骨干全光網技術發展趨勢探討

  0 引言

  全光網是光網絡技術發展到一定階段的產物，全光網概念在我國首次出現于2008年左右，隨著光纖接入(FTTx)技術和軟交換技術的普及，電話和寬帶網絡在接入層分別采用光纖替代銅線，即“光進銅退”，全國各地廣泛宣傳全光網、全光城市等概念。這一時期的全光網定義為全光網1.0，其特征是骨干網以WDM技術為核心的全光傳輸和城域/本地網、以FTTx技術為核心的全光接入。2011年2月16日，中國電信正式啟動“寬帶中國·光網城市”行動，2017年實現了既定目標，FTTx和百兆入戶的比例均超過90%，標志著“全光網1.0”的實現。

  中國電信于2017年在中國光網絡研討會(OptinetChina)上首次提出“全光網2.0”的概念，指出當傳輸和接入都實現光纖化，交換層也引入基于光分插復用設備(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM)的全光交換技術后才能構成嚴格意義上的全光網。在2018年世界光纖通信大會(Optical Fiber Communication，OFC)上，中國電信在大會報告(Plenary Speech)上首次明確“全光網2.0”的主要特征，包括依托可重構ROADM設備、100 Gbit/s和超100 Gbit/s相干傳輸技術、智能波長交換光網絡(Wavelength Switched Optical Network，WSON)控制平面和一跳直達全光架構實現波長級全光調度、分鐘級業務發放、秒級恢復和毫秒級時延。此后，“全光網2.0”的概念逐漸被業界接受，內涵也不斷得到豐富。到2021年，中國電信建成了一張覆蓋除港澳臺外所有省級行政區的一二干融合的基于ROADM技術的骨干全光交換網絡，覆蓋了近200 個城市和多數大型數據中心，包括440 多個ROADM節點和1600多個光放大(Optical Amplifier，OA)節點，標志著“全光網2.0”在骨干網層面進入穩步發展階段，即骨干全光網。

  骨干全光網的核心是全光傳輸和全光交換。全光傳輸的追求目標是大容量與長距離，而這兩個目標的實現存在一個權衡，一個方面的提升往往意味著另一個方面有所犧牲。更大的系統容量，可以通過提高頻譜效率以及擴展頻譜帶寬來實現，長距離傳輸的性能要求則限制提升頻譜效率的空間。隨著更高處理能力芯片的出現，一定程度上可以打破限制，在滿足長距離傳輸性能要求的前提下，提升頻譜效率或者提高單波傳輸速率。同時，G.654E光纖的更低衰耗和大有效面積的特性，可以進一步助力系統傳輸性能的提升。全光交換目前的核心技術是ROADM，未來發展方向除了物理交叉能力的提升，更重要的是基于軟件和協議的技術創新實現更快速的業務調度、故障恢復等軟能力，拓展全光交換技術的應用場景?；诖?，本文將從單波傳輸速率、擴展波段、新型光纖以及全光交換技4個方面對全光骨干網的發展趨勢進行探討。

  1 單波傳輸速率演進

  單波速率從100 Gbit/s到200 Gbit/s，再到400 Gbit/s演進。從2013年開始，100 Gbit/s的波分系統逐步在中國電信的WDM/ROADM網絡及OTN網絡中部署，目前已覆蓋全國31個省。在中國通信標準化協會(China Communications Standards Association，CCSA)《N×400 Gbit/s WDM系統技術要求》行業標準中定義了雙載波400 Gbit/s[1]，即用2個200 Gbit/s波長承載一路400 Gbit/s業務信號，稱之為超級通路(Super Channel)。超級通路400 Gbit/s WDM技術實際應用支持相同技術選型的400 Gbit/s與200 Gbit/s信號混合傳輸。單載波400 Gbit/s的相關標準仍處于制定中，其波道間隔定義將與雙載波400 Gbit/s保持一致?？梢灶A見，400GE接口將成為未來重要的業務速率，線路側400 Gbit/s將是傳輸網的主流傳輸速率。并且可以確定的是，未來將采用單載波400 Gbit/s的方案承載業務。而雙載波400 Gbit/s的劣勢在于采用此方案承載400GE接口業務，相比較單載波方案而言，會使用雙倍的業務板卡，成本更高并且存在反向復用的問題，需要增加額外開銷。

  1.1 200 Gbit/s

  CCSA《N×400 Gbit/s WDM系統技術要求》行業標準定義了兩種200 Gbit/s技術選型[1]，一種是PM16QAM，另一種是PM-QPSK。200 Gbit/s PM-16QAM與PM-QPSK目前都是比較成熟的技術方案。

  200 Gbit/s PM-16QAM方案的優勢在于與100 Gbit/s PM-QPSK技術兼容性高且頻譜效率是其兩倍，即采用相同波段傳輸，系統容量可以實現翻倍;200 Gbit/s PM-16QAM采用與100 Gbit/s PM-QPSK技術相同的波特率以及50 GHz波道間隔，可以實現100~200 Gbit/s的平滑升級，且可以與100 Gbit/s QPSK混合傳輸。該方案的劣勢在于傳輸距離較短，在現網G.652D光纖中傳輸距離一般在500 km以內。因此，該方案適用于城域網應用，國內運營商均在省內網絡有少量部署。應用該技術方案在中國電信網絡中進行了現網測試，傳輸鏈路如圖1所示[2]。被測200 Gbit/s PM-16QAM WDM信號可實現經過21個光放段，總長度為1142 km的長距無誤碼傳輸，系統背靠背OSNR容限(End of Life，EOL)為16.5 dB。

圖1 200 Gbit/s PM-16QAM方案現網試驗傳輸鏈路示意圖

  200 Gbit/s PM-QPSK方案采用的是75 GHz的波道間隔，相比較于100 Gbit/s PM-QPSK同樣提高了頻譜效率，該方案的突出優勢在于現網G.652D光纖中傳輸距離一般在1500 km以上，可在省際及省內干線中應用;該方案的缺點在于與波道間隔為50 GHz的100 Gbit/s PM-QPSK不能混用，否則會產生頻譜碎片，不利于網路維護以及ROADM組網。

  2019年，在長江中下游區域的中國電信省級骨干ROADM網絡中，進行了單波長200 Gbit/s PM-QPSK WDM系統的超長距離傳輸試驗(見圖2)[3]。該試驗傳輸鏈路總長度達到2174 km，包含9個ROADM節點，經過35個光放段;傳輸設備采用200 Gbit/s PM-QPSK方案，波特率達到69GBaud，通道間隔為75 GHz，系統背靠背OSNR容限為14.5 dB。該試驗結果表明，在兼顧系統容量提升的同時，200 Gbit/s QPSK WDM系統能夠提供超長距傳輸能力。對運營商而言，這一方案是骨干網絡進行容量升級、降低單比特傳輸成本的一種選擇。

圖2 200 Gbit/s PM-QPSK方案現網超長距傳輸系統示意圖

  1.2 400 Gbit/s

  單載波400 Gbit/s的技術方案比較多，主要有以下3種。

  (1)波道間隔為75 GHz的PM-16QAM方案，波特率一般在64GBaud左右，在現網中測試，糾錯前誤碼率門限為3.4E-2時，系統背靠背OSNR容限約為23 dB。該方案的商用板卡的傳輸性能不能滿足骨干光傳輸，現網G.652D光纖的傳輸距離在300 km左右，主要應用于數據中心互聯(Data Center Inter-connect，DCI)等應用場景。

  (2)波道間隔為100 GHz的PM-16QAM方案，波特率一般在90GBaud左右。如圖3所示，在實驗室搭建了13×22 dB(每跨段80 km)WDM測試系統。在研究測試中，測得系統背靠背OSNR容限在18.5 dB以內?，F網傳輸能力按照實驗室傳輸距離的七成計算，該方案的商用板卡可以支持現網中G.652D光纖700 km以上的傳輸距離，可用于省內干線、城域網等應用場景。

圖3 N×400 Gbit/s WDM測試系統實際配置

  (3)波道間隔為150 GHz的PM-QPSK方案，波特率在130GBaud左右。該方案目前尚無商用板卡，預計背靠背OSNR容限在16.5 dB以下?，F網G.652D光纖中傳輸距離在1500 km以上，性能會優于波道間隔為75 GHz的200 Gbit/s PM-QPSK方案，可在省際干線中應用，預計是下一代主流的骨干網傳輸技術方案。

  2 頻譜擴展技術

  增加系統容量的技術方案，在提高單通道速率之外，擴展可利用的頻譜資源是另一個重要的關鍵技術。C波段的頻譜帶寬為4 THz，通過對其擴展，可以得到4.8 THz，甚至6 THz的傳輸帶寬;此外，C波段結合L波段的應用，可以實現帶寬資源的翻倍。

  2.1 擴展C波段

  C波段的擴展方案可以分為兩個階段，第一階段是將50 GHz間隔的80波系統(C80)擴展到96波(C96)，系統容量增加20%;隨著流量的增加以及技術的發展，擴展方案發展到第二階段(見圖4)，擴展50 GHz間隔的120波系統，即擴展C波段，相比較80波，系統容量增加50%。當前工作在擴展C波段，波道間隔為75 GHz的80波PM-QPSK波分系統已經成熟，主要設備廠商的設備都可以支持。

圖4 擴展C波段頻譜圖

  相比較于C80及C96，擴展C波段系統需要解決一系列技術問題，包括優化設計線路板卡，增加激光器波長調諧范圍;優化光放大器，滿足擴展C波段的放大增益并保證平坦度;優化波長選擇開關(WavelengthSelective Switch，WSS)，使其滿足擴展C波段的應用要求等。擴展C波段的應用會引入一定程度的傳輸性能劣化，相比較C80/C96系統，整體系統性能會裂化有0.5~1 dB。通過系統相關優化設計，可以將劣化控制在0.5 dB以內。同時，擴展C波段WDM系統的關鍵元器件需要進一步優化和改進，從而改善性能。目前，波段C擴展的WDM系統已開始商用，但仍缺乏相關的系統參數標準定義，應加快推進相關標準制定，推進產業發展。

  2.2 C+L波段

  C+L作為成熟的商用技術，已經在日本、歐洲等國家和地區廣泛使用，能有效倍增系統(80×2波或96×2波)的傳送容量。在光纖資源緊缺，敷設成本或者租賃成本高昂的地區，是一種具有吸引力的選擇方案。由于傳輸系統中的關鍵器件(如激光器、放大器、WSS等)無法支持工作在C+L波段，以當前的能力僅能支持工作在C或者L波段，因此C+L波段系統實際是兩套獨立系統(見圖5)，優勢在于兩個波段共享一個光纖，節省光纖資源;劣勢在于，需要開發L波段的全套傳輸產品，且C+L波段的傳輸性能要略遜于單獨的C波段。

圖5 C+L波段WDM傳輸系統示意圖

  在國內，優劣勢兩相權衡下，光纖資源不作為稀缺資源考慮，以目前情況來看，C+L的應用可能性較低。然而，網絡流量迅速增長，光纖敷設的難度及成本也在增加，不排除光纖成為稀缺資源的可能。作為技術儲備，研究C+L波段傳輸系統一樣具有重要意義。針對L波段100 Gbit/s WDM系統，CCSA已經進行了相關研究[4]。由于C+L系統的寬光譜特性的存在，對通道光功率的動態均衡、非線性補償等提出了更高的要求。由于L波段的光纖衰耗大于C波段，導致L波段OSNR比C波段劣化0.5~1 dB。并且受激拉曼散射效應的存在會使得C波段功率向L波段轉移，從而引起C波段性能的劣化。在C+L波段研究以及應用設計時需要著重考慮這些問題。

  3 G.654E新型光纖

  在單模光纖中，限制信號傳輸能力的關鍵因素是衰耗和非線性效應。相應地，降低光纖衰耗系數以及降低光纖非線性噪聲積累是光纖設計的兩個關鍵指標。通過采用純硅芯或者低鍺摻雜芯區加上摻氟包層的設計可以使得光纖的衰耗系數降低到0.17 dB/km的水平。而降低非線性的方法，在海纜中應用的654光纖已經使用，即增大光纖的有效面積。光纖有效面積越大，非線性效應越弱;然而光纖有效面積越大，彎曲損耗也越大，太大的有效面積不適合陸纜使用。因此，作為一個權衡選擇，130 μm2的有效面積加上超低損耗的光纖結構設計成為陸纜單模光纖的關鍵標準，即G.654E光纖[5]。當前，中國電信、中國移動、中國聯通均已在現網中少量部署G.654E光纜，其中中國電信建設的全長1900多公里，世界上首條省際骨干全G.654E光纜(上?！鹑A—河源—廣州光纜)已于2021年4月建成。

  為驗證G.654E超低損耗及大有效面積新型光纖的實際性能，中國電信利用該條新建光纜完成了業界首次在G.654E光纜上的單載波400 Gbit/s超長距WDM 傳輸商用設備現網試驗(見圖6)。根據現網試驗數據進行測算，在滿足行業標準和工程規范要求的OSNR余量要求下，采用星座整形PM-16QAM碼型的400 Gbit/s系統可以實現1500 km左右的無電中繼傳輸，達到超長距傳輸系統要求?，F網比對測試結果表明，G.654E光纜的應用可以使得系統OSNR相較傳統G.652D纖芯環境提升3.5 dB，可延長無電中繼傳輸距離80%以上。

圖6 基于G.654E光纜的400 Gbit/s超長距現網傳輸試驗示意圖

  4 全光交換技術

  ROADM的技術價值在于可以通過遠程控制更改上下和穿通波長，無需手工跳纖，實現對WDM系統的波長重構;可以快速建立或重構波長路由、減少人工操作錯誤。DC互聯、波長專線等，往往比拼業務的提供速度，ROADM因此具有巨大的競爭優勢。ROADM在2016年被中國電信引入并部署于區域ROADM網，經過建設和融合，全網已形成華北、華南、西南、西北、東北等5個區域ROADM網。與ROADM一同引入的還有其網絡保護恢復技術——WSON，通過該技術，可以實現業務的動態重路由恢復，可抵抗多次故障。

  當前，廣泛使用的CD-ROADM，其中C(Colorless)、D(Directionless)分別指的是波長無關和方向無關。通過WSS級聯的方式，實現光層業務上下端口波長可調，本站上下路端口可任意改變傳送方向。目前，現網中少量使用CDC-ROADM，這是一種最靈活的ROADM設備形態，在C、D的基礎上多了一個競爭無關的C(Contentionless)，CDC的功能是通過MCS(Multicast Switch)實現。

  在當前的ROADM網絡中廣泛應用20維WSS，隨著業務的不斷發展，已經逐步出現端口數量不足的情況。目前，32維WSS已經在網絡中少量部署，由于維度變高，光纖連纖數量大幅增加，32維需要32×32×2=2048根光纖，大大增加了連纖錯誤幾率以及維護難度。因此，基于光背板的ROADM設備(簡稱光背板)被開發出來以解決此問題。光背板將光纖印刷在背板內，內部實現WSS各端口之間的光纖硬連接，無需面板跳纖，節省前面板空間，避免工程和維護中的錯連情況。

  現有ROADM網絡的動態重路由基于分布式算路策略，即源節點算路。在計算恢復資源時，不同源節點的計算波長資源可能相同，將導致波長資源沖突。隨著網絡規模的擴大和負載的增加，這種沖突的概率也將增加，將導致業務恢復時出現多次回退的現象。經過對現網故障數據記錄的分析發現，曾出現9次資源沖突的情況，最后才成功恢復業務。在上述案例中，該次故障導致部分業務中斷時間超過30 min。

  為解決上述問題，中國電信提出集中算路和分布式控制相結合的方式。集中式算路可完全計算路由資源沖突問題，有效減少動態重申路由的業務恢復時間，在西南ROADM網絡驗證了這種方案的可行性和有效性。

  為了進一步減少ROADM的恢復時間，需要提升計算單元的計算能力(主要是CPU和內存)，優化重路由計算算法和控制機制，同時將OTU波長調諧時間和WSS切換時間進一步優化。通過上述幾種策略改進和優化，將恢復時間從幾分鐘到幾十分鐘不等的不確定時間縮短為可保證的秒級，有望實現30 s以內，甚至10 s以內，有效提升業務的可用率指標。

  5 技術發展趨勢探討

  骨干光傳輸全面進入相干時代，中國電信骨干網絡中單波速率100 Gbit s的WDM系統已經全面部署應用，單波200 Gbit/s和400 Gbit/s的WDM系統正在積極探索，近年來進行了多次長距和超長距的實驗室以及現網傳輸試驗。提高單波長的速率，可以減少波長和光模塊的數量，降低單比特傳輸的設備成本和功耗，降低運維復雜度。從業務發展和技術能力的角度來看，400 Gbit/s極可能是中國電信下一代骨干網DWDM傳輸的主流線路速率。從匹配400GE業務需求以及滿足超長距離傳輸能力的角度出發，波道間隔為150 GHz的400 Gbit/s PM-QPSK方案是最為適配的技術路線，預計2023—2024年，骨干長距離400 Gbit/s產業具備規模部署能力，根據400GE業務驅動推動網絡建設。此外，客戶側已經具備成熟商用的400GE光模塊，而400 Gbit/s WDM系統跨系統轉接需要成熟的400 Gbit/s OTN接口，即400 Gbit/s客戶側光模塊需要同時支持400 Gbit/s FlexO速率。目前，市場上沒有兼容400GE和400 Gbit/s FlexO的雙速率光模塊，預計2022—2023年主流模塊廠商將具備提供能力。

  然而，提高系統容量以及提高單波速率(頻譜效率)不是唯一因素，單纖容量取決于系統的頻率效率和頻譜帶寬。在骨干網傳輸性能要求的限制下，高速系統提升頻譜效率的空間越來越有限，需要通過擴展頻譜帶寬提升單纖容量。目前，中國電信現網100 Gbit/s系統所用波段為C80和C96系統，系統容量分別為8 Tbit/s和9.6 Tbit/s。在200 Gbit/s速率下，骨干傳輸系統的容量可以提高到16 Tbit/s，與C80波段的100 Gbit/s系統相比，速率翻倍，容量也翻倍。擴展C波段的200 Gbit/s系統，在中國電信現網已有少量部署。在400 Gbit/s時代，中國電信骨干傳輸系統的容量持續提升，需要繼續依賴擴展波段的技術。同時，目前業界正在研究在擴展C波段的基礎上，繼續擴展L波段，CCSA也正在進行C+L波段系統的相關研究。從長遠考慮，一套能夠支持工作在C+L波段的傳輸系統是行業所期待的目標，這需要放大器及相關關鍵器件，如激光器、WSS等多方面的改進與突破。以光放大器為例，增益光纖增加新的摻雜元素，可以提升增益范圍;采用多段放大、優化泵浦功率配比等方式可以提升擴展區域的增益系數等。這需要整個產業共同努力，進行研究與探索。

  提升頻譜效率受限，原因在于受限于骨干傳輸性能要求。而采用G.654E新型光纖可以提升系統傳輸性能，可以助力更高傳輸容量的系統應用部署。G.654E光纖相比較于G.652D，模場直徑更大(有效面積更大)，可以提高1.5~2 dB的入纖功率，并且衰耗系數更小。綜合評估，對于長距傳輸，OSNR可以提高3 dB 左右，明顯減少再生中繼站的使用。雖然G.654E光纖的纖芯單價在200 元/芯公里以上，明顯高于G.652D的單價25 元/芯公里，但是以傳輸網綜合造價成本來分析，可以顯著降低網絡成本，帶來經濟收益。同時，在運行維護過程中，減少再生站的使用，能有效減少碳排放，助力碳達峰和碳中和。在中國電信骨干傳輸網，尤其是溝通京津冀、長三角、粵港澳、陜川渝四大核心區域的大動脈上會優先考慮部署G.654E光纖，充分利用其能夠延長無電中繼傳輸距離的能力。不過根據工程和實驗室研究經驗來看，G.654E光纖目前仍然存在著一定的熔接問題。不同光纖廠家在光纖剖面結構設計以及光纖摻雜材料種類和濃度存在一定差異性，這將導致部分廠家間光纖熔接損耗較大;而光纖熔接時，會存在兩段光纖模場直徑差距越大，光纖熔接損耗越大的情況。因此，有必要綜合產業鏈上下游力量，多方發力，推動開發更加適配G.654E光纖熔接的熔接機設備及程序，推動光纖光纜廠家G.654E光纖進行歸一化設計以及模場直徑集中化，以提高不同廠家熔接的兼容性。

  從中國電信的應用來看，骨干網以20維WSS為主的模式將向以32維WSS為主的模式過渡，未來新建400 Gbit/s的高速ROADM平面將引入光背板、高維WSS等新技術，降低維護成本以及難度，同時逐步升級為集中式算路策略，實現秒級可保障的快速恢復，助力業務品質提升。CDC-ROADM目前產業鏈還不夠成熟，中國電信將進一步研究和推動CDC-ROADM技術發展，按需引入現網。

  6 結束語

  隨著云網融合的持續推進，中國電信骨干全光網2.0進入了深化發展階段。在全光傳輸技術領域，DCI等業務驅動對全光傳輸系統的傳輸容量提出了更高的要求。本文從單波傳輸速率、擴展波段、新型光纖以及ROADM等4個方面對全光骨干網技術發展趨勢進行探討，并著重分析中國電信技術發展策略。單波速率從100 Gbit/s到200 Gbit/s，再到400 Gbit/s演進，頻譜帶寬從4 THz向6 THz擴展?；究梢悦鞔_，下一代骨干光傳輸網的主要方案將是400 Gbit/s PM-QPSK與擴展C波段的組合，未來5~10年將會在全網大部分節點部署。在光纖技術領域，未來骨干網溝通京津冀、長三角、粵港澳、陜川渝四大核心區域的大動脈以及相應輻射區域會優先考慮G.654E光纖部署，呼吁光纖光纜廠商進一步提高G.654E光纖的兼容性，降低其建設和運營成本，提高其適用范圍。在全光交換技術領域，在可預見的未來，骨干全光網還將采用基于ROADM的波長交換技術，有利于降低成本和功耗，提升光層網絡的靈活性，未來發展方向是32維及以上高維度WSS、簡化連纖的光背板、CDC-ROADM等技術，以及通過“集中+分布”相結合的WSON智能控制平面技術實現的快速故障恢復等技術，進一步提升用戶體驗。

  參考文獻

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  文章作者：呂凱、唐建軍、張安旭、李俊杰