全球首条400G骨干网链路贯通 400G商用元年正式开启
调制码型是超高速率传输的关键技术之一，直接决定系统技术方向，收敛多种竞争码型是400G技术发展需要解决的首要问题。2018—2021年，国内产业界先后推出了采用16QAM（正交振幅调制）和16QAM-PCS（概率整形技术）实现单通道400G传输的技术路线。经过产业界多年的努力，400G 16AM-PCS的B2B OSNR（光信噪比）容限已达17.5dB，可满足基于G.652.D光纤的经典商用场景需求，并支持1000km的点对点传输和720km的逐跨OXC（光交叉连接）组网传输。然而，我国幅员辽阔，对于“东数西算”工程超长距离、超低时延要求，须考虑OXC全光组网及1500km以上的传输能力，此外对于引入光层保护的跨段，还要增加大约4.5dB的额外插损。可见，400G16QAM-PCS技术难以较好满足我国的长距骨干网传输实际需求。因此，中国移动确定了骨干400G采用QPSK调制、130GBd高波特率光器件、“C6T+L6T”的宽谱高速光通信技术路线。
在100G时代，信号波特率约30GBd，可 基 于 C 4T波段在50GHz通道间隔下实现80波系统。而对于400GQPSK，信号波特率提升4倍至约130GBd，通道间隔为150GHz，80波400G QPSK系统需要扩展到12THz的“C6T+L6T”波段。可见，400G QPSK的应用离不开超高波特率、超宽谱等技术的突破，也正因为技术难度大且对芯片、器件要求高，发展初期产业界对投入QPSK端到端研发曾一度存有顾虑。为推动40 0G QPSK 技术发展，中国移动在超高波特率方面拉动产业攻关高速光管芯、高性能DSP算法、先进芯片制造工艺，共同推动信号波特率从30GBd提升至130GBd，满足400G QPSK高性能传输需求。目前，我国华为、中兴、烽火等设备厂商已完成400G QPSK模块的研发并具备系统测试和规模商用的能力，走在了全球400G高速光模块技术发展的前列。
在超宽谱方面，宽谱器件与宽谱系统是业界主要面临的两大挑战。在波段范围扩展至“C6T+L6T”后，传统铒纤在L波段长波面临激发态吸收、团簇效应等不理想因素，EDFA（掺铒光纤放大器）出现了L波段长波增益低、放大器体积大、不同波段难以一体化放大等新技术难题，WSS（波长选择开关）、ITLA（集成可调谐激光器组件）等其他光层核心组件也面临波段扩展所带来的相似的技术挑战。基于技术攻关和产业拉动，目前L6T光放大器已基本可用，未来力争优化噪声系数达到与C6T差异小于1dB的水平，但一体化光放大器还有待进一步协同攻关；WSS在C和L波段的性能已基本相近，且产业上已实现“C+L”一体化WSS“从0到1”的突破，未来应拉动全产业继续向一体化12THz“C+L”波WSS演进；分体式ITLA性能已满足规模应用需求，线宽小于150kHz，支持400G超1500km传输，未来需优化激光器增益区与选频光腔，推进ITLA由分体式向“C6T+L6T”一体化演进。
在宽谱系统层面，“C6T+L6T”波段最长与最短波的频差达12.5THz，已经非常接近SRS（受激拉曼散射）效应的13.4THz增益峰值。在SRS效 应的 作用下，短 波信号功率将被长波抽取，造成显著的波道间功率不平坦，导致系统整体传输性能的劣化。我们通过实验证明：8波配置的“C6T+L6T”400G QPSK信号经过一个80km G.652.D标准跨段传输后，产生的最大功率转移就已高达7d B，而在同等实验条件下，10 0时代使用的 C 4T 波段仅存在小于1d B的功率转移。此时，满波配置的4 0 0 QPSK系统均衡除了面临12THz宽谱、跨“C+L”波段两大挑战外，还需处理SRS效应所致的功率转移问题，保证系统末端各通道性能相近。需要注意的是，尽管频谱扩展至12THz“C6T+L6T”后SRS效应带来的功率转移问题凸显，但也减小了L波段长波的等效跨损，补偿了L波段长波信号因EDFA噪声系数和增益性能较差而损失的性能，起到了降低L波段放大器性能要求的作用。基于SRS效应 与光 放 大器的合理匹配，我们已在静态环境下实现均衡后OSNR平坦度≤±0.25dB、功率平坦度<±2.5dB。未 来应继续研究在增减波、网络割接等复杂环境下实现自动 化、模板化的自适应均衡，力争功率平坦度≤±0.5dB。
为推动中国光传送网产业加速进入400G全光网时代，中国移动持续开展400G实验室与现网试验研究。2023年在宁波、北京、贵阳举办了3次技术进展发布会，宣布实现400G长距传输3项世界纪录，联合产业基本构建了涵盖芯片、器件、模块、设备、系统的自主可控产业链，有力推进了400G QPSK技术和产业成熟。
在实验室研究方面，2022年8月，中国移动依据“浙江宁波—湖南邵阳”的现网场景在实验室搭建G.652.D光纤全模拟链路，联合产业伙伴基于业界首款400G QPSK工程样机完成16QAM-PCS和QPSK的同环境对比研究。该 实 验 室 链 路全 长 2018 k m，合 计32个跨段，其中跨损22dB以上的大损耗跨段占比达56%，更有28.13%的 跨 段 损 耗 超 过 2 5 d B。为 弱 化 O S N R 的 劣化，有 8 个大 损 耗 跨 段 采 取 了“E D FA+ 拉 曼 放 大”的 混 合放 大 方式，其 余 跨 段 均 为 纯 E D FA 放 大。实 验 结 果 表 明：相 比16QAM-PCS，QPSK在背 靠背OSNR容限与入 纤功率两方面均具有 >1dB优 势，整 体传 输 性 能 提 升 5 0%以上，确 为更 具优 势 的 骨 干 光 传 送 网 解 决 方 案。此 外，本次试验还进一步完成了3038km 400G QPSK极限传输 性 能 验 证，末 端 O S N R 余 量 超 3 d B，进 一 步 论 证 了QPSK是可深度匹配400G骨干传送网应用需求的技术路线。2023年5月，中国移动在北京举办“《下一 代全光骨干传送网白皮书》发布会”，展示了基于G.654.E光纤和纯EDFA放大实现的“C6T+L6T”波段400G QPSK7000km传输成果，是目前实验室测试的最高水平，论证了G.654.E光纤在提升超高速、超宽谱光传输系统性能方面的优越性。
在现网研究方面，2023年3月，中国移动在宁波举办“光网筑底 算力扬帆——中国移动算力网络400G全光网技术试验阶段总结暨产业推进研讨会”，发布世界最长距离400G光传输技术试验网络。在预留0.06dB/km光纤维护余量的前提下，实现了基于G.652.D光纤、“EDFA+拉曼混合放大”的宁波至贵安5616km传输，且系统末端仍具有2.2dB的OSNR余量，验证了QPSK的长距传输能力。2023年6月，中国移动在贵阳举办“中国移动‘九州’算力光网白皮书暨产业发展倡议发布会”，基于G.652.D光纤完成了全球最长距离的纯EDFA经典商用场景80×400GQPSK 1673km现网试验，链路含30个跨段、平均跨段损耗19dB，在预留0.06dB/km光纤维护余量的前提下，系统末端OSNR余量6.4dB，检验了400G QPSK面向商用部署的系统能力。此外，进一步采用“EDFA+拉曼混合放大”实现了“C6T+L6T”波段的80×400G QPSK 2502km现网传输，系统末端OSNR余量约4dB。相关技术研究成果被央视新闻联播等行业内外权威媒体广泛报道并给予高度评价，并获“光华杯”全国一等奖、全球光通信顶级盛会ECOC（欧洲光通信会议）唯一光传输奖（六大产业奖之一）、2024年世界移动通信大会“全光技术创新与数字化使能奖”等多项业界重量级奖项，有力提升了我国400G产业的全球影响力。
基于体系化的技术研究，中国移动于2023年11月率先完成全球首次400G设备规模集采、12月启动工程实施，在2024年2月27日贯通全球首条400G“东数西算”链路（北京—内蒙古，711km，8个OA站），并于3月8日在北京召开“光耀‘九州’，逐光联算——400G OTN省际骨干网首条链路贯通及应用发布会”，正式开干400G OTN全光网络规模商用元年。此外，中国移动计划在2024年中全面实现京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等八大“东数西算”国家枢纽集群的400G高速互联，以全网超135个城市覆盖范围、超30PB的算力调度容量、小于20ms的算力枢纽间时延，打造全球规模最大、覆盖最广的400G跨区域、多层次的全光高速直连骨干网络，催生数智化的新产业、新模式、新动能，加快新质生产力发展，惠及千家万户、赋能千行百业。
作者：中国移动通信有限公司研究院 李晗 张德朝 韩柳燕 王东 左铭青；中国移动通信集团公司计划建设部 邹洪强 刘达；中国移动通信集团公司网络事业部 刘卓
转载：本文转载自《通信世界》总第941期 2024年4月10日第7期 ISSN 1009-1564
CN 11-4405/TP