骨干网光通信的最新趋势

原创鲜枣课堂 2024-05-16 23:58

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今天这篇，小枣君和大家聊聊骨干网光通信的一些最新技术动向。

█ 400G，真的来了

大家也许都有所耳闻，从去年开始，国内运营商骨干网已经全面拉开了400G商用的帷幕。

先是2023年大量的商用验证，然后是集采的全面启动。2024年，是规模商用的正式落地。

不久前，2024年3月，中国移动开通了全球首条400G全光省际（北京-内蒙古）干线，被视为一个重要的标志事件。

骨干网升级400G的原因，是显而易见的。

一方面，居民数字生活（高清视频、远程会议、在线直播、在线游戏等）所带来的消费互联网流量增长，仍在持续。

另一方面，全行业都在推动数字化转型，来自行业数字化系统的流量激增，加剧了骨干网的压力。

骨干网压力陡增，还有一个关键的原因——AI大爆发。

AIGC大模型崛起之后，引发了一股AI浪潮。为了满足AI业务的需求，需要建设大量的智算中心。模型从千亿参数向万亿参数发展，GPU算力集群也从千卡集群走向万卡集群甚至十万卡集群。

小枣君在以前的文章中介绍过，GPU算力集群其实就是海量的GPU卡（GPU服务器）通过高性能网络（例如InfiniBand、RoCEv2）连接在一起的一个阵列。它对网络性能和可靠性的要求极高，直接影响到训练效率和成本。

仅从GPU服务器的网络端口速率来说，就已经从单口400G起步，甚至要用到800G或更高。

GPU服务器的网络端口

以前，GPU算力集群属于DCN（数据中心内部网络）的范畴。现在，随着集群规模不断扩大，已经开始考虑将分布式智算中心应用于模型训练。

也就是说，将异地的几个智算中心，一起用来进行训练。

这就对DCI（数据中心互联网络）提出了更高要求，光通信骨干网必须在技术性能上能够满足这一需求。

我们国家在算力上的战略，还是秉承了“全国统筹、整体布局”的思路。从2022年2月开始，我国启动了东数西算工程，打造全国一体化算力体系。

简单来说，一方面，我们要建设大量的数据中心（相当于电厂），另一方面，也要建设粗壮的骨干传输网络（相当于输电网），把这些算力给“流通”起来，满足各行各业的需求。

█ 400G，是如何做到的？

当前的光通信骨干网，作为整个数字社会底座的光通信网络，必须具备超大带宽（400G，将来800G甚至1.6T）、超低时延（多级时延圈）、超大规模组网（服务于分布式计算，以及刚才说的AI集群）、超高稳定性、超高可靠性、超高安全性、超灵活部署、智能运维管控等多方面特性。

今天，主要说说最重要的速率带宽。

光通信技术发展到现在，想要实现速率的提升，无非就是在以下几个方面做文章：

首先，是波特率。

传输速率，是比特率，是单位时间传送的比特个数，单位是bit/s。

比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数。

波特率是单位时间内传送的码元符号（Symbol）的个数。波特率越高，每秒传输的符号越多，当然信息量就越大，速率就上来了。

波特率由光器件的能力决定。器件芯片制程越先进，波特率越高，速率（比特率）就越高。

目前，CMOS工艺从16nm提高到7nm和5nm，波特率也逐渐从30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud、128+Gbaud。

现在的400G能够商用，就是得益于波特率能够达到128Gbaud。

再看看调制方式。

刚才那个公式，里面的“单个调制状态对应的二进制位数”，就是调制方式决定的。

400G技术的调制方案，目前主要有16QAM、16QAM-PCS（PCS是概率整形技术，下次专门介绍）和QPSK三种，适用于不同的应用场景。

光通信和无线通信不太一样，不会一味追求高阶调制。

调制阶数越低，对线路的要求越低，建网成本也越低。所以，长途骨干网早期设计阶段的时候，基本上聚焦于16QAM和QPSK。后来有了16QAM-PCS，也加入了竞争。

以前没提“东数西算”、运营商们都认为400G不会需要太长距离的传输，所以，采用技术更成熟、价格更低的低波特率器件，配合调制阶数较高的16QAM，是行业的主流意见。

后来，一方面因为传输距离的要求增加，从1000多km变成几千km，再一个，128GBaud波特率器件迅速成熟（在DCN场景，800G迅速崛起，对产业链产生刺激和推动），为QPSK脱颖而出创造了条件。

QPSK对非线性的耐受能力更高，相比16QAM-PCS可以适当提高入纤功率。其次，QPSK的背靠背OSNR门限相比16QAM-PCS有优化。再有，设置QPSK的通道间隔为150GHz，使得在传输过程中几乎没有滤波代价。

这些优势，都使得QPSK逐渐成为行业在骨干网和DCI的一致首选。

三种方案的大概对比

现在，前两种方案，被考虑的应用场景更多是城域或省干。

第三，是扩展波段。

波特率和调制主要影响的是单波速率。一根光纤，是可以有多个波的，只要频谱范围足够大，就可以了。

单波带宽×单纤波数=单纤带宽。

前面表格写了，QPSK 400G的通道间隔达到150GHz。传统的C波段和扩展C波段都不足以满足频谱带宽的需求。

于是，现在逐渐采用了C6T+L6T的方式，一共是12THz的频谱带宽。计算一下，80个波，单波400G，一起就是单纤32T容量。如果牺牲一点距离，用在省干的话，部署QPSK或16QAM-PCS，容量还能再大些，达到48T。

关于波段的详细介绍，可以看这里：光通信到底有哪些波段？

扩展波段的最大问题，在于器件是否能够支持，且成本是否可控。这里所说的器件，包括ITLA、CDM、ICR、EDFA及WSS等，涉及到光的收发和光路交换、放大等。

波段扩展的话，还涉及到一个问题，那就是整合。

现在的波段扩展，其实更像是两套系统（C和L）的简单绑定。两套系统独立运作，通过合波的方式，进行传输，然后到了对端，再进行分波，各自继续处理。

两套系统的话，体积会更大，功耗会更高，设计也更复杂。所以，行业需要研究，怎么进行器件整合，真正让一套系统，同时支持不同的扩展波段。也就是实现真正的一体化。

光纤通信，除了光模块和光设备，还需要关注光纤。

现在的主流光纤是G.652D光纤。400G QPSK，在G.652D上，借助EDFA放大，也能传输1500km。

行业经过多年的验证，已经认定，G.654E光纤是新的继任者。如果用性能更好的G.654E，同等条件下，400G QPSK的传输距离，可以增加30%以上。

G.654E光纤已经具备规模化生产的能力，将在长途干线上进行大规模部署。G.654系列的一些低损耗光纤，也成为海缆系统跨洋超长距离传输的首选。

除了传统光纤之外。行业还认为，多芯光纤和空心光纤拥有广阔的应用前景。

多芯光纤是一种空分复用，在一个光纤里，塞入更多的纤芯，采用少模，可以大幅提升光纤的容量。

空心光纤就更牛逼了，直接把光纤做成空心，用空气取代玻璃纤芯。

空心光纤被证明可以带来更大的容量、更低的时延，更小的传输损耗，以及超低非线性，被行业一致认为是光通信里最具潜力的技术之一。

█ 400G的下一步，800G or 1.6T？

400G正式规模商用之后，整个行业的目光将会放在400G以上（beyond 400G）的技术标准体系上。

对于接下来是搞800G、1.2T还是1.6T，行业还在加紧论证。

如果想要实现更高的速率，就必须在“调制方式+波特率”上继续做文章。130GBd，或者更高的260GBd，是必然方向。更高波特率，意味着相关器件必须跟上，形成成熟的产业链。

超过400G，不能再指望QPSK了。16QAM调制，是行业目前普遍认可的选项。

波段也需要进一步扩展。在扩展C和L的基础上，考虑往S波段、U波段、E波段等进行扩展。如果是C+L+S，那就是12T+5T，达到17THz的频宽。

多方面因素相叠加，单根光纤单个方向传输速率超过100Tbps，指日可待。

在数据中心内部，800G（基于100GBd以上波特率，单通道100G）已经商用了。单通道200G、400G、800G，只是时间有早有晚。在这方面，国外的进度更快一些。

随着容量的不断提升，带来的技术挑战也不断增加。光通信的发展，说白了，依赖于器件、芯片、制程、材料。

想要满足前面提到的功耗、安全、运维等方面的要求，还依赖于工艺、架构、封装、人工智能、数字孪生等一系列的创新。产业链上下游需要做的工作，还有很多。未来的路，还很长。

█ 最后的话

光通信是整个社会的数字动脉。这些年，人们对很多技术（包括5G）都提出过质疑，但没有人会对光通信提出质疑，因为它是社会发展的刚需。

人类数据流量不断增加的趋势，在未来几十年都是不会变的。人工智能技术的高速崛起，会将这个趋势进一步放大。

光通信目前的发展，是无法满足需求的。这意味着，企业会有更大的动力，投入资源进行研发，以获得利润。

希望光通信产业能进一步爆发，为数智社会发展铺平道路。

参考文献：

1、《AI时代高速光传输关键技术、应用进展及未来展望》，信通院技术与标准研究所，张海懿；

2、《算力网络开启400G全光新时代》，中国移动研究院，段晓东；

3、《AI时代的400G全光算力互联网》，中国联通研究院，唐雄燕。

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