骨幹網光通信的最新趨勢

今天這篇，小棗君和大家聊聊骨幹網光通信的一些最新技術動向。

400G，真的來了

大家也許都有所耳聞，從去年開始，國内營運商骨幹網已經全面拉開了400G商用的帷幕。

先是2023年大量的商用驗證，然後是集采的全面啟動。2024年，是規模商用的正式落地。

不久前，2024年3月，中國移動開通了全球首條400G全光省際(北京-内蒙古)幹線，被視為一個重要的标志事件。

骨幹網更新400G的原因，是顯而易見的。

一方面，居民數字生活(高清視訊、遠端會議、線上直播、線上遊戲等)所帶來的消費網際網路流量增長，仍在持續。

另一方面，全行業都在推動數字化轉型，來自行業數字化系統的流量激增，加劇了骨幹網的壓力。

骨幹網壓力陡增，還有一個關鍵的原因——AI大爆發。

AIGC大模型崛起之後，引發了一股AI浪潮。為了滿足AI業務的需求，需要建設大量的智算中心。模型從千億參數向萬億參數發展，GPU算力叢集也從千卡叢集走向萬卡叢集甚至十萬卡叢集。

小棗君在以前的文章中介紹過，GPU算力叢集其實就是海量的GPU卡(GPU伺服器)通過高性能網絡(例如InfiniBand、RoCEv2)連接配接在一起的一個陣列。它對網絡性能和可靠性的要求極高，直接影響到訓練效率和成本。

僅從GPU伺服器的網絡端口速率來說，就已經從單口400G起步，甚至要用到800G或更高。

以前，GPU算力叢集屬于DCN(資料中心内部網絡)的範疇。現在，随着叢集規模不斷擴大，已經開始考慮将分布式智算中心應用于模型訓練。

也就是說，将異地的幾個智算中心，一起用來進行訓練。

這就對DCI(資料中心網際網路絡)提出了更高要求，光通信骨幹網必須在技術性能上能夠滿足這一需求。

我們國家在算力上的戰略，還是秉承了“全國統籌、整體布局”的思路。從2022年2月開始，大陸啟動了東數西算工程，打造全國一體化算力體系。

簡單來說，一方面，我們要建設大量的資料中心(相當于電廠)，另一方面，也要建設粗壯的骨幹傳輸網絡(相當于輸電網)，把這些算力給“流通”起來，滿足各行各業的需求。

400G，是如何做到的?

目前的光通信骨幹網，作為整個數字社會底座的光通信網絡，必須具備超大帶寬(400G，将來800G甚至1.6T)、超低延遲時間(多級時延圈)、超大規模組網(服務于分布式計算，以及剛才說的AI叢集)、超高穩定性、超高可靠性、超高安全性、超靈活部署、智能運維管控等多方面特性。

今天，主要說說最重要的速率帶寬。

光通信技術發展到現在，想要實作速率的提升，無非就是在以下幾個方面做文章：

首先，是波特率。

傳輸速率，是比特率，是機關時間傳送的比特個數，機關是bit/s。

比特率=波特率×單個調制狀态對應的二進制位數。

波特率是機關時間内傳送的碼元符号(Symbol)的個數。波特率越高，每秒傳輸的符号越多，當然資訊量就越大，速率就上來了。

波特率由光器件的能力決定。器件晶片制程越先進，波特率越高，速率(比特率)就越高。

目前，CMOS工藝從16nm提高到7nm和5nm，波特率也逐漸從30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud、128+Gbaud。

現在的400G能夠商用，就是得益于波特率能夠達到128Gbaud。

再看看調制方式。

剛才那個公式，裡面的“單個調制狀态對應的二進制位數”，就是調制方式決定的。

400G技術的調制方案，目前主要有16QAM、16QAM-PCS(PCS是機率整形技術，下次專門介紹)和QPSK三種，适用于不同的應用場景。

光通信和無線通信不太一樣，不會一味追求高階調制。

調制階數越低，對線路的要求越低，建網成本也越低。是以，長途骨幹網早期設計階段的時候，基本上聚焦于16QAM和QPSK。後來有了16QAM-PCS，也加入了競争。

以前沒提“東數西算”、營運商們都認為400G不會需要太長距離的傳輸，是以，采用技術更成熟、價格更低的低波特率器件，配合調制階數較高的16QAM，是行業的主流意見。

後來，一方面因為傳輸距離的要求增加，從1000多km變成幾千km，再一個，128GBaud波特率器件迅速成熟(在DCN場景，800G迅速崛起，對産業鍊産生刺激和推動)，為QPSK脫穎而出創造了條件。

QPSK對非線性的耐受能力更高，相比16QAM-PCS可以适當提高入纖功率。其次，QPSK的背靠背OSNR門限相比16QAM-PCS有優化。再有，設定QPSK的通道間隔為150GHz，使得在傳輸過程中幾乎沒有濾波代價。

這些優勢，都使得QPSK逐漸成為行業在骨幹網和DCI的一緻首選。

現在，前兩種方案，被考慮的應用場景更多是城域或省幹。

第三，是擴充波段。

波特率和調制主要影響的是單波速率。一根光纖，是可以有多個波的，隻要頻譜範圍足夠大，就可以了。

單波帶寬×單纖波數=單纖帶寬。

前面表格寫了，QPSK 400G的通道間隔達到150GHz。傳統的C波段和擴充C波段都不足以滿足頻譜帶寬的需求。

于是，現在逐漸采用了C6T+L6T的方式，一共是12THz的頻譜帶寬。計算一下，80個波，單波400G，一起就是單纖32T容量。如果犧牲一點距離，用在省幹的話，部署QPSK或16QAM-PCS，容量還能再大些，達到48T。

關于波段的詳細介紹，可以看這裡：光通信到底有哪些波段?

擴充波段的最大問題，在于器件是否能夠支援，且成本是否可控。這裡所說的器件，包括ITLA、CDM、ICR、EDFA及WSS等，涉及到光的收發和光路交換、放大等。

波段擴充的話，還涉及到一個問題，那就是整合。

現在的波段擴充，其實更像是兩套系統(C和L)的簡單綁定。兩套系統獨立運作，通過合波的方式，進行傳輸，然後到了對端，再進行分波，各自繼續處理。

兩套系統的話，體積會更大，功耗會更高，設計也更複雜。是以，行業需要研究，怎麼進行器件整合，真正讓一套系統，同時支援不同的擴充波段。也就是實作真正的一體化。

光纖通信，除了光子產品和光裝置，還需要關注光纖。

現在的主流光纖是G.652D光纖。400G QPSK，在G.652D上，借助EDFA放大，也能傳輸1500km。

行業經過多年的驗證，已經認定，G.654E光纖是新的繼任者。如果用性能更好的G.654E，同等條件下，400G QPSK的傳輸距離，可以增加30%以上。

G.654E光纖已經具備規模化生産的能力，将在長途幹線上進行大規模部署。G.654系列的一些低損耗光纖，也成為海纜系統跨洋超長距離傳輸的首選。

除了傳統光纖之外。行業還認為，多芯光纖和空心光纖擁有廣闊的應用前景。

多芯光纖是一種空分複用，在一個光纖裡，塞入更多的纖芯，采用少模，可以大幅提升光纖的容量。

空心光纖就更牛逼了，直接把光纖做成空心，用空氣取代玻璃纖芯。

空心光纖被證明可以帶來更大的容量、更低的時延，更小的傳輸損耗，以及超低非線性，被行業一緻認為是光通信裡最具潛力的技術之一。

400G的下一步，800G or 1.6T?

400G正式規模商用之後，整個行業的目光将會放在400G以上(beyond 400G)的技術标準體系上。

對于接下來是搞800G、1.2T還是1.6T，行業還在加緊論證。

如果想要實作更高的速率，就必須在“調制方式+波特率”上繼續做文章。130GBd，或者更高的260GBd，是必然方向。更高波特率，意味着相關器件必須跟上，形成成熟的産業鍊。

超過400G，不能再指望QPSK了。16QAM調制，是行業目前普遍認可的選項。

波段也需要進一步擴充。在擴充C和L的基礎上，考慮往S波段、U波段、E波段等進行擴充。如果是C+L+S，那就是12T+5T，達到17THz的頻寬。

多方面因素相疊加，單根光纖單個方向傳輸速率超過100Tbps，指日可待。

在資料中心内部，800G(基于100GBd以上波特率，單通道100G)已經商用了。單通道200G、400G、800G，隻是時間有早有晚。在這方面，國外的進度更快一些。

随着容量的不斷提升，帶來的技術挑戰也不斷增加。光通信的發展，說白了，依賴于器件、晶片、制程、材料。

想要滿足前面提到的功耗、安全、運維等方面的要求，還依賴于工藝、架構、封裝、人工智能、數字孿生等一系列的創新。産業鍊上下遊需要做的工作，還有很多。未來的路，還很長。

最後的話

光通信是整個社會的數字動脈。這些年，人們對很多技術(包括5G)都提出過質疑，但沒有人會對光通信提出質疑，因為它是社會發展的剛需。

人類資料流量不斷增加的趨勢，在未來幾十年都是不會變的。人工智能技術的高速崛起，會将這個趨勢進一步放大。

光通信目前的發展，是無法滿足需求的。這意味着，企業會有更大的動力，投入資源進行研發，以獲得利潤。

希望光通信産業能進一步爆發，為數智社會發展鋪平道路。

更多資訊，點選全場景直播解決方案-航天雲網解決方案