论400Gb/s技术及应用展望

　　在云计算、大数据、物联网等诸多新型应用的驱动下，国内外100Gb/s技术已成熟商用并实现规模部署，超100Gb/s高速传输技术成为光通信领域新的研究热点之一。纵观近期IEEE /ITU-T标准制定、主流设备商样机研制、典型运营商现网试点等诸多超100Gb/s技术及产业发展动态，400Gb/s借助标准化推动和技术近期可商用等特性成为目前最受关注的超100Gb/s候选速率，如何合理选择400Gb/s技术方案并推动其未来产业化应用引起业界普遍关注。

　　400G标准研究及制定业已启动，三大标准组织协作稳步推进

　　随着100Gb/s技术及标准日趋完善，国际标准化组织ITU-T、IEEE和OIF的高速传输标准化工作逐步转向超100Gb/s。ITU-T SG15围绕下一代支持超100Gb/s的 OTN结构演进、IEEE 802.3聚焦新一代高速以太网速率、OIF侧重超100Gb/s用模块及芯片接口等开展研究，2013年3月IEEE 802全会上正式决定 400GE立项则标志着400Gb/s速率标准化工作正式启动。参照IEEE 802.3标准常规制定周期，预计2016~2017年左右400GE制定完成，预计ITU-T SG15基于400GE客户侧信号优先驱动的超100Gb/s OTN标准化工作同期完成，OIF在2015年年初400Gb/s白皮书完成以后预计将启动400Gb/s光模块和器件等标准化工作。另外，我国标准化组织CCSA 在400Gb/s标准研究与制定工作方面与国外同步，目前正在进行400Gb/s长距离传输、400Gb/s光模块等相关标准化研究工作。

　　鉴于ITU-T和IEEE在10Gb/s、40Gb/s技术标准化过程中合作不力的历史教训(导致OTN容器在承载以太网10GE LAN 和40GE LAN接口时兼容性差)，以及ITU-T、IEEE和OIF在100Gb/s传输技术标准制定过程中的成功合作的经验，三大标准组织在400Gb/s标准制定过程中保持着良好的沟通，并且不定期通过标准组织之间正式交流函的方式告知自身制定标准的进展以及与他方标准的协调问题，典型如ITU-T和IEEE对于 400Gb/s模块的重用性、OIF和IEEE对于电域物理单通路特性的相互兼容性等。按照目前ITU-T专注400GE映射和长距离传输、IEEE规范客户侧接口400GE、 OIF侧重400Gb/s模块及接口等标准化范畴，400Gb/s标准将在三大标准组织的齐力协作下稳步推进，预计2016~2017年期间400Gb/s标准将正式面世。

　　400G多样化设备样机逐步推出，现网试点验证加速产业化进程

　　和昔日10Gb/s、40Gb/s和100Gb/s技术发展类似，400Gb/s在步入正式商用之前需要经历技术、市场等多维度选择和竞争。国内外诸多设备厂商为了尽早选择优势技术方案并夺取市场先机，近两年已逐步竞相推出400Gb/s原型样机，如华为、中兴、烽火、阿朗(上海贝尔)、Ciena、Coriant、富士通等等。这些设备样机主要采用四载波100Gb/s速率、两载波100Gb/s来通过多子载波复用技术来传输400Gb/s信号，也有部分厂商直接采用单载波400Gb/s技术。另外，为了更好地兼容超400Gb/s信号传输并根据市场最终需求灵活选择速率，设备样机一般设计为灵活支持多种传输速率，除了400Gb/s速率之外还可支持如1Tb/s、1.6Tb/s或2Tb/s等，这在促进400Gb/s技术和设备优胜劣汰竞争的同时也为速率更高的传输技术发展奠定了前期基础。

　　国内外主流光传输设备商在成功研制400Gb/s设备样机的同时，从2012年左右开始择机在运营商现网或实验室开展试验，典型如华为和荷兰KPN、波兰EXATEL等多个欧洲运营商基于不同400Gb/s技术的试验，中兴和德国电信基于多种超100G速率的试验，Ciena和Sprint/Vodafone、阿朗和澳大利亚及欧美多个运营商、Coriant和奥地利A1/波兰NETIA开展400Gb/s试验等。目前国外个别运营商已经或准备选择400Gb/s技术承载在线业务，如法国电信选择阿朗400Gb/s技术承载巴黎到里昂的业务、智利Telefonica拟选择华为400Gb/s OTN技术承载数据中心互联业务等。国内运营商在400Gb/s新技术试点与国外比较相对滞后，2013年年底中国移动率先启动了基于400Gb/s速率的实验室及现网试点测评项目，华为、中兴、烽火和阿朗均参与该项目，相关工作预计2014年第三季度完成，其他两大运营商尚在筹划之中。从未来发展来看，主流厂商400Gb/s设备样机的成功研制和多个运营商现网试点评测之间的互动在一定程度上加速了400Gb/s技术产业化进程，这为400Gb/s技术日后竞争超100Gb/s长距传输首选速率创造了优势条件。

　　400G继承100G关键技术，调制及载波存在个性差异

　　100Gb/s突破了原有基于强度调制、强度检测的传统传输技术路线，引入了相位调制和基于数字信号处理(DSP)的相干接收等新型机制，是高速传输技术发展过程中的里程碑事件。考虑到100Gb/s近期才开始规模部署，同时兼顾未来传输带宽增长节奏及需求时机、超高速光电器件和芯片发展现状、单比特功耗及成本等诸多因素，400Gb/s将采用继承100Gb/s的偏振复用、相位调制、基于数字信号处理(DSP)的相干接收、基于多种优化算法的前向纠错(FEC)等关键技术，不太可能采用实现机制更为复杂、基于电域或光域的正交频分复用(OFDM)技术或类OFDM技术。因此，从技术实现本质机理上而言，400Gb/s继承了100Gb/s关键技术并力争重用相关器件芯片，相对100Gb/s而言并没有引入重大技术变革。

　　从具体实现细节上来看，400Gb/s技术在调制码型选择和载波数量方面也呈现出个性差异。相对100Gb/s技术而言，400Gb/s比特速率增加了4倍，如果采用和100Gb/s类似的单载波和正交相移键控(QPSK)调制技术，那么信号波特率将达到112Gbaud量级，这无论在电域信号处理、还是在光域信号调制都根本无法实现(目前光电商用化器件也就支持到28~32Gbaud左右的波特率)。因此，400Gb/s技术在继承100G关键技术的基础上，采用了增加调制阶数和(或)提升载波数量的方式降低信号处理的波特率，典型如采用4载波、单载波100Gb/s速率的QPSK调制方式，采用2载波、单载波200Gb/s速率的16 QAM(正交幅度调制)调制方式等，或者采用单载波400Gb/s速率的16 QAM等调制方式。另外，考虑到软件定义网络(SDN)理念向光网络延伸，基于软件可配置或自适应的调制和多载波复用技术将有可能在400Gb/s技术中引入，也即400Gb/s信号发射端需要引入数模转换(DAC)功能模块以实现调制码型的灵活调整或配置。

　　400G谱效和距离难能两全，方案选择与应用场景相关

　　单通路传输速率不断提升的目的主要体现在特定的频谱资源内实现更高的频谱效率(也即每Hz频谱每秒传输的比特数更高)、实现系统资源优化管理并进一步降低单位比特成本等。传输速率从100Gb/s提升到400Gb/s时，单通路速率提升的同时必然要提升频谱效率，否则单纯将单通路速率提升到400Gb/s意义不大。另外，传输距离也是更高速率技术必须考虑的问题，也即速率提升的同时不能显著降低可达距离，毕竟新技术的未来应用环境还将基于现有实际网络的拓扑架构。由于频谱效率和传输距离是对矛盾体，在采用相同技术和芯片工艺等前提下提升频谱效率的同时增加传输距离不太现实，这种矛盾在400Gb/s时代尤为明显。因此，目前业界推出了的几种400Gb/s主流技术方案或侧重频谱效率，或侧重传输距离，譬如4载波、单载波采用100Gb/s速率的QPSK调制方式的传输距离在1000km以上，但其频谱效率约为3.2b/s/Hz;采用2载波、单载波采用200Gb/s速率的16 QAM调制方式的传输距离在500~600km量级，其频谱效率提升至4~5b/s/Hz左右;而采用单载波400Gb/s速率其频谱效率没有显著变化，但由于采用单载波技术波特率提升了一倍(相关光电器件工作带宽均需提升)，传输距离降低到200km~300km左右量级。

　　从芯片和设备研制、工程设计、网络运营维护等角度考虑，采用达到共识的唯一传输技术方案将对技术和产业发展驱动力最大，这在40Gb/s和100Gb/s技术的发展过程中得到充分验证。目前400Gb/s面临的技术发展环境与昔日40Gb/s有些类似，只不过40Gb/s仅仅是采用调制码型变化来改善传输距离，而400Gb/s则额外增加了调整子载波数量的维度，但400Gb/s面临的市场环境与40Gb/s有所不同，目前及未来城域及跨区的大型数据中心等传输应用潜在需求很大，传统干线优先采用最高速率的传统可能面临变革。另外，虽然400Gb/s的多技术方案对于其未来产业化规模应用带来一定障碍，但基于多种传输距离规格的新型高带宽传输需求将对400Gb/s的多技术方案提供有力支撑。因此，400Gb/s技术方案未来的最终选择与应用场景密切相关，很有可能率先打破高速传输新技术启动商用时单一方案一统天下的局面。

　　400G未来商用前景可期，尚存诸多不确定挑战因素

　　新型超高带宽应用和高速光通信技术革新等共同推动传输速率持续提升。虽然何种速率将在未来占据超100Gb/s技术主导地位业界尚未达成共识，但400Gb/s基于其标准化制定、技术可实现、可重用100Gb/s器件/芯片等优势近期已成为超100Gb/s最受业界关注的候选速率。首先，从传输网络带宽提供能力上来看，目前100Gb/s系统刚开始规模部署，按照思科公司2013年的预测，IP流量(传输带宽主要消耗者)在未来几年将保持大约23%的复合增长率，按此估算大约7年以后带宽需求相对2013年增长4倍左右,也即2020年对于400Gb/s的带宽需求和2013年对于100G的带宽需求相当，因此至少需在2017~2018年左右启动现网承载业务应用试点;其次，从产业标准及器件芯片支撑上来看，预计2016~2017年左右400Gb/s客户侧接口标准将制定完成，基于400GE客户信号映射的新一代OTN架构也将标准化完成，相应400Gb/s关键芯片和器件也将逐渐成熟。综合考虑上述应用需求及产业成熟度等因素，400G未来商用前景值得期待。

　　虽然目前来看400Gb/s速率未来占据超100Gb/s首选商用速率的可能性比较大，但也存在很多不确定性挑战因素。首先是技术方案多样化的影响问题。前面已提及昔日40Gb/s技术生命周期短的重要原因之一就是技术方案太多，没有形成产业化合力，而400Gb/s的技术方案面临类似情形，只不过方案数量相对40Gb/s要更少一些;第二，未来传输带宽的实际增长速率问题。如果网络未来传输带宽需求增长过快，那么按照4倍速率提升传输带宽可能满足不了增长需求，而如果网络未来传输带宽需求增长过慢，则100Gb/s主导的周期会加长，随着时间推移和技术革新，大于400Gb/s的速率灵活可适配的传输技术将可能趋于成熟，基于400Gb/s技术的黄金期将不再重现。第三，400Gb/s技术成本和功耗问题。业界为了探索可商用化的100Gb/s技术进行了大规模投入，短期内无法获取明显的盈利，而且厂商之间竞争加剧了利润率的降低。因此，如果400Gb/s技术在成本、功耗和集成度等方面相对100Gb/s而言没有取得预期显著提升的话，短期内很难与100Gb/s进行竞争，毕竟100Gb/s技术依然在不断优化和改善之中，相当于100Gb/s技术生命周期的延伸变相压缩或者降低了400Gb/s技术的市场预期。

　　结论

　　400Gb/s借助标准化推动和技术近期可达等成为目前聚焦度最高的超100Gb/s传输速率。基于重用100 Gb/s关键技术理念及核心器件，400Gb/s技术发展较快并已研制成功采用多种技术方案的设备样机并开展现网试验。由于信号速率提升了4倍，400Gb/s与100 Gb/s相比而言采用了个性化的调制及载波技术，但预计不会采用复杂度更高的OFDM技术，目前已出现四载波QPSK、两载波16-QAM和单载波16-QAM等多种典型方案，这些方案均无法实现频谱效率与传输距离的完美匹配，只能根据应用场景特点选择相对优势方案。综合考虑未来带宽需求及高速传输产业成熟进度等，400b/s技术未来商用前景非常值得业界期待，但同时也存在诸多不确定性，预计到2016年左右400b/s技术的市场定位将趋于清晰。