超寬帶時代，如何部署400G？

　　Iccsz訊 隨著寬帶、數據中心及云計算的飛速發展，傳送網面臨著業務流量爆炸式增長帶來的巨大壓力，超高速、超大容量和動態靈活成為光傳輸技術未來的發展趨勢。當前，包括電信運營商和設備廠商在內的業界各方正在積極推動400G技術的試驗和部署。江蘇省郵電規劃設計院認為，400G WDM傳輸技術勢必成為下一代高速光傳輸系統的發展方向，相關標準化工作取得了階段性進展，電信運營商需結合自身網絡特點，根據不同應用場景選擇面向未來業務發展需要的400G技術方案。

　　400G標準制定穩步推進

　　目前，IEEE(電氣和電子工程師協會)、ITU-T(國際電信聯盟通信標準組)和OIF(光互聯論壇)三大國際標準組織以及我國的CCSA(中國通信標準化協會)均已從不同角度開展超100G標準研究和制定工作。

　　ITU-T

　　ITU-T SG15是制訂傳統光網絡邏輯層信號規范的標準工作組。在2016年最新修訂并正式發布的G.709《OTN接口標準(5.0版)》中，定義了以5G時隙為最小粒度并加入復用段映射結構的OTUCn幀格式，為超100G的大帶寬業務確定了承載方式，并且為FlexE(靈活以太網)業務的透傳和終結處理定義了映射方式，實現可變帶寬業務的靈活適配。

　　IEEE

　　IEEE的802.3工作組主要負責400GE接口的標準化工作，相應標準于2014年3月研究立項(標準編號為802.3bs)，至2016年3月已經完成了1.2版本草案的編制和討論，已經確定采用基于26G波特率NRZ(非歸零碼)的16芯100m多模光纖應用(400GBASE-SR16)、基于53G波特率PAM4(四電平脈沖幅度調制)編碼的4芯500m單模光纖應用(400GBASE-DR4)、基于26G波特率PAM4編碼的8通路波分復用2km/10km單模光纖應用(400GBASE-FR8/LR8)等，但在應用代碼的性能參數定義與規范以及各通道FEC(前向糾錯碼)編碼和實現方式等一些關鍵問題上還需要進一步研究和討論。該標準預計2018年年初正式發布。

　　OIF

　　OIF主要負責PLL(物理鏈層)的光電模塊及高速接口等標準化工作。2015年7月發布了《400G技術選擇白皮書》，主要圍繞400G調制格式、應用場景、頻率柵格、載波數量、色散容限等方面進行分析和研究，梳理400G高速傳輸的系統結構和關鍵技術，并根據城域、長距和超長距等不同應用領域分析解決方案等。

　　CCSA

　　我國的CCSA傳送網與接入網技術工作委員會(TC6)中的傳送網工作組(WG1)和光器件工作組(WG4)，分別負責超100G光傳輸系統和光器件的標準規范制定。目前整體標準研究進度與國際基本保持同步。

　　提升傳輸速率的三大途徑

　　提升WDM系統單通路傳輸速率的主要目的是在特定的頻譜資源內實現更高的頻譜效率(即每Hz頻譜每秒傳輸的比特數更高)，實現系統資源優化管理并進一步降低單位比特成本。

　　提升傳輸速率的主要挑戰是如何在頻譜效率和傳輸距離間達到一定的平衡。最終的技術實現方案需要考慮調制階數、載波數量和波特率參數，在這三者之間進行權衡。

　　因此，電信運營商部署400G傳輸技術方案，可以從三個主要方面入手。

　　更高階的調制格式

　　采用高階調制格式可以提升每符號比特數，對于單載波調制，在一定的頻譜帶寬上能夠實現更高的頻譜效率。相對于QPSK(正交相移鍵控)，16QAM(正交振幅調制)的每符號比特數提升一倍，從而提升頻譜效率和傳輸容量。對于400G傳輸來說，高階調制格式的運用是業界普遍采用的方法，但高階調制格式的運用對接收側OSNR(光信噪比)提出了更高的要求，同時對激光器的相位噪聲和光纖非線性效應也更敏感，限制了系統傳輸距離。

　　更高的信號波特率

　　400G傳輸另一個重要實現方式是提升信號波特率，通過提升單信號的波特率實現整體傳輸速率的提升。目前，采用32G波特率是最成熟的方案，它可以重用100G階段的各種光電器件和芯片技術，但性能相對受限。未來將走向43G、64G等更高波特率，進一步提升傳輸性能和頻譜效率。

　　多載波技術

　　在超400G傳輸系統中引入了超級信道(super channel)，通過載波聚合提高頻譜效率，提升傳輸容量。例如，采用兩個載波各承載200G PM-16QAM的信號來實現400G，只需75GHz頻譜，達到5.33bit/s/Hz的頻譜效率。

　　除以上考慮因素外，400G光傳輸還將采用更先進的DSP(數字信號處理)及芯片技術、更高增益FEC等。為了進一步提高頻譜效率，Nyquist WDM(奈奎斯特波分復用)、Flex-Grid(靈活柵格)WDM等技術將得到應用。同時，超高速光電處理及相關芯片涉及光學和微電子等基礎領域，還需要大量的技術和工藝創新才能達到商用化要求水平。

　　技術方案選擇有門道

　　400G系統有望采用更高的波特率以減少調制階數，并采用多載波技術來提高頻譜效率，未來可能會根據應用場景的不同，分別采用單載波、雙載波或四載波實現方案。

　　單載波400G技術方案

　　單載波400G技術方案即在傳統的50GHz/100GHz柵格內實現400G信號傳輸，最大限度兼容現有WDM系統。為實現單載波400G傳輸，調制格式可以采用16/32/64QAM的不同階數。對于16QAM調制，需要能支撐60Gbaud速率的光電器件，ADC/DAC(模數轉換/數模轉換)的采樣率將超過100Gsample/s，單載波方案相對于雙載波方案，其波特率增加了1倍，其光譜寬度和200G QPSK類似，無法在50GHz頻譜帶寬內傳輸，至少占用75GHz或100GHz的光譜寬度，其傳輸容量與雙載波一樣，但傳輸系統OSNR要求非常高，傳輸距離在200km內，只適合在距離較短的城域范圍內應用。對于32QAM或64QAM調制格式，由于過于密集的星座圖導致OSNR需求急劇增加和非線性效應的影響加劇，傳輸距離相對16QAM方案會進一步縮短。

　　雙載波200G技術方案

　　雙載波200G技術方案的調制格式主要有8QAM、16QAM和QPSK調制。對16QAM調制格式，可保持現有的光電器件帶寬不變而直接提升速率，需要系統對相位噪聲有較大的容限，因此要采用更復雜的相噪補償技術。16QAM方案相對現有100G方案，波分系統容量提升一倍，但是200G 16QAM的系統OSNR要求很高，B2B(背靠背)OSNR容限為17dB左右，如采用EDFA光放，其傳輸能力約為600km，只能滿足中短距離傳輸;如采用高性能拉曼放大器，200G 16QAM系統傳輸距離可達1200km左右，可以滿足大部分骨干傳輸網的應用需求。

　　200G QPSK的B2B OSNR容限約為15dB，相對于16QAM高階調制，200G QPSK B2B OSNR容限可降低約3dB，同時相對于16QAM，QPSK具備更好的抗非線性能力，入纖功率比16QAM更高。因此200G QPSK相當于200G 16QAM傳輸能力提升約1倍，若采用EDFA傳輸距離可達1200km左右，若采用高性能拉曼放大器，傳輸距離可達2000km，是干線傳輸的理想解決方案。

　　未來在400G WDM系統建設中，可采用Flex Rate(靈活速率)技術來實現網絡成本最優。即利用DSP可編程技術實現調制格式和FEC開銷比率的靈活可調，實現不同數據速率和傳輸距離可變。長距離傳輸可以選擇QPSK或者8QAM來滿足傳輸距離的要求;傳輸距離較短、容量要求大的場景，可以選擇16QAM以提高頻譜效率。

　　四載波100G技術方案

　　四載波方案即4個子載波采用Nyquist WDM技術復用，每個子載波上承載一個100G信號，不同的載波通過Nyquist方式復用。

　　傳統的100G系統采用50GHz波道間隔，如果傳輸4個100G子載波則需要200GHz頻譜寬度。此方案采用Nyquist WDM技術，可以利用靈活柵格，通道內子載波間隔為37.5GHz，這樣4個子載波所占頻譜寬度為150GHz，通過發送端濾波技術和接收端的濾波恢復算法，可以實現與100G技術相當的傳輸距離。四載波方案可以實現2000km左右的超長距離傳輸，但頻譜效率相對于100G WDM系統提升不大，不是400G WDM的主流方案。

　　綜上所述，目前400G WDM傳輸主要有單載波、雙載波和四載波技術實現方案。在使用EDFA和普通G.652光纖的情況下，雙載波200G 16QAM是城域傳輸的理想解決方案，雙載波200G QPSK是中長距離干線傳輸的理想解決方案。單載波400G 16QAM/32QAM/64QAM傳輸能力較弱，應用范圍有限。而四載波100G方案本質上就是100G技術，具有與100G等同的傳輸距離，適合超長距離傳輸。在實際部署中，電信運營商應根據不同的應用場景結合自身網絡和業務特點選擇適合的技術方案。

　　——江蘇省郵電規劃設計院總工程師袁源