合作協(xié)議，進(jìn)一步擴(kuò)大了“東數(shù)西算”產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。烽火通信還將攜手全球運(yùn)營(yíng)商及行業(yè)合作伙伴，筑牢算力網(wǎng)絡(luò)全光底座，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)新發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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