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文章探討光通信系統的未來發展方向和創新理念,找到可以真正落地的技術路線,以構建面向未來的新型光通信網絡系統,滿足智能世界多元化、高品質的需求。
文/華為光產品線技術規劃部長,首席技術規劃師 唐曉軍
光網絡為數字世界提供了超寬帶、大容量、低時延的聯接底座。從20世紀80年代語音通信,到現在以視頻為代表的寬帶通信,固定網絡的發展歷經5個代際。2024年是F5G-A(俗稱F5.5G)元年,適逢AI催生的各種應用及3D顯示產業方興未艾, 以OpenAI為代表的AI大模型技術突破帶來大量AI集群建設和全新應用,以Apple Vision Pro為代表的沉浸式3D顯示技術將大規模產品化上市。同時,巨大的算力、運力對全光底座需求迫切,作為數字基礎設施底座的光通信網絡面臨空前的機遇和挑戰,呼吁架構及關鍵技術的突破,主要包括以下3大方面︰
容量提升是骨干網代際演進的主要驅動力,AI技術的爆發式增長進一步推動了骨干網絡傳輸容量需求。目前來看,繼續提升骨干聯接容量有三個方向︰持續提升單通道速率,繼續拓寬頻譜,向SDM系統演進。
提升單通道速率一直以來是提升骨干容量的主要方式。從相干100Gbps@50GHz演進到400Gbps@150GHz,頻譜效率提升了33%,容量提升了33%。同時單通道速率提升也伴隨著持續降低比特成本/功耗的需求。為滿足這些需求,單通道速率將朝著相干1.6Tbps@400GHz演進。因逼近香農極限,頻譜提升難度越來越大,需在算法、器件的持續創新上有所突破。當前面臨的技術挑戰如下︰
2030全光網絡架構
系統容量等于單通道速率乘以系統通道數,通過拓寬頻譜增加通道數是光系統容量演進另一個重要方向。C120 + L120系統相對C80系統頻譜增加了2倍,結合單通道速率提升使系統容量從相干早期8T增加到當前的32T。C+L波段之外,S和U波段是潛在可繼續拓寬的頻譜。然而S和U波段所需的光電器件尚不成熟,如新波段的可調激光器、PD和光放大器,另外調制器和收端混頻器也是波長敏感的,需要重新研究設計。引入S和U波段還會增大系統的受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)非線性效應,劣化C+L波段的傳輸性能,增加了系統設計和運維復雜度。這些挑戰都需要學術界和產業界的進一步研究和投入,即使最終成功,系統容量只能實現翻倍,此方案投入產出比較低,很難進行長期演進。
由于前述兩種方案的技術挑戰越來越大,骨干網向SDM系統演進成為必然,且迫切度越來越高。60年前提出的SDM概念,在最近十幾年學術界開展了大量關鍵技術研究,也取得了一定成果,但產品化道路仍有如下問題懸而未決︰
經過分析,華為認為多縴對和弱耦合光縴是目前技術成熟度最高的兩種路線。前者基于成熟單模光縴並行設計,後者的串擾度較其他方案更低並且拉制工藝已經取得了突破。基于分析研究,華為認為SDM走向產業化還需要突破如下4個基本概念並達成共識。
第一,兼容的系統架構。WDM系統是骨干光網過去成功的關鍵, SDM系統能夠兼容WDM系統是其商用的前提。SDM和WDM復用維度不同,需要詳細設計兼容方式,建議采用先波分後空分方案,如此便可以通過結構簡單的器件實現對現有波分系統的兼容,涉及的器件主要包括WDM/SDM復用器件、光放、光交叉、扇入/扇出(FIFO)等器件。采用此方案,需同時支持多縴對和弱耦合多芯兩種技術路線。多縴對方案基于已有光縴進行並行設計,適合現有光縴網絡升級;多芯光縴需要重新鋪設光纜,更適合全新鋪設光縴的網絡。也有可能在現有單模光縴基礎上鋪設新的多芯光縴,形成混合的SDM網絡。從光縴類型看,SDM系統需支持單模光縴和空芯光縴。近年來空芯光縴由于其低非線性、低色散、低時延等特性而備受關注,未來可能成為顛覆性光縴技術。
第二,極簡的管理系統。增加復用維度的同時不增加網絡管理復雜度,是產品化必須考慮的另一個重要問題。華為認為,在SDM系統引入了空間維度的前提下依然可對 SDM系統進行類WDM( WDM-Like)的網絡管理,是管控技術的主要關注點與突破點。傳統的WDM系統、多芯SDM系統和多縴對SDM系統均由同一個網管系統對OTU端口、波長、縴芯進行統一管控,其中涉及的相關技術包括網絡資源池化(建立OTU端口資源池、波長資源池、光縴縴芯資源池等,實現多系統的資源共享)和NaaS API等。
第三,高集成度的系統架構。有限機房空間對網絡設備的集成度提出了要求,能否實現提升系統容量的同時設備體積不變,對SDM產品化至關重要。從系統分解角度看,提升SDM集成度需要優化設計光模塊、光放、光交叉、FIFO等器件體積。光模塊的波特率提升終將會遇到瓶頸,超通道光模塊支持更高端口速率可能導致技術變軌,其技術挑戰同樣要解決前面提到的相對頻率控制、多通道器件良率提升、能否用更少原料、box及基板翹曲等問題。光放大器集成度提升的挑戰主要有︰稀土元素多組分摻雜實現一體化寬譜放大、高功率低成本泵浦支持多路放大、高集成低損耗的多通道無源器件。光交叉的挑戰在于空間維度的增加對高維度OXC提出要求,對128維+的高維WSS挑戰很大,需要OXC架構創新。SDM系統的光連接還需考慮多芯光縴與單模光縴、多芯與光模塊直接連接的技術挑戰。
第四,通感安全等融合應用。SDM除了支持大容量通信以外,可以探索更多的應用場景。比如,近年興起的分布式光縴傳感,量子秘鑰分配(Quantum key distribution, QKD)等技術將光縴的應用場景極大擴展,實現通感加密融合應用。SDM的多個空間通道可以兼容通信擴容和通感,安全一體的應用,例如4芯系統中,1芯用于傳統光通信傳輸,2芯可以用于QKD的量子通信和秘鑰協商,另外1芯可以用于分布式光縴傳感。
AI對算力的巨大需求,將使城域網絡流量模型發生變化,從過往的南北向為主,轉變為東西結合南北的T型模型,流量走向從用戶到用戶轉變為用戶到雲為主。同時AI、VR、智能制造等業務對帶寬和時延提出了高要求。城域網絡架構要實現一跳入雲、AZ之間超低時延,以滿足用戶對高品質體驗的需求。傳統的逐跳轉發、多環堆疊架構的老舊網絡無法滿足需求。為實現全光城域網絡架構大帶寬低時延要求,需依靠全光互連、細粒度OTN(fine grain OTN , fgOTN)、光層數字化等關鍵技術。
把城域接入環的波長資源通過全光交叉進行統一管理,各環共享光縴中的波長資源,可以實現各環波長資源靈活調節,應對各環之間網絡流量的不均衡。同時依托于全光交叉,免光電轉換,支持超低時延一跳入雲。
將OTN技術下沉到網絡邊緣和客戶邊緣,為業務提供硬管道,具有硬隔離、高安全的特性,同時可以支持單通道速率持續演進和無損快速調整帶寬,滿足業務帶寬增長和不同業務靈活帶寬的需求。另外fgOTN硬管道提供確定性時延,為高品質行業客戶提供確定性體驗。
將光性能可視擴展到光網絡邊緣。流量方向轉變為以雲為中心確定性模型,為光網規劃和運維提供了條件。基于數字化光層技術,對光層進行精確建模,實現光網可視化,支持規劃階段精準業務開通,運維階段智能定障,高可靠ASON快速業務恢復,結合運營App,實現網絡運維變現。
光接入網技術演進路線為︰ PON—> GPON—> 10GPON—> 50GPON—>Beyond 50GPON,為接入用戶提供大帶寬網絡。面向未來,隨著新業務(AI/AR/VR/全息)和新應用(智能制造)興起,不僅要求接入網有更高帶寬,例如8K VR需要約2Gbps帶寬才能帶來高品質體驗,也對時延、抖動和安全隔離都提出了更高要求,例如工業制造對時延及抖動有μs級的確定性需求。同時,垂直行業存在多張業務網絡統一承載的訴求,且邏輯上要保持嚴格隔離,以滿足各業務網服務等級協議(SLA)的要求。因此未來光接入網除了帶寬繼續提升到Beyond 50GPON,還將從盡力而為走向差異化服務,實現品質可保障。對于鑽石級業務(如高端別墅),提供確定性帶寬、確定性時延/抖動、高可靠性;對于銀級業務(如公寓)提供確定性帶寬、亞ms級時延/抖動;而銅級業務(如鄉村地區)價格較低,則按需分配帶寬、ms級時延/抖動。
為滿足Beyond 50G的大帶寬和低延時需求,有以下三種潛在的技術路線。
直調直檢方案是當前代際技術的繼續演進,它能提供TDMA機制,支持低成本P2MP接入,但無法提供確定性時延。該方案依賴更高帶寬的光電器件,而且直檢方案帶寬每提升1倍,接收機靈敏度下降3dB。帶寬提升還將導致更大的色散代價,為了重用ODN網絡,發射功率要求比10GPON高出很多,對高功率激光器挑戰極大。
利用多波長實現FDMA/WDMA,以單獨頻率/波長實現獨立的P2P高品質接入,使用戶時延/抖動達到微秒量級。該方案對功率預算的要求低,但是需要ONU配備可調激光器。接入網對成本高度敏感,低成本可調激光器是主要技術挑戰。
相干可以基于數字子載波技術,同樣實現P2P高品質接入,保證硬隔離的確定性時延。相干可以用低帶寬器件和高調實現高帶寬,且接收靈敏度更高,可以滿足ODN的功率預算要求。不過,它需要成本敏感的 ONU配備本征激光器,同樣對低成本激光器提出了要求。
展望2030,AI大模型、沉浸式3D等領域的突破性變革對未來全光網絡架構提出了更大帶寬和更低時延的需求。體系化全光網絡架構將依賴于骨干網、城域網、接入網相關的關鍵技術突破,從而支持飛速發展的海量數字產生的互聯要求。華為相信,全光網絡架構將推動數字化、智能化更深入人們的生活,成為支撐數智世界互聯的堅實底座。