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隨著超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心對(duì)帶寬需求的日益提升，數(shù)據(jù)中心快速增長(zhǎng)，產(chǎn)品迭代加速，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求對(duì)于供應(yīng)商的技術(shù)、工藝挑戰(zhàn)愈發(fā)明顯，光傳輸技術(shù)已朝向超高速、超大容量方向發(fā)展。當(dāng)前，各大企業(yè)及運(yùn)營商正在積極推進(jìn)400G技術(shù)的應(yīng)用部署。接下來，本文著重為大家介紹400G?OTN/WDM?技術(shù)發(fā)展，詳細(xì)的分析400G 的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)方案考慮。
400G 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
400G 國際標(biāo)準(zhǔn)主要由ITU-T、IEEE 和OIF 3 個(gè)組織制定，各有側(cè)重。國內(nèi)由CCSA TC6 制定相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
1、ITU 標(biāo)準(zhǔn)
ITU- T SG15 負(fù)責(zé)制訂光傳送網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在2016 年9 月修訂完成的G.709 標(biāo)準(zhǔn)中，定義了以 5G 時(shí)隙為最小粒度并加入復(fù)用段映射結(jié)構(gòu)的OTUCn 幀格式，為超100G 大帶寬業(yè)務(wù)確定了承載方式。在2017 年6 月完成發(fā)布了采用RS-FEC 的短距FlexO-SR 標(biāo)準(zhǔn)（G.709.1），2018 年2 月完成發(fā)布了采用SC-FEC 的長(zhǎng)距FlexO-LR 標(biāo)準(zhǔn)（G.709.3）。G.698.2 標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范線路側(cè)光接口指標(biāo)，在即將完成的100G 接口標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，2018 年2 月啟動(dòng)了針對(duì)200G/400G 接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作。為滿足陸地100G 及以上高速系統(tǒng)傳輸，在中國聯(lián)通等單位提交現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，2016 年9 月修訂完成了G.654 光纖標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)陸地應(yīng)用，新增了G.654.E 子類，與G.652 光纖相比有更大的有效面積和相同的宏彎損耗。
2、IEEE 標(biāo)準(zhǔn)
IEEE802.3 工作組主要負(fù)責(zé)400GE 接口標(biāo)準(zhǔn)化，IEEE802.3bs 標(biāo)準(zhǔn)已于2017 年12 月正式發(fā)布，重點(diǎn)規(guī)范了基于PAM4 調(diào)制編碼方式的8 通路波分復(fù)用2 km/ 10 km 單模光纖應(yīng)用（400GBASE-FR8/LR8）等。該標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布更好地解決了數(shù)據(jù)中心和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)速率更高、容量更大的應(yīng)用需求。
3、OIF 標(biāo)準(zhǔn)
OIF 主要負(fù)責(zé)物理鏈路層（PLL）的光電模塊和高速接口等標(biāo)準(zhǔn)化。2015 年7 月發(fā)布了《400G 技術(shù)選擇白皮書》，圍繞調(diào)制格式、應(yīng)用場(chǎng)景、頻譜間隔、載波數(shù)量等進(jìn)行分析，梳理400G 高速傳輸關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)城域、長(zhǎng)距和超長(zhǎng)距等不同應(yīng)用場(chǎng)景提出解決方案。 2017 年8 月發(fā)布了《靈活相干DWDM 傳輸框架》，規(guī)范了骨干長(zhǎng)距（1 000~1 500 km）、城域（100~1 000 km）和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（50~100 km）等應(yīng)用場(chǎng)景的靈活相干 DWDM 傳輸技術(shù)，為模塊、器件及設(shè)備商提供技術(shù)指導(dǎo)，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景給出了調(diào)制方式建議。同時(shí)還發(fā)布了發(fā)射機(jī)和接收相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括規(guī)范支持20/30/40GHz 帶寬的集成內(nèi)差探測(cè)相干接收機(jī)（u-ICR）和支持 64G 波特率的高帶寬偏振復(fù)用調(diào)制器（HB-PMQ）等IA文件。OIF 同時(shí)正在制定面向城域應(yīng)用（80~120 km）的400G-ZR 標(biāo)準(zhǔn)。
4、CCSA 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
2017 年12 月完成了《N×400G WDM 系統(tǒng)技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)送審稿的討論，即將報(bào)批。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)用于骨干網(wǎng)的不同400G WDM 技術(shù)在不同光纖上的傳輸能力進(jìn)行了明確規(guī)范。結(jié)合ITU-T G.654 標(biāo)準(zhǔn)的修訂完成，以及中國聯(lián)通開展的G.654 現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)工作， 2017 年4 月完成了國內(nèi)G.654.E 光纖行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已報(bào) 批，即將正式發(fā)布。
400G 應(yīng)用部署考慮
1、應(yīng)用場(chǎng)景分析
相比于技術(shù)歸一化的100G 技術(shù)，400G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式多樣化，引入了高階調(diào)制、靈活柵格、頻譜整形和多子載波等技術(shù)，且需要用到比100G 時(shí)代更窄線寬的激光器，約100 kHz。
不同應(yīng)用場(chǎng)景可有不同400G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對(duì)城域應(yīng)用，主要是單載波16QAM 為主；對(duì)骨干網(wǎng)應(yīng)用，主要是雙載波16QAM、雙載波8QAM 和雙載波QPSK 這3 種 實(shí)現(xiàn)方式，三者主要比較如下表所示。
從圖表中可以看出，雙載波QPSK 技術(shù)需要用到高波特率器件，對(duì)DAC/ADC 提出了很大挑戰(zhàn)，從當(dāng)前技術(shù)成熟度和光器件發(fā)展水平，雙載波16QAM 和雙載波8QAM 是骨干網(wǎng)應(yīng)用較為成熟的技術(shù)。
2、概率星座整形
通常正交幅度調(diào)制（QAM）格式下所有星座點(diǎn)都有相同的使用概率，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸能力，業(yè)內(nèi)提出了概率星座整形（PCS——Probabilistic Con? stellation Shaping）技術(shù)。該技術(shù)對(duì)不同位置星座點(diǎn)的使用概率進(jìn)行調(diào)整，以小振幅星座點(diǎn)使用概率更大，大振幅星座點(diǎn)使用概率更小的方式來傳輸信號(hào)，這樣將對(duì)噪聲和其他非線性損傷具有更大容忍度和適應(yīng)性，從而能對(duì)傳輸速率進(jìn)行調(diào)整以更好地適應(yīng)傳輸信道，提升容量，使光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸容量更接近香農(nóng)極限。 線性傳輸通道PCS 技術(shù)理論上有最大1.53 dB 的性能提升，非線性通道性能提升量將會(huì)更大。PCS 技術(shù)已成為高階調(diào)制系統(tǒng)中非常有效的傳輸能力提升手段，正在逐步走向?qū)嵱谩?/div>
3、靈活柵格
ITU-T G.694.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了靈活柵格技術(shù)，中心頻率以193.1 THz 為基準(zhǔn)，以6.25 GHz 的整數(shù)倍為步長(zhǎng)增減頻率，頻率柵格寬度按照12.5 GHz 的整數(shù)倍增加。引入靈活柵格技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)頻譜的精細(xì)管理和高效利用，獲得更大的頻率效率。但是相比于當(dāng)前基于50 GHz 固定間隔進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程部署，靈活柵格的400G 技術(shù)在應(yīng)用時(shí)也存在以下問題需考慮。
①OTU 需要支持靈活柵格，合分波和ROADM 也必須支持靈活柵格，才可實(shí)現(xiàn)端到端的靈活柵格。
②需要考慮傳輸距離與傳輸容量（頻譜效率）間的平衡，靈活柵格通常會(huì)帶有頻率整形，而頻譜整形在一定程度上會(huì)降低傳輸能力。
③需要頻率和波長(zhǎng)分配管理，對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)應(yīng)用，靈活柵格可以簡(jiǎn)潔有效提高頻譜效率，增加系統(tǒng)容量，但對(duì)ROADM 復(fù)雜組網(wǎng)中，需要全程端到端的波長(zhǎng)分配和頻率管理，否則不同節(jié)點(diǎn)帶來的頻譜碎片可能會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率低，系統(tǒng)總?cè)萘勘裙潭鸥窀汀?/div>
4、性能監(jiān)測(cè)和評(píng)估
OSNR 仍然作為WDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，但是在多子載波超級(jí)通道的400G 系統(tǒng)中，傳統(tǒng)50 GHz 間隔單載波OSNR 的定義和測(cè)試方法不再適用，需要分別對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行測(cè)試，然后考慮超級(jí)通道的OSNR 指標(biāo)。
ITU-T G.698.2 中針對(duì)高階矢量調(diào)制信號(hào)引入了誤差矢量幅度（EVM——Error Vector Magnitude）參數(shù)，表征信號(hào)星座圖偏離理想星座點(diǎn)的誤差，成為高階調(diào) 制信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)和系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)評(píng)估的重要參數(shù)，也將在400G 系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用。
5、多速率多調(diào)制方式混傳
400G 發(fā)射機(jī)均支持靈活速率和調(diào)制方式可編輯，單載波可同時(shí)支持QPSK 調(diào)制的100G 和不同調(diào)制格式的200G。因此400G 系統(tǒng)支持與100G 系統(tǒng)的混傳部署，且不需要保護(hù)帶。但在混傳時(shí)，需注意各自的傳輸能力差異。
6、不同光纖鏈路部署
中國聯(lián)通在濟(jì)南—青島開展的多廠家400G 系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)，測(cè)試了G.654.E 光纖和G.652 光纖上的傳輸能力，充分驗(yàn)證了G.654.E 光纖對(duì)400G 傳輸能力的提 升。
目前中國運(yùn)營商光纜網(wǎng)絡(luò)中建設(shè)了大量G.652 光纖，加上存量G.655 光纖，以及即將部署的G.654.E 光纖，網(wǎng)絡(luò)將在一段時(shí)期內(nèi)同時(shí)存在3 種光纖。
3 種光纖有效面積存在較大差異，如下圖所示。非線性效應(yīng)與光纖有效面積和光纖功率密度相關(guān)，光纖有效面積越大，相同功率密度下可入射光功率越高，同種調(diào)制格式（16QAM 為例）下，G.655 光纖入纖功率最小，約0 dBm，而G.654.E 光纖可達(dá)2.5 dBm。
因此在現(xiàn)網(wǎng)部署400G 技術(shù)時(shí)，優(yōu)先考慮部署在G.654.E 和G.652 光纖中，盡量避免應(yīng)用G.655 光纖，其無電中繼距離較短。
7、保護(hù)倒換
中國聯(lián)通骨干傳輸網(wǎng)普遍部署光復(fù)用段保護(hù)（OMSP）來提高骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠性。在OMSP 配置中，對(duì)于多速率靈活設(shè)置和多光纖鏈路選擇等應(yīng)用場(chǎng)景需考慮以下幾個(gè)問題，盡量保證主備用路由的性能，否則會(huì)存在采用不同光纖路由切換后系統(tǒng)無法工作的風(fēng)險(xiǎn)。
①不同速率混傳（100G 與400G）時(shí)，需考慮不同速率時(shí)的無電中繼傳輸能力差異。
②相同速率不同調(diào)制方式（雙載波 16QAM 與 8QAM 等）時(shí)，需考慮不同調(diào)制格式傳輸能力差異。
③主備用不同光纖類型時(shí)，需要考慮不同光纖上400G 系統(tǒng)傳輸能力差異。
結(jié)語
隨著光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)的痛并快樂著的局面總是在不斷推進(jìn)產(chǎn)業(yè)的兼并整合進(jìn)程。隨著400G?OTN/WDM技術(shù)的成熟和標(biāo)準(zhǔn)化完成，400G 技術(shù)將逐步在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中應(yīng)用。