超100G技术的研究进展和面临挑战

    在云计算、新型互联网等宽带业务发展的推动下，100Gb/s光传输技术国内商用部署节奏明显加快。从2012年年底开始，中国电信、中国移动、中国联通三大运营商已启动或正准备启动100Gb/s光传输商用工程招标建设，这标志着我国100Gb/s技术从2013年起已正式步入初步规模商用阶段，而速率更高的超100Gb/s技术已逐渐成为业界关注的热点。借鉴高速传输速率以往按照4倍或10倍增长的历史经验，国内外科研机构几年前就已启动基于400Gb/s、1Tb/s甚至更高速率的超100Gb/s传输技术研究，伴随着2013年3月IEEE 802.3 400GE标准成功立项，400Gb/s已成为近期业界高度聚焦的超100Gb/s技术。
业界共推，设备研发及标准均已启动
在100Gb/s正式商用之前，业界主要关注点集中在100Gb/s设备研制、传输性能提升、集成度和功耗进一步优化等方面。伴随着100Gb/s设备商用节奏加快，业界逐渐把超高速光传输技术攻关和新产品研制的重点聚焦在超100Gb/s（由于长距传输线路具体速率暂未确定，故采用超100Gb/s笼统表示）的未来发展上。国内的三大光传输设备商从2012年左右开始逐步发布了400Gb/s、1Tb/s等速率实验室样机或正在开展产品研制，部分在国外运营商进行了现网试验，阿朗公司去年甚至推出了基于2载波、400Gb/s 速率、传输距离可达500km量级的超高速传输板卡，同时今年在法国电信Orange进行商用试验。另外中国电信、中国移动等国内运营商后期均有在实验室或现网进行400Gb/s技术测试验证的计划。从目前公开报道的信息来看，国内外主要光传输设备商现阶段主研的超100Gb/s商用样机主要集中在400Gb/s速率，设备研制难题包括调制格式、复用方式、子载波选择、数字信号处理算法及实现、前向纠错等，力求研制成功低单位成本及能耗、高集成度并满足实际应用需求（包括传输距离、谱效等等）的商用化产品，而更高速率的超100Gb/s设备尚处于实验室研究或模型样机研制阶段。
在各厂商研制超100Gb/s设备以争取未来市场先机的同时，高速传输相关标准组织如国际电联（ITU-T）、电气与电子工程师学会（IEEE）、光互联论坛（OIF）以及国内的中国通信标准化协会（CCSA）等非常关注并已启动相应标准工作。ITU-T的SG15的Q11和Q6组分别开展超100Gb/s OTN帧结构和超100Gb/s物理层标准研究工作，预计最快2014年上半年帧结构将会有初步结论。IEEE的802.3主要负责高速光以太网的标准化制定工作，2013年3月400GE标准项目立项成功，预计2016年~2017年400GE标准化完成。OIF最近两年也推动多种超高速率接口规范制定，典型包括56Gb/s的多种应用电接口以及400Gb/s长距传输用光模块方案等。另外，我国的CCSA TC6技术委员会的WG1和WG4分别负责光传送设备和光模块标准化工作，近两年分别开展了基于超100Gb/s传输技术及光模块的标准类研究课题，目前整体上都在开展之中。
超100G技术路线多样，性能和成本平衡至关重要
超100Gb/s主要涉及短距离互联（客户侧）和长距离传输（线路侧）。客户侧技术方面，鉴于IEEE已经把速率定位于400GE，超100Gb/s客户侧的技术选择主要围绕400Gb/s进行，截至今年8月IEEE 802.3 400GE项目组已召开了3次会议，目前讨论的重点依然是关键技术路线的选择，典型如电层通道速率、光层通道速率、FEC（前向纠错编码）选择等等。参考100Gb/s低成本实现讨论方案（802.3bm项目，单模光纤方案目前暂未获通过）并结合未来可预见技术发展等，400GE接口有多种实现方案，包括25Gb/s、50/56Gb/s不同的电接口速率、脉冲幅度调制（PAM-n）和离散多载波（DMT）等多种基于不同波特率的光接口调制复用方式等等。
在线路侧技术方面，前十多年高速传输技术经历了40Gb/s速率多方争优、多种并存的时代后，在100Gb/s速率上又在偏振复用-正交相移键控（DP-QPSK）和相干接收等关键技术路线上趋于统一，而超100Gb/s目前在技术路线选择上又面临40Gb/s当年类似的情形，而且技术路线的选择更为复杂，典型包括正交幅度调制（n-QAM）等调制格式、载波个数，以及基于奈奎斯特WDM、电/光域的正交频分复用（OFDM）线路传输复用方式等等。从目前整体发展来看，线路侧近两年可支持商用化产品的400Gb/s技术路线主要重点落在4载波的QPSK（传输距离1000km量级）或者2载波的16QAM（传输距离500km量级）上，但这并不排除其他方案后来居上情形的出现。
无论是超100Gb/s客户侧还是线路侧，在最终技术路线选择时面临的关键问题，就是如何让性能和成本尽可能在特定阶段接近某种平衡，譬如超100Gb/s客户侧接口就是应用需求要求低成本实现的最明显例子。客户侧传输距离短因而存在多种实现方案，这将导致出现评估哪种方案成本更低的难题，IEEE 802.3bm项目中100GE单模光纤的多种低成本方案目前仍然没有达成共识就是例证。另外，线路侧技术选择主要面临的就是如何权衡传输距离和频谱效率的取舍，但同时频谱效率又会变相地转化到比特成本上，因此实际上也是性能与成本之间的平衡问题。
面临诸多挑战，信号处理最为突出
虽然40Gb/s和100Gb/s尤其是100Gb/s技术研究及最终商用实现方案选择经验为超100Gb/s技术的未来发展提供了很好的参考，但由于超100Gb/s传输速率一般至少要提升4倍或10倍，相应参与光电信号处理的光学器件和微电子器件工作带宽显著提升，超100Gb/s在后续发展方面还面临诸多挑战。
第一，多技术路线选择整体上不利于超100Gb/s未来发展。无论是客户侧还是线路侧，超100Gb/s的技术路线都面临多样化竞争方案选择，不像在100Gb/s发展阶段中技术优势明显的DP-QPSK和基于数字信号处理（DSP）的相干接收等，目前超100Gb/s技术方案中暂时没有哪种方案明显占优，这种方案多样性在有利于通过竞争来攻关技术难题、探索技术新方向的同时，将产生诸多业内互相竞争的产业链条，在一定程度上会影响超100Gb/s整体产业的成熟进度，类似现象在40Gb/s发展过程中也曾出现。因此，尽快推动超100Gb/s标准化进程至关重要。
第二，未来实际带宽需求量将影响超100Gb/s技术发展节奏。按照思科公司2012年预测，2016年固定互联网带宽需求大约是2011年的3.5倍，移动数据带宽需求大约是2011年的18倍，而中国电信预测2017年干线网络最大截面传输需求将达38Tb/s，基于现有商用的100Gb/s传输技术承载未来巨量带宽需求将面临成本、功耗、机房面积、光缆资源和运维等诸多挑战，而且目前尚未出现相比光纤通信技术容量更大的其他传输技术。因此未来4~5年出现超100Gb/s传输需求的可能性较大，但最终实际需求还是要取决于后续实际带宽需求的发展规模，这将直接影响超100Gb/s技术成熟的节奏。
第三，超高速光电处理及芯片实现面临瓶颈。由于无论是客户侧还是线路侧，超100Gb/s速率相对于100Gb/s而言至少增加4倍或更高，采用现有技术和芯片工艺在功耗、集成度和成本等方面优势不大，而采用新技术和新工艺等将在调制和编码、系统传输、解调和数字信号相干接收处理等方面面临技术挑战，典型如客户侧高速率（如50/56Gb/s）电接口、线路侧高采样率数模/模数转换器（64Gb/s以上）、更低功耗超大规模电路DSP处理电路、优化线路损伤提升传输距离的DSP处理算法、更高增益FEC等。由于超高速光电处理及相关芯片涉及光学和微电子等基础领域，超100Gb/s在频谱效率、传输距离、集成度、成本和功耗等方面还需要大量的技术和工艺创新，才能达到商用化要求水平，这是超100G发展目前面临的最突出障碍。
尚处发展初期，未来演进存多种可能
虽然目前400Gb/s已经出现了商用试验案例，但纵观应用需求、技术路线、标准规范、设备研制等多方因素，超100Gb/s整体上尚处发展初期，后续演进存在多种可能。第一，从客户侧应用需求来看，由于传输速率标准已经确定为400GE，目前国外大量的400GE超高速光互联驱动主要来源于大型和超大型数据中心建设，而我国超100Gb/s首要应用需求则可能出现在干线网络，因此400GE技术将同时面临100~500m、2~10km、40km等多种应用需求，这将导致后续标准方案更多、方案间竞争更为激烈，最终接口目标距离和传输技术选择有待业界共同推动。第二，从线路侧速率选择来看，目前客户侧选择400GE意味着线路侧速率至少是400Gb/s或者更高（包括速率灵活可配置方式）。由于现有方案实现的线路侧400Gb/s技术在传输距离和频谱效率上尚未达成有效平衡，最终线路侧速率的选择将由带宽需求驱动的节奏（如带宽增速快，应用需求周期短等）、应用场景（如干线或城域等）、技术突破（如出现重大技术创新等）多种因素确定，但近2~3年的设备样机研制或现网试验则将主要以400Gb/s为主。第三，从线路侧技术选择上来看，除了继承100Gb/s关键技术本质之外，采用基于奈奎斯特和OFDM等多子载波进行反向复用是目前看到可能使用的新技术点，但100Gb/s具体调制格式（如DP-16QAM、DP-QPSK以及其他更复杂的混合调制等）与具体线路传输技术的选择目前尚未明晰，有待业界后续进一步推动。
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未来潜在的超宽带应用和技术革新等驱动超100Gb/s成为高速光传输研究热点。从整体发展上来看，超100Gb/s尚处于发展初期，目前尚未确定关键技术特性，但未来2~3年传输产品研制则以400Gb/s速率为主，后续演进存在多种可能性，这对于我国而言也是进一步提升超高速光通信技术及产品国际竞争力的绝佳机会。