专题丨骨干全光网技术发展趋势探讨
作者简介
吕 凯
中国电信股份有限公司研究院工程师，博士，主要从事光传输、光网络等技术和应用研究等工作。
唐建军
中国电信股份有限公司研究院高级工程师，博士，长期从事光传输、光网络等技术和应用研究等工作。
张安旭
中国电信股份有限公司研究院工程师，博士，主要从事光传输、光网络等技术和应用研究等工作。
李俊杰
中国电信股份有限公司研究院教授级高级工程师，博士，中国电信集团光传输技术首席专家，长期从事光传输、光网络技术和应用研究等工作。
论文引用格式：
吕凯, 唐建军, 张安旭, 等. 骨干全光网技术发展趋势探讨[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):41-47.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2018YFB1801200）资助
骨干全光网技术发展趋势探讨*
吕凯 唐建军 张安旭 李俊杰
（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）
摘要：面向新基建，中国电信提出“云网融合”转型战略，率先提出和践行“全光网”理念。其中，骨干全光网先行一步，目标是形成一张覆盖全国的一二干线融合骨干全光网络，夯实新型信息基础设施的带宽基石。基于需求分析，对中国电信骨干全光网当前采用的技术以及未来发展趋势进行深入分析，包括高速大容量全光传输、扩展波段、新型光纤、全光交换等技术。对相关技术研究和产业发展工作提供参考，共同推动全光网技术的发展。
关键词：全光网；骨干全光网；WDM；ROADM
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A
引用格式：吕凯, 唐建军, 张安旭, 等. 骨干全光网技术发展趋势探讨[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):41-47.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.12.006
0 引言
全光网是光网络技术发展到一定阶段的产物，全光网概念在我国首次出现于2008年左右，随着光纤接入（FTTx）技术和软交换技术的普及，电话和宽带网络在接入层分别采用光纤替代铜线，即“光进铜退”，全国各地广泛宣传全光网、全光城市等概念。这一时期的全光网定义为全光网1.0，其特征是骨干网以WDM技术为核心的全光传输和城域/本地网、以FTTx技术为核心的全光接入。2011年2月16日，中国电信正式启动“宽带中国·光网城市”行动，2017年实现了既定目标，FTTx和百兆入户的比例均超过90%，标志着“全光网1.0”的实现。
中国电信于2017年在中国光网络研讨会（OptinetChina）上首次提出“全光网2.0”的概念，指出当传输和接入都实现光纤化，交换层也引入基于光分插复用设备（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM）的全光交换技术后才能构成严格意义上的全光网。在2018年世界光纤通信大会（Optical Fiber Communication，OFC）上，中国电信在大会报告（Plenary Speech）上首次明确“全光网2.0”的主要特征，包括依托可重构ROADM设备、100 Gbit/s和超100 Gbit/s相干传输技术、智能波长交换光网络（Wavelength Switched Optical Network，WSON）控制平面和一跳直达全光架构实现波长级全光调度、分钟级业务发放、秒级恢复和毫秒级时延。此后，“全光网2.0”的概念逐渐被业界接受，内涵也不断得到丰富。到2021年，中国电信建成了一张覆盖除港澳台外所有省级行政区的一二干融合的基于ROADM技术的骨干全光交换网络，覆盖了近200 个城市和多数大型数据中心，包括440 多个ROADM节点和1600多个光放大（Optical Amplifier，OA）节点，标志着“全光网2.0”在骨干网层面进入稳步发展阶段，即骨干全光网。
骨干全光网的核心是全光传输和全光交换。全光传输的追求目标是大容量与长距离，而这两个目标的实现存在一个权衡，一个方面的提升往往意味着另一个方面有所牺牲。更大的系统容量，可以通过提高频谱效率以及扩展频谱带宽来实现，长距离传输的性能要求则限制提升频谱效率的空间。随着更高处理能力芯片的出现，一定程度上可以打破限制，在满足长距离传输性能要求的前提下，提升频谱效率或者提高单波传输速率。同时，G.654E光纤的更低衰耗和大有效面积的特性，可以进一步助力系统传输性能的提升。全光交换目前的核心技术是ROADM，未来发展方向除了物理交叉能力的提升，更重要的是基于软件和协议的技术创新实现更快速的业务调度、故障恢复等软能力，拓展全光交换技术的应用场景。基于此，本文将从单波传输速率、扩展波段、新型光纤以及全光交换技4个方面对全光骨干网的发展趋势进行探讨。
1 单波传输速率演进
单波速率从100 Gbit/s到200 Gbit/s，再到400 Gbit/s演进。从2013年开始，100 Gbit/s的波分系统逐步在中国电信的WDM/ROADM网络及OTN网络中部署，目前已覆盖全国31个省。在中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）《N×400 Gbit/s WDM系统技术要求》行业标准中定义了双载波400 Gbit/s[1]，即用2个200 Gbit/s波长承载一路400 Gbit/s业务信号，称之为超级通路（Super Channel）。超级通路400 Gbit/s WDM技术实际应用支持相同技术选型的400 Gbit/s与200 Gbit/s信号混合传输。单载波400 Gbit/s的相关标准仍处于制定中，其波道间隔定义将与双载波400 Gbit/s保持一致。可以预见，400GE接口将成为未来重要的业务速率，线路侧400 Gbit/s将是传输网的主流传输速率。并且可以确定的是，未来将采用单载波400 Gbit/s的方案承载业务。而双载波400 Gbit/s的劣势在于采用此方案承载400GE接口业务，相比较单载波方案而言，会使用双倍的业务板卡，成本更高并且存在反向复用的问题，需要增加额外开销。
1.1 200 Gbit/s
CCSA《N×400 Gbit/s WDM系统技术要求》行业标准定义了两种200 Gbit/s技术选型[1]，一种是PM16QAM，另一种是PM-QPSK。200 Gbit/s PM-16QAM与PM-QPSK目前都是比较成熟的技术方案。
200 Gbit/s PM-16QAM方案的优势在于与100 Gbit/s PM-QPSK技术兼容性高且频谱效率是其两倍，即采用相同波段传输，系统容量可以实现翻倍；200 Gbit/s PM-16QAM采用与100 Gbit/s PM-QPSK技术相同的波特率以及50 GHz波道间隔，可以实现100~200 Gbit/s的平滑升级，且可以与100 Gbit/s QPSK混合传输。该方案的劣势在于传输距离较短，在现网G.652D光纤中传输距离一般在500 km以内。因此，该方案适用于城域网应用，国内运营商均在省内网络有少量部署。应用该技术方案在中国电信网络中进行了现网测试，传输链路如图1所示[2]。被测200 Gbit/s PM-16QAM WDM信号可实现经过21个光放段，总长度为1142 km的长距无误码传输，系统背靠背OSNR容限（End of Life，EOL）为16.5 dB。
图1 200 Gbit/s PM-16QAM方案现网试验传输链路示意图
200 Gbit/s PM-QPSK方案采用的是75 GHz的波道间隔，相比较于100 Gbit/s PM-QPSK同样提高了频谱效率，该方案的突出优势在于现网G.652D光纤中传输距离一般在1500 km以上，可在省际及省内干线中应用；该方案的缺点在于与波道间隔为50 GHz的100 Gbit/s PM-QPSK不能混用，否则会产生频谱碎片，不利于网路维护以及ROADM组网。
2019年，在长江中下游区域的中国电信省级骨干ROADM网络中，进行了单波长200 Gbit/s PM-QPSK WDM系统的超长距离传输试验（见图2）[3]。该试验传输链路总长度达到2174 km，包含9个ROADM节点，经过35个光放段；传输设备采用200 Gbit/s PM-QPSK方案，波特率达到69GBaud，通道间隔为75 GHz，系统背靠背OSNR容限为14.5 dB。该试验结果表明，在兼顾系统容量提升的同时，200 Gbit/s QPSK WDM系统能够提供超长距传输能力。对运营商而言，这一方案是骨干网络进行容量升级、降低单比特传输成本的一种选择。
图2 200 Gbit/s PM-QPSK方案现网超长距传输系统示意图
1.2 400 Gbit/s
单载波400 Gbit/s的技术方案比较多，主要有以下3种。
（1）波道间隔为75 GHz的PM-16QAM方案，波特率一般在64GBaud左右，在现网中测试，纠错前误码率门限为3.4E-2时，系统背靠背OSNR容限约为23 dB。该方案的商用板卡的传输性能不能满足骨干光传输，现网G.652D光纤的传输距离在300 km左右，主要应用于数据中心互联（Data Center Inter-connect，DCI）等应用场景。
（2）波道间隔为100 GHz的PM-16QAM方案，波特率一般在90GBaud左右。如图3所示，在实验室搭建了13×22 dB（每跨段80 km）WDM测试系统。在研究测试中，测得系统背靠背OSNR容限在18.5 dB以内。现网传输能力按照实验室传输距离的七成计算，该方案的商用板卡可以支持现网中G.652D光纤700 km以上的传输距离，可用于省内干线、城域网等应用场景。
图3 N×400 Gbit/s WDM测试系统实际配置
（3）波道间隔为150 GHz的PM-QPSK方案，波特率在130GBaud左右。该方案目前尚无商用板卡，预计背靠背OSNR容限在16.5 dB以下。现网G.652D光纤中传输距离在1500 km以上，性能会优于波道间隔为75 GHz的200 Gbit/s PM-QPSK方案，可在省际干线中应用，预计是下一代主流的骨干网传输技术方案。
2 频谱扩展技术
增加系统容量的技术方案，在提高单通道速率之外，扩展可利用的频谱资源是另一个重要的关键技术。C波段的频谱带宽为4 THz，通过对其扩展，可以得到4.8 THz，甚至6 THz的传输带宽；此外，C波段结合L波段的应用，可以实现带宽资源的翻倍。
2.1 扩展C波段
C波段的扩展方案可以分为两个阶段，第一阶段是将50 GHz间隔的80波系统（C80）扩展到96波（C96），系统容量增加20%；随着流量的增加以及技术的发展，扩展方案发展到第二阶段（见图4)，扩展50 GHz间隔的120波系统，即扩展C波段，相比较80波，系统容量增加50%。当前工作在扩展C波段，波道间隔为75 GHz的80波PM-QPSK波分系统已经成熟，主要设备厂商的设备都可以支持。
图4 扩展C波段频谱图
相比较于C80及C96，扩展C波段系统需要解决一系列技术问题，包括优化设计线路板卡，增加激光器波长调谐范围；优化光放大器，满足扩展C波段的放大增益并保证平坦度；优化波长选择开关（WavelengthSelective Switch，WSS），使其满足扩展C波段的应用要求等。扩展C波段的应用会引入一定程度的传输性能劣化，相比较C80/C96系统，整体系统性能会裂化有0.5~1 dB。通过系统相关优化设计，可以将劣化控制在0.5 dB以内。同时，扩展C波段WDM系统的关键元器件需要进一步优化和改进，从而改善性能。目前，波段C扩展的WDM系统已开始商用，但仍缺乏相关的系统参数标准定义，应加快推进相关标准制定，推进产业发展。
2.2 C+L波段
C+L作为成熟的商用技术，已经在日本、欧洲等国家和地区广泛使用，能有效倍增系统（80×2波或96×2波）的传送容量。在光纤资源紧缺，敷设成本或者租赁成本高昂的地区，是一种具有吸引力的选择方案。由于传输系统中的关键器件（如激光器、放大器、WSS等）无法支持工作在C+L波段，以当前的能力仅能支持工作在C或者L波段，因此C+L波段系统实际是两套独立系统（见图5），优势在于两个波段共享一个光纤，节省光纤资源；劣势在于，需要开发L波段的全套传输产品，且C+L波段的传输性能要略逊于单独的C波段。
图5 C+L波段WDM传输系统示意图
在国内，优劣势两相权衡下，光纤资源不作为稀缺资源考虑，以目前情况来看，C+L的应用可能性较低。然而，网络流量迅速增长，光纤敷设的难度及成本也在增加，不排除光纤成为稀缺资源的可能。作为技术储备，研究C+L波段传输系统一样具有重要意义。针对L波段100 Gbit/s WDM系统，CCSA已经进行了相关研究[4]。由于C+L系统的宽光谱特性的存在，对通道光功率的动态均衡、非线性补偿等提出了更高的要求。由于L波段的光纤衰耗大于C波段，导致L波段OSNR比C波段劣化0.5~1 dB。并且受激拉曼散射效应的存在会使得C波段功率向L波段转移，从而引起C波段性能的劣化。在C+L波段研究以及应用设计时需要着重考虑这些问题。
3 G.654E新型光纤
在单模光纤中，限制信号传输能力的关键因素是衰耗和非线性效应。相应地，降低光纤衰耗系数以及降低光纤非线性噪声积累是光纤设计的两个关键指标。通过采用纯硅芯或者低锗掺杂芯区加上掺氟包层的设计可以使得光纤的衰耗系数降低到0.17 dB/km的水平。而降低非线性的方法，在海缆中应用的654光纤已经使用，即增大光纤的有效面积。光纤有效面积越大，非线性效应越弱；然而光纤有效面积越大，弯曲损耗也越大，太大的有效面积不适合陆缆使用。因此，作为一个权衡选择，130 μm2的有效面积加上超低损耗的光纤结构设计成为陆缆单模光纤的关键标准，即G.654E光纤[5]。当前，中国电信、中国移动、中国联通均已在现网中少量部署G.654E光缆，其中中国电信建设的全长1900多公里，世界上首条省际骨干全G.654E光缆（上海—金华—河源—广州光缆）已于2021年4月建成。
为验证G.654E超低损耗及大有效面积新型光纤的实际性能，中国电信利用该条新建光缆完成了业界首次在G.654E光缆上的单载波400 Gbit/s超长距WDM 传输商用设备现网试验（见图6）。根据现网试验数据进行测算，在满足行业标准和工程规范要求的OSNR余量要求下，采用星座整形PM-16QAM码型的400 Gbit/s系统可以实现1500 km左右的无电中继传输，达到超长距传输系统要求。现网比对测试结果表明，G.654E光缆的应用可以使得系统OSNR相较传统G.652D纤芯环境提升3.5 dB，可延长无电中继传输距离80%以上。
图6 基于G.654E光缆的400 Gbit/s超长距现网传输试验示意图
4 全光交换技术
ROADM的技术价值在于可以通过远程控制更改上下和穿通波长，无需手工跳纤，实现对WDM系统的波长重构；可以快速建立或重构波长路由、减少人工操作错误。DC互联、波长专线等，往往比拼业务的提供速度，ROADM因此具有巨大的竞争优势。ROADM在2016年被中国电信引入并部署于区域ROADM网，经过建设和融合，全网已形成华北、华南、西南、西北、东北等5个区域ROADM网。与ROADM一同引入的还有其网络保护恢复技术——WSON，通过该技术，可以实现业务的动态重路由恢复，可抵抗多次故障。
当前，广泛使用的CD-ROADM，其中C（Colorless）、D（Directionless）分别指的是波长无关和方向无关。通过WSS级联的方式，实现光层业务上下端口波长可调，本站上下路端口可任意改变传送方向。目前，现网中少量使用CDC-ROADM，这是一种最灵活的ROADM设备形态，在C、D的基础上多了一个竞争无关的C（Contentionless），CDC的功能是通过MCS（Multicast Switch）实现。
在当前的ROADM网络中广泛应用20维WSS，随着业务的不断发展，已经逐步出现端口数量不足的情况。目前，32维WSS已经在网络中少量部署，由于维度变高，光纤连纤数量大幅增加，32维需要32×32×2=2048根光纤，大大增加了连纤错误几率以及维护难度。因此，基于光背板的ROADM设备（简称光背板）被开发出来以解决此问题。光背板将光纤印刷在背板内，内部实现WSS各端口之间的光纤硬连接，无需面板跳纤，节省前面板空间，避免工程和维护中的错连情况。
现有ROADM网络的动态重路由基于分布式算路策略，即源节点算路。在计算恢复资源时，不同源节点的计算波长资源可能相同，将导致波长资源冲突。随着网络规模的扩大和负载的增加，这种冲突的概率也将增加，将导致业务恢复时出现多次回退的现象。经过对现网故障数据记录的分析发现，曾出现9次资源冲突的情况，最后才成功恢复业务。在上述案例中，该次故障导致部分业务中断时间超过30 min。
为解决上述问题，中国电信提出集中算路和分布式控制相结合的方式。集中式算路可完全计算路由资源冲突问题，有效减少动态重申路由的业务恢复时间，在西南ROADM网络验证了这种方案的可行性和有效性。
为了进一步减少ROADM的恢复时间，需要提升计算单元的计算能力（主要是CPU和内存），优化重路由计算算法和控制机制，同时将OTU波长调谐时间和WSS切换时间进一步优化。通过上述几种策略改进和优化，将恢复时间从几分钟到几十分钟不等的不确定时间缩短为可保证的秒级，有望实现30 s以内，甚至10 s以内，有效提升业务的可用率指标。
5 技术发展趋势探讨
骨干光传输全面进入相干时代，中国电信骨干网络中单波速率100 Gbit s的WDM系统已经全面部署应用，单波200 Gbit/s和400 Gbit/s的WDM系统正在积极探索，近年来进行了多次长距和超长距的实验室以及现网传输试验。提高单波长的速率，可以减少波长和光模块的数量，降低单比特传输的设备成本和功耗，降低运维复杂度。从业务发展和技术能力的角度来看，400 Gbit/s极可能是中国电信下一代骨干网DWDM传输的主流线路速率。从匹配400GE业务需求以及满足超长距离传输能力的角度出发，波道间隔为150 GHz的400 Gbit/s PM-QPSK方案是最为适配的技术路线，预计2023—2024年，骨干长距离400 Gbit/s产业具备规模部署能力，根据400GE业务驱动推动网络建设。此外，客户侧已经具备成熟商用的400GE光模块，而400 Gbit/s WDM系统跨系统转接需要成熟的400 Gbit/s OTN接口，即400 Gbit/s客户侧光模块需要同时支持400 Gbit/s FlexO速率。目前，市场上没有兼容400GE和400 Gbit/s FlexO的双速率光模块，预计2022—2023年主流模块厂商将具备提供能力。
然而，提高系统容量以及提高单波速率（频谱效率）不是唯一因素，单纤容量取决于系统的频率效率和频谱带宽。在骨干网传输性能要求的限制下，高速系统提升频谱效率的空间越来越有限，需要通过扩展频谱带宽提升单纤容量。目前，中国电信现网100 Gbit/s系统所用波段为C80和C96系统，系统容量分别为8 Tbit/s和9.6 Tbit/s。在200 Gbit/s速率下，骨干传输系统的容量可以提高到16 Tbit/s，与C80波段的100 Gbit/s系统相比，速率翻倍，容量也翻倍。扩展C波段的200 Gbit/s系统，在中国电信现网已有少量部署。在400 Gbit/s时代，中国电信骨干传输系统的容量持续提升，需要继续依赖扩展波段的技术。同时，目前业界正在研究在扩展C波段的基础上，继续扩展L波段，CCSA也正在进行C+L波段系统的相关研究。从长远考虑，一套能够支持工作在C+L波段的传输系统是行业所期待的目标，这需要放大器及相关关键器件，如激光器、WSS等多方面的改进与突破。以光放大器为例，增益光纤增加新的掺杂元素，可以提升增益范围；采用多段放大、优化泵浦功率配比等方式可以提升扩展区域的增益系数等。这需要整个产业共同努力，进行研究与探索。
提升频谱效率受限，原因在于受限于骨干传输性能要求。而采用G.654E新型光纤可以提升系统传输性能，可以助力更高传输容量的系统应用部署。G.654E光纤相比较于G.652D，模场直径更大（有效面积更大），可以提高1.5~2 dB的入纤功率，并且衰耗系数更小。综合评估，对于长距传输，OSNR可以提高3 dB 左右，明显减少再生中继站的使用。虽然G.654E光纤的纤芯单价在200 元/芯公里以上，明显高于G.652D的单价25 元/芯公里，但是以传输网综合造价成本来分析，可以显著降低网络成本，带来经济收益。同时，在运行维护过程中，减少再生站的使用，能有效减少碳排放，助力碳达峰和碳中和。在中国电信骨干传输网，尤其是沟通京津冀、长三角、粤港澳、陕川渝四大核心区域的大动脉上会优先考虑部署G.654E光纤，充分利用其能够延长无电中继传输距离的能力。不过根据工程和实验室研究经验来看，G.654E光纤目前仍然存在着一定的熔接问题。不同光纤厂家在光纤剖面结构设计以及光纤掺杂材料种类和浓度存在一定差异性，这将导致部分厂家间光纤熔接损耗较大；而光纤熔接时，会存在两段光纤模场直径差距越大，光纤熔接损耗越大的情况。因此，有必要综合产业链上下游力量，多方发力，推动开发更加适配G.654E光纤熔接的熔接机设备及程序，推动光纤光缆厂家G.654E光纤进行归一化设计以及模场直径集中化，以提高不同厂家熔接的兼容性。
从中国电信的应用来看，骨干网以20维WSS为主的模式将向以32维WSS为主的模式过渡，未来新建400 Gbit/s的高速ROADM平面将引入光背板、高维WSS等新技术，降低维护成本以及难度，同时逐步升级为集中式算路策略，实现秒级可保障的快速恢复，助力业务品质提升。CDC-ROADM目前产业链还不够成熟，中国电信将进一步研究和推动CDC-ROADM技术发展，按需引入现网。
6 结束语
随着云网融合的持续推进，中国电信骨干全光网2.0进入了深化发展阶段。在全光传输技术领域，DCI等业务驱动对全光传输系统的传输容量提出了更高的要求。本文从单波传输速率、扩展波段、新型光纤以及ROADM等4个方面对全光骨干网技术发展趋势进行探讨，并着重分析中国电信技术发展策略。单波速率从100 Gbit/s到200 Gbit/s，再到400 Gbit/s演进，频谱带宽从4 THz向6 THz扩展。基本可以明确，下一代骨干光传输网的主要方案将是400 Gbit/s PM-QPSK与扩展C波段的组合，未来5~10年将会在全网大部分节点部署。在光纤技术领域，未来骨干网沟通京津冀、长三角、粤港澳、陕川渝四大核心区域的大动脉以及相应辐射区域会优先考虑G.654E光纤部署，呼吁光纤光缆厂商进一步提高G.654E光纤的兼容性，降低其建设和运营成本，提高其适用范围。在全光交换技术领域，在可预见的未来，骨干全光网还将采用基于ROADM的波长交换技术，有利于降低成本和功耗，提升光层网络的灵活性，未来发展方向是32维及以上高维度WSS、简化连纤的光背板、CDC-ROADM等技术，以及通过“集中+分布”相结合的WSON智能控制平面技术实现的快速故障恢复等技术，进一步提升用户体验。
参考文献
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Discussion on technology development trends of backbone all-optical network
LYU Kai, TANG Jianjun, ZHANG Anxu, LI Junjie
(China Telecom Research Institute, Beijing 102209, China)
Abstract: Facing the new infrastructure construction, China Telecom put forward the transformation strategy of “Integration of cloud and network”, and took the lead in proposing and practicing the concept of “all-optical network”. Among them, the backbone all-optical network is the first step, the goal is to form an inter-province and intra-province integrated backbone all-optical network covering the whole country, and consolidate the bandwidth cornerstone of the new information infrastructure. Based on the demand analysis, this paper makes an in-depth analysis on the current technology and future development trend of China Telecom backbone all-optical network, including high speed large capacity optical transmission, extended band, new type of optical fiber, all-optical switching technology, etc. Hope to provide reference for related technology research and industrial development work, and jointly promote the development of all-optical network technology.
Keywords: all-optical network; backbone all-optical network; WDM; ROADM
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第12期
主办：中国信息通信研究院
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