超100G波分部署方案研究

王少偉，蔣 明

（1.中國聯合網絡通信有限公司湖南省分公司，湖南 長沙 410014；2.北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070）

0 引 言

未來網絡將從以核心網為中心面向連接的傳統網絡，向以DC為中心面向內容和應用的方向轉型。預計到2022年，DC之間的流量占骨干網流量的比重將達到80%。上述業務和網絡轉型的需求均成為下一代以太網速率發展的核心驅動力，需要大容量、高密度數據傳送及交換處理，對下一代速率的端到端傳送系統關鍵技術研究日益重要，以便能持續提升全網帶寬容量并降低每比特傳輸成本，滿足運營商網絡擴容和投資收益方面的迫切要求。

目前，100GE/100G標準、技術及產業鏈已經商用成熟，IEEE、ITU-T以及OIF等國際標準組織和論壇紛紛展開下一代以太網速率需求和技術演進方面的研究。綜合考慮網絡容量需求和技術方案可行性，結合IEEE工業標準的技術發展趨勢，展開超100G波分部署方案的研究，以期為后續全面商用提供技術積累。

1 超100G波分關鍵技術

由高速傳輸系統的演進趨勢可知，大容量（頻譜效率高）、長距離和低成本是光傳輸系統永恒不變的追求。100G的頻譜效率是10G的10倍，而頻譜效率的提升是降低每比特傳輸成本的關鍵。從容量需求角度出發，200G應在頻譜效率上相對100G提升一倍，并應有類似100G系統的傳輸距離。但是，如圖1所示，基于香農極限定律，隨著頻譜效率的持續提升，標準單模光纖容量已經接近物理極限，在100G基礎上提升一倍的譜效率會導致傳輸距離急劇下降。因此，要實現200G相對100G容量提升一倍并維持類似的傳輸距離是一種極端挑戰。

圖1 光傳輸系統的香農極限分析

提升光傳送線路速率有3個技術途徑，分別為提升單波波特率、高階調制和多載波技術[1]。

（1）提升信號的波特率是提升線路速率最直接的方法，可以直接提高線路速率，并降低單位比特的傳輸成本。由于采用更高的波特率需要分配更大的單通道帶寬，因此單純提升波特率并不能提升頻譜效率（單纖容量）。同時，受到調制器、接收機、ADC/DAC等光電器件的帶寬和采樣率的限制，波特率不可無限制提高。

（2）高階調制通過將數據信號進行振幅或相位調制提升頻譜效率。雖然高階調制可以顯著提升系統的頻譜效率，但由于受到香農極限的限制，高階調制對接收OSNR有更高的要求，這意味著傳輸距離的下降。

（3）在100G及之前的時代，單載波是主流；在超100G光傳輸上，出于傳輸距離的考慮，多載波將是可行的解決方案。因此，可通過多載波提升線路速率，實現未來400G乃至T比特以太網的長距離傳輸。

目前，主流的超100G解決方案通常以100G彈性速率（Flexrate）的方式實現，即同一塊單板根據不同傳輸距離通過軟件編程方式選擇合適的調制編碼格式，盡可能沿用100G產業鏈現有器件，以降低系統升級成本。通過可編程技術可以根據傳輸距離和帶寬容量的需求，靈活匹配最佳線路速率，提升鏈路總容量的同時，降低總功耗和建網成本，如圖2所示。

圖2 可編程技術

2 超100G波分的部署

2.1 100G升級至超100G波分技術特點

從100G波分升級超100G波分數據有以下特點：從100G到超100G波分，光傳送線路速率及頻譜效率得到了極大提升；超100G波分技術基于現網的G.652/G.655光纜，在無電中繼情況下傳輸距離降低，對現網組網調整帶來了一定挑戰；超100G波分技術采用靈活的調制技術實現超100G硬件歸一化，通過軟件編程方式選擇合適的調制編碼格式，盡可能沿用100G產業鏈現有器件，以降低系統升級成本。

2.2 組網方案的選擇

目前，400G波分技術主流采用雙載波16QAM技術，可實現在現有G.652/G.655光纜無電中繼500 km以內的傳輸。在G6.54E光纜未大規模部署前提下，需對現網進行大規模改造，實施難度大、成本高。200G波分技術相對更加成熟，目前已廣泛應用，可實現無電中繼600～1 000 km傳輸。

目前主流運用的碼型有以下3種[2-3]。

碼型1：200G 16QAM，單載波實現200G，30G波特率，可實現600 km無電中繼傳輸，傳輸距離和容量較大，適于城域應用和中短距干線，是目前城域商用200G傳輸的主流解決方案。

碼型2：200G e16QAM，200G e16QAM是基于壓縮熵編碼實現的200G中長距傳輸方案。通過單載波實現200G，30G波特率，可實現1 000 km無電中繼傳輸，傳輸距離較普通的16QAM方案增加30%，適于國干和區域干線，是目前區域干線商用200G傳輸的主流解決方案。

碼型3：200G QPSK，單載波實現200G，60G波特率，可實現2 000 km無電中繼傳輸。由于采用高波特率會占用更大的譜寬，需要光層彈性技術（flexgrid）的配合。

通過上述硬件不變，軟件可編程方式調節線路速率，可以實現超100G硬件歸一化，可根據業務需求和網絡組網要求選取合適方案完成現網100G OTN系統的升級。

2.3 技術優點

2.3.1 引入超100G波分技術，可有效提升集成度，降低槽位占用和系統功耗

通過200G波分技術的應用可以使系統容量提升一倍到16T，提高波道利用效率[4]。采用單槽位2×200G單板，比現網2×100G線路單板單槽位帶寬提升一倍，單Gbit/s功耗降低40%以上，未來配合單槽位4×100G支路單板（CFP可插拔光模塊），進一步節省電子架槽位，降低功耗。

2.3.2 網絡帶寬按需靈活調整，超100G硬件歸一化

采用線路速率100G/200G/400G可編程技術，通過硬件不變，軟件可編程方式調節線路速率，在網絡前期只需開通低速率滿足當前要求。例如，將來隨著帶寬增長需要更高帶寬、更大容量，無需升級硬件板卡即可實現在線業務平滑升級發放，從而帶來更低的TCO投入。

圖3 與100G波分帶寬及能耗對比

3 結 論

隨著200G、400G等超100G波分技術的日益成熟，超100G波分技術將逐步部署應用于運營商網絡，滿足業務高速發展的需求。因此，需充分了解各種組網方案特點和要求，根據現網網絡狀況選取合適的組網方案，可在最大程度保護原有投資的情況下實現網絡平滑演進。