崔秀國(guó)，劉翔，操時(shí)宜，周敏

（華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129）

光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展、挑戰(zhàn)與機(jī)遇

崔秀國(guó)，劉翔，操時(shí)宜，周敏

（華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129）

光纖通信系統(tǒng)是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的核心支撐系統(tǒng)之一。首先概述了光纖通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，并分析了其在蓬勃發(fā)展的云時(shí)代中的發(fā)展驅(qū)動(dòng)力及在此驅(qū)動(dòng)力下未來(lái)光纖通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。結(jié)合這些挑戰(zhàn)與機(jī)遇，分別從光纖通信系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、城域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于軟件定義網(wǎng)的新型光傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多個(gè)方面，綜合闡述光纖通信系統(tǒng)技術(shù)在云時(shí)代的演進(jìn)發(fā)展趨勢(shì)，以更有效地為未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及智慧家居和智慧城市提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

光纖通信；云時(shí)代；光傳送網(wǎng)；數(shù)據(jù)中心互聯(lián)；5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；智慧家庭和智慧城市

1 引言

從高錕（Charles K Kao）博士在1966年發(fā)表了《Dielectricfiber surface waveguides for optical frequencies》，首次提出了低損光纖理論，為光通信產(chǎn)業(yè)打開(kāi)了一扇希望之門，到今天光通信系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用部署，促進(jìn)了全社會(huì)的發(fā)展，給全人類的工作生活帶來(lái)了便利，光通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)度過(guò)了整整50周年的風(fēng)風(fēng)雨雨。現(xiàn)如今，光通信不僅僅局限于電信業(yè)本身，實(shí)際上已經(jīng)成為影響和促進(jìn)社會(huì)眾多其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量，關(guān)系到全世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。站在今天，至少可以說(shuō)現(xiàn)在取得的成就是輝煌的。展望未來(lái)，不禁要思考如何把握光通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，迎接瞬息萬(wàn)變的社會(huì)產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)的挑戰(zhàn)，構(gòu)建光通信產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的美好未來(lái)。

2 光纖通信系統(tǒng)近期的發(fā)展

在過(guò)去的30年，光纖通信系統(tǒng)高速發(fā)展［1-5］。如圖1所示，光纖通信的單通道速率從1985年的2.5 Gbit／s迅猛提高到2015年的400 Gbit／s，是原來(lái)的160倍。主要技術(shù)包括高速電光調(diào)制、高速光探測(cè)、硬判決前向糾錯(cuò)（HD-FEC）、差分二相位及四相位調(diào)制（DPSK／DQPSK）、相干檢測(cè)（coherent detection）、光 數(shù) 字 處 理 （ODSP）、軟 判 決 前 向 糾 錯(cuò)（SD-FEC）、偏振復(fù)用（PM）、高階正交幅度調(diào)制（QAM）和超奈奎斯特調(diào)制與解調(diào)（FTN）［6-15］。隨著超通道（superchannel）技術(shù)的引入［16-18］，通道速率已超過(guò) 1 Tbit／s［19］。

同時(shí)，寬帶光纖光纖放大器 （如摻鉺光纖放大器（EDFA）及拉曼光纖放大器（Raman amplifier））的引入使得波分復(fù)用（WDM）成為現(xiàn)實(shí)。光纖通信的單光纖傳輸容量從 1985 年 的 2.5 Gbit／s 大 幅 提 高 到 2015 年 的 20 Tbit／s，是原來(lái)的8 000倍。

鏈路也由早期的單跨段發(fā)展到今天的多跨段、可自由切換的透明波分網(wǎng)絡(luò)和彈性波分網(wǎng)絡(luò)（flexible-grid WDM）［20］。

2.1 相干檢測(cè)及光數(shù)字處理

在光通信系統(tǒng)發(fā)展早期 （2.5 Gbit／s／10 Gbit／s時(shí)代），采用簡(jiǎn)單的強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)（IMDD）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光傳輸。在波分系統(tǒng)的40 Gbit／s時(shí)代，基于直接檢測(cè)的差分二相位及四相位調(diào)制（DPSK／DQPSK）顯示出一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)波分系統(tǒng)進(jìn)入100 Gbit／s時(shí)代以后，相干光技術(shù)迅速成為了高速光通信系統(tǒng)的主流。目前，100Gbit／s相干已經(jīng)大規(guī)模部署，400Gbit／s已經(jīng)商用，目前產(chǎn)業(yè)界正逐漸向Tbit／s量級(jí)演進(jìn)，而未來(lái)助推光通信系統(tǒng)傳輸能力持續(xù)向前發(fā)展的主要技術(shù)趨勢(shì)有超強(qiáng)DSP技術(shù)、超低損光纖+拉曼放大技術(shù)、C+L傳輸波段擴(kuò)展技術(shù)以及FTN傳送技術(shù)。具體如圖1所示。

ODSP技術(shù)是光通信系統(tǒng)傳送技術(shù)中最具劃時(shí)代意義的技術(shù)，其將光網(wǎng)絡(luò)從模擬光時(shí)代帶入數(shù)字光時(shí)代。ODSP技術(shù)在相干通信系統(tǒng)興起過(guò)程中迅速發(fā)展，不僅能夠補(bǔ)償色散、偏振旋轉(zhuǎn)、相位噪聲和非線性等信道損傷，也能補(bǔ)償發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的器件損傷。圖2顯示了相干檢測(cè)及光數(shù)字處理在過(guò)去10年的迅猛發(fā)展。

圖1 光纖通信系統(tǒng)傳輸技術(shù)在過(guò)去30年的大發(fā)展

2.2 可軟件定義收發(fā)器及彈性波分網(wǎng)絡(luò)

目前的ODSP技術(shù)，可以采用靈活可變的flex調(diào)制方式，根據(jù)不同的傳輸距離和場(chǎng)景，選擇靈活的通道間隔（flexible grid）和調(diào)制格式（flexible format），實(shí)現(xiàn)更高效的大容量光傳輸。flexible grid可以將波長(zhǎng)間隔從50 GHz降低到37.5 GHz甚至33 GHz，使得C波段波長(zhǎng)數(shù)量增加1.6～1.8倍，最大可以支持128～145個(gè)波長(zhǎng)。目前16 nm的ODSP 普遍可以支持100 Gbit／s QPSK、150 Gbit／s 8QAM、200 Gbit／s 16QAM、400 Gbit／s 64QAM，不同傳輸距離、不同的調(diào)制技術(shù)，兼容同一硬件，從QPSK到16QAM和64QAM，頻譜效率提升了2～3倍。因發(fā)送器及接收器均采用 ODSP，收發(fā)器可軟件定義（software-defined transceiver）。由此彈性波分網(wǎng)絡(luò)（flexible-grid WDM）得以實(shí)現(xiàn)。圖3描述了可軟件定義收發(fā)器及彈性波分網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 相干檢測(cè)及光數(shù)字處理在過(guò)去10年的迅猛發(fā)展

2.3 電層及光層調(diào)度技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著光網(wǎng)絡(luò)功能的進(jìn)一步增強(qiáng)，其系統(tǒng)架構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)具有多個(gè)環(huán)網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要多個(gè)光纖（即多個(gè)維度）之間的光交換。得益于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電層交換技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先光交換，由此誕生了一種基于電層交換的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即OTN，并很快適應(yīng)了通信傳輸網(wǎng)的發(fā)展需求。2010年以后，光網(wǎng)絡(luò)趨向復(fù)雜，OTN技術(shù)也在不斷自我變革，出現(xiàn)了增強(qiáng)型OTN技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)網(wǎng)和mesh網(wǎng)帶來(lái)的架構(gòu)與技術(shù)變遷。2013年，CCSA牽頭制定了《分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備技術(shù)要求》等國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將 SDH交叉、分組交換、ODU交換統(tǒng)一納入分組增強(qiáng)型OTN設(shè)備中，集成了 OTN／SDH／PKT3 種業(yè)務(wù)調(diào)度功能。在 100 Gbit／s光傳送技術(shù)剛剛開(kāi)始成熟商用的今天，業(yè)界已全面展開(kāi)對(duì)超 100 Gbit／s（beyond 100 Gbit／s）光傳送技術(shù)的研究。未來(lái)的OTN需要具備任意業(yè)務(wù)的承載能力，同時(shí)光層的flex grid技術(shù)變革也正驅(qū)動(dòng)著OTN向靈活性演進(jìn)，能夠根據(jù)傳送的業(yè)務(wù)流量和傳送距離靈活選擇光調(diào)制方式、光頻譜資源大小、載波數(shù)量等參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)化高效的網(wǎng)絡(luò)配置。

圖3 可軟件定義收發(fā)器及彈性波分網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景

雖然OTN在不斷自我變革以應(yīng)對(duì)新興網(wǎng)絡(luò)發(fā)展潮流，但依舊有其難以逾越的技術(shù)瓶頸。隨著OTN交叉容量的增加，其ODSP功耗線性增加，且只能通過(guò)減小芯片納米工藝數(shù)值來(lái)降低功耗，如16 nm工藝向10 nm演進(jìn)。隨著后摩爾時(shí)代的到來(lái)，集成電路的集成度提升也將達(dá)到極限，芯片散熱成為最終限制，功耗已經(jīng)很難繼續(xù)降低。未來(lái)大容量電交叉的功耗勢(shì)必給運(yùn)營(yíng)商機(jī)房運(yùn)作帶來(lái)極大壓力。此外，電交換需要O／E及E／O，帶來(lái)了相對(duì)較高的時(shí)延。因此，產(chǎn)業(yè)界還是希望技術(shù)允許時(shí)將交換功能從電域轉(zhuǎn)到光域，這被稱為全光交換，并希望將此作為構(gòu)建全光網(wǎng)的基礎(chǔ)。全光交叉最早的實(shí)現(xiàn)路線是延續(xù)早期對(duì)波長(zhǎng)的光上下路復(fù)用（OADM），繼續(xù)對(duì)光波長(zhǎng)（光頻譜）進(jìn)行功能增強(qiáng)的波長(zhǎng)交換與調(diào)度，即可重配OADM（ROADM）。至2010年前后，波長(zhǎng)交換的業(yè)界主流商用架構(gòu)演進(jìn)成為基于多個(gè) 1×N波長(zhǎng)選擇交換單元 （WSS）構(gòu)成的多維ROADM（MD-ROADM）［21，22］，每個(gè)WSS也與本地上下路的交換單元連接，進(jìn)行波長(zhǎng)的上下路（可重配）。根據(jù)本地上下路的不同實(shí)現(xiàn)方式，可以有波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（colorless）、方向無(wú)關(guān)（directionless）、無(wú)阻塞（contentionless）特性的一種或多種。CDC ROADM就是指具有全部3種特征的ROADM?，F(xiàn)階段，產(chǎn)業(yè)界主流廠商正集中力量加快CDC ROADM的研發(fā)進(jìn)程，多項(xiàng)核心技術(shù)已經(jīng)突破，實(shí)現(xiàn)商用化指日可待。CDC ROADM之后，產(chǎn)業(yè)界希望全光交叉持續(xù)向全光網(wǎng)演進(jìn)，但由于光緩存以及實(shí)用化的快速光交換陣列難以實(shí)現(xiàn)，使得全光網(wǎng)的核心技術(shù)光突發(fā)交換（OBS）和光分組交換 （OPS）技術(shù)在中短期內(nèi)難以突破［23，24］。因 此 在 全 光 網(wǎng) 真正到來(lái)前，近年來(lái)產(chǎn)業(yè)界針對(duì)中短期實(shí)用化，探索了兩條發(fā)展路徑，其中一個(gè)趨勢(shì)是波長(zhǎng)交換粒度的靈活化與精細(xì)化。目前，波長(zhǎng)交換已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于50 GHz波長(zhǎng)通道粒度的密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)和基于大于50 GHz波長(zhǎng)通道粒度的超通道（superchannel）的靈活粒度光交換。圖4描述了基于超通道的電層及光層調(diào)度，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)光譜利用率和系統(tǒng)傳輸容量。

2.4 高速光電器件技術(shù)

光器件性能、設(shè)計(jì)水平和工藝是實(shí)現(xiàn)高性能光通信系統(tǒng)的必要保障，也是整個(gè)光通信產(chǎn)業(yè)鏈的硬實(shí)力和基石。傳統(tǒng)的光器件的不同功能必須采用不同的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，由眾多分立元件組成，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、大量依靠手工調(diào)試和校驗(yàn)、生產(chǎn)效率低、價(jià)格昂貴。而光子集成技術(shù)，尤其是采用大規(guī)模半導(dǎo)體制造工藝（如CMOS）的硅光集成技術(shù)，能一舉突破器件成本、集成度和功耗的諸多瓶頸，開(kāi)始引領(lǐng)光器件技術(shù)的新一輪產(chǎn)業(yè)變革。

光子集成最初源于20世紀(jì)90年代初提出的PIC（phonic integrated circuit）技術(shù)，即采用三五族材料 （如InP）實(shí)現(xiàn)包括光源在內(nèi)的所有光器件的單片集成，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商用。然而基于三五族材料的集成光器件加工復(fù)雜、成本較高，光通信產(chǎn)業(yè)急需一種集成度更高、加工成本更低的統(tǒng)一平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的單片集成和光電集成。受到硅在集成電路中廣泛運(yùn)用的啟迪，業(yè)界從20世紀(jì)80年代開(kāi)始致力于利用硅材料實(shí)現(xiàn)光電子器件的功能，利用現(xiàn)有的CMOS工藝線進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)光電器件的Fabless（設(shè)計(jì)和生產(chǎn)分離）模式。

2004年，美國(guó)Intel公司和美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員［25，26］分別在《自然》雜志上報(bào)道了基于馬赫—增德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的GHz高速硅光調(diào)制器，開(kāi)啟了硅光研究的新紀(jì)元。2010 年，IBM［27］發(fā)布了史無(wú)前例的 40 Gbit／s的鍺波導(dǎo)型雪崩探測(cè)器，工作電壓低至1.5 V，對(duì)于低功耗的接收端應(yīng)用具有不可估量的意義。硅光關(guān)鍵器件單點(diǎn)技術(shù)的陸續(xù)突破為下一步的大規(guī)模集成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2015 年底，IBM［28］聯(lián)合美國(guó)幾所高校利用 45 nm CMOS 工藝將6 000萬(wàn)個(gè)晶體管和850個(gè)光子器件集成在一個(gè)芯片上，達(dá)到了硅光集成領(lǐng)域的新高度。目前，硅光技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并開(kāi)始在光通信系統(tǒng)上商用，典型代表是美國(guó)創(chuàng)新公司Acacia，其硅光子100 Gbit／s相干光模塊代表了硅光技術(shù)商用的最高水平。

硅光技術(shù)目前正悄悄引領(lǐng)光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的一次劃時(shí)代的技術(shù)變革，將光通信產(chǎn)業(yè)從分立器件時(shí)代帶入了自動(dòng)化、規(guī)模化生產(chǎn)的集成芯片時(shí)代，其影響力不亞于從電子管時(shí)代進(jìn)入晶體管集成電路時(shí)代給電子線路產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的巨大震撼，但硅材料本身并不是最完美的材料。目前發(fā)現(xiàn)的二維材料石墨烯用于光電器件上，相比于硅材料，在理論上能夠得到更大的帶寬、更低的驅(qū)動(dòng)電壓和更小的尺寸［29］。而且，由于石墨烯的生產(chǎn)制備可以兼容硅基CMOS工藝，因而目前的硅光技術(shù)和工藝可以進(jìn)一步移植到石墨烯器件的生產(chǎn)制備上。此外，在目前的硅光器件中直接引入石墨烯，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)成更加強(qiáng)大的下一代“超硅光”技術(shù)。

未來(lái)，硅光／石墨烯技術(shù)作為一種平臺(tái)技術(shù)，將能夠?qū)崿F(xiàn)下一代全光網(wǎng)絡(luò)的各種光交換、光路由、光邏輯、光存儲(chǔ)和光信 號(hào)處理器件［30-36］。而且，基于硅 光的量子通 信［37，38］、微波光子學(xué)［39-41］也是目前的研究熱點(diǎn)。一旦光電器件的加工技術(shù)能夠像微電子加工技術(shù)一樣不斷取得進(jìn)步，利用光子晶體和人工介質(zhì)材料的新型光電器件將在不遠(yuǎn)的未來(lái)走向?qū)嵱茫?2-44］。這些器件的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)新型的光學(xué)操控機(jī)理，完全有可能從物理上顛覆現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中的器件種類和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的大幅度簡(jiǎn)化和光通信產(chǎn)業(yè)的革命。

2.5 其他新型技術(shù)

（1）超低損光纖+拉曼放大

采用超低損耗光纖及拉曼放大器技術(shù)，可以大幅度提升高速傳輸距離。兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合可帶來(lái)4.4～6 dB的增益，使得傳輸距離可提升200%以上，大大緩解香農(nóng)極限的距離限制。

（2）C+L 傳輸波段擴(kuò)展

將傳輸通道從C波段擴(kuò)展到L波段，通過(guò)C+L兩個(gè)波段可以覆蓋接近200個(gè)50 GHz間隔的波長(zhǎng)通道。未來(lái)幾年，隨著L波段器件的工藝和性能（功率、增益）更加成熟，相應(yīng)的抑制非線性干擾（如受激拉曼效應(yīng)、交叉相位調(diào)制）的技術(shù)也更加完善，預(yù)計(jì)在光纖缺乏且很難部署新光纖的長(zhǎng)途干線上，C+L波段傳輸方案會(huì)率先少量部署應(yīng)用。

（3）非正交WDM傳送技術(shù)

所謂FTN系統(tǒng)是指載波頻率間隔小于調(diào)制信號(hào)的符號(hào)率，而在以往的正交頻譜系統(tǒng)中，載波間隔則遠(yuǎn)大于調(diào)制符號(hào)率，并通過(guò)DSP技術(shù)對(duì)串?dāng)_損傷進(jìn)行補(bǔ)償和消除。通過(guò)非正交信號(hào)處理技術(shù)，采用高符號(hào)率低階調(diào)制格式，可獲得高階調(diào)制相同的頻率效率和單纖容量，也能利用低階調(diào)制的OSNR優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離。

除此之外，一些其他的光傳輸技術(shù)，例如量子通信、軌道角動(dòng)量（OAM）和光孤子傳輸?shù)妊芯恳踩〉昧酥匾倪M(jìn)展，這些為未來(lái)光傳輸系統(tǒng)的探索提供了重要的信息和參考。

3 光纖通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力及挑戰(zhàn)

光通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自新興業(yè)務(wù)，具體如圖5所示?？v觀信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，DC云互聯(lián)業(yè)務(wù)、超寬視頻業(yè)務(wù)、5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)無(wú)疑將逐漸成為未來(lái)支撐光通信發(fā)展的主要支柱，并將驅(qū)動(dòng)光通信產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)全新的架構(gòu)轉(zhuǎn)型。

（1）DC 云互聯(lián)業(yè)務(wù)

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，導(dǎo)致傳統(tǒng)城域+干線的企業(yè)專線逐步演進(jìn)為云專線接入+DCI云干線的模式。以DC為中心的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵在于干線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)（時(shí)延、QoS），這要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單扁平，實(shí)現(xiàn)大帶寬管道光層一跳直達(dá)。

（2）超寬視頻業(yè)務(wù)

目前，視頻流量已占到通信管道流量的70%以上，隨著未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR／AR）、360°全景、高速攝影、多角度MV等新視頻技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)帶寬將呈幾何量級(jí)增加。城域NFV是適用這一趨勢(shì)的目標(biāo)架構(gòu)，可以減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模，降低建網(wǎng)成本，確保CO到vBRAS間的大帶寬、低時(shí)延以及靈活可達(dá)，滿足視頻體驗(yàn)的要求并確保了可靠性。

（3）5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)

5G技術(shù)承載了物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等各類業(yè)務(wù)，未來(lái)高頻200 Mbit／s下前傳單路CPRI非壓縮帶寬可達(dá)200 Gbit／s。且由于提供的業(yè)務(wù)種類繁多，業(yè)務(wù)的處理機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不盡相同，所以需要進(jìn)行差異化處理，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)，提供不同的網(wǎng)絡(luò)功能切片、不同的處理機(jī)制、不同的管道和QoS等級(jí)需求。

未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)在DC云互聯(lián)、超寬視頻和5G業(yè)務(wù)驅(qū)使下向極簡(jiǎn)化演進(jìn)，其核心需求就是超帶寬、低時(shí)延，并且需要網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性、業(yè)務(wù)快速發(fā)放且開(kāi)放協(xié)同。這些都將成為下一代光通信網(wǎng)絡(luò)的典型特征。

（4）超寬帶

從光通信誕生之日起，帶寬一直是其發(fā)展最內(nèi)在和最主要的驅(qū)動(dòng)力。隨著歷史的發(fā)展，通信系統(tǒng)的傳輸容量在不斷擴(kuò)大，尤其進(jìn)入WDM時(shí)代，好似半導(dǎo)體領(lǐng)域的摩爾定律，高速傳輸每4年會(huì)出現(xiàn)一次飛躍。WDM單波傳輸速率由1996 年的 2.5Gbit／s增長(zhǎng)到 2016 年的 400 Gbit／s，以 flex grid傳輸100波計(jì)算，單纖容量達(dá)到40 Tbit／s。然而，近10年來(lái)，光通信在傳輸帶寬方面的發(fā)展速度已經(jīng)明顯放緩，落后于互聯(lián)網(wǎng)流量的增長(zhǎng)速度，產(chǎn)業(yè)界正在探尋更加有效的突破性技術(shù)，各種形式的空分復(fù)用技術(shù)可能是最終的擴(kuò)容手段。

（5）低時(shí)延

未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)將圍繞數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)，對(duì)時(shí)延的要求非?？量?，比如對(duì)一家華爾街交易公司來(lái)說(shuō)，交易過(guò)程中1 ms的改進(jìn)可能意味著一年1億美元進(jìn)賬，此外，網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)r(shí)延非常敏感，根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，良好的網(wǎng)游體驗(yàn)需要少于10 ms的時(shí)延。因此，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需要光波長(zhǎng)一跳直達(dá)，由此避免了百倍的帶寬增長(zhǎng)需要百倍電層處理的惡性循環(huán)，極大地降低了時(shí)延。

（6）高可靠性

目前，電信網(wǎng)絡(luò)的安全保障建立在多種保護(hù)和恢復(fù)技術(shù)之上，包括每個(gè)功能模塊的高度可靠、1+1／1：1系統(tǒng)備份、網(wǎng)絡(luò)層面的恢復(fù)機(jī)制等。任何一種保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制的失效都會(huì)引起對(duì)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的不同程度的影響。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑將更深地滲入社會(huì)生產(chǎn)生活中，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的中斷將造成更加重大的影響，因此要求網(wǎng)絡(luò)具備更加可靠的保護(hù)和預(yù)防措施，“秒級(jí)中斷恢復(fù)”將成為網(wǎng)絡(luò)的必備功能。

（7）業(yè)務(wù)快速發(fā)放

目前，WDM端到端發(fā)放一條波長(zhǎng)業(yè)務(wù)，需要到站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)做大量的手工操作，開(kāi)通的時(shí)間為幾周到幾個(gè)月不等。在云時(shí)代，人們普遍追求實(shí)時(shí)按需提供帶寬，“分鐘級(jí)業(yè)務(wù)開(kāi)通”，實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)開(kāi)通體驗(yàn)，將是下一代光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征之一。

（8）開(kāi)放協(xié)同

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)向云數(shù)據(jù)中心演進(jìn)，以提供越來(lái)越多的有競(jìng)爭(zhēng)力的云服務(wù)，對(duì)中間的承載網(wǎng)絡(luò)提出了更高的開(kāi)放、協(xié)同的要求。不同的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間需要更多的互聯(lián)互通，進(jìn)行多點(diǎn)多域協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速匹配，并通過(guò)共享硬件資源來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

4 光纖通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的演進(jìn)趨勢(shì)

DC云互聯(lián)、超寬視頻及5G業(yè)務(wù)將引領(lǐng)光通信系統(tǒng)朝超帶寬、低時(shí)延、高可靠性、業(yè)務(wù)快速發(fā)放和開(kāi)放協(xié)同五大網(wǎng)絡(luò)特性演進(jìn)，而未來(lái)光通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展也必然與之相匹配。光通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展主要有4根主線：網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、器件、傳輸和管控。圖6描述了光纖通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的演進(jìn)趨勢(shì)。

圖6 光纖通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的演進(jìn)趨勢(shì)

4.1 骨干網(wǎng)絡(luò)

骨干網(wǎng)絡(luò)將在以下幾方面繼續(xù)發(fā)展：

· 單波速率繼續(xù)提高（100 Gbit／s／200 Gbit／s／400 Gbit／s／1 Tbit／s），性能進(jìn)一步提升；

·高維度大容量光交換及WSS的廣泛應(yīng)用；

·IP與光的協(xié)同；

·高密度光芯片集成與硅基光電子的成熟化。

4.2 城域網(wǎng)絡(luò)

城域網(wǎng)絡(luò)將在以下幾方面繼續(xù)發(fā)展：

·降低收發(fā)器的成本、功耗和體積將成為一個(gè)重點(diǎn)的攻關(guān)方向。比如，將100 Gbit／s相干光收發(fā)器做成CFP級(jí)乃至CFP2級(jí)是一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)；

· 結(jié)合簡(jiǎn)單的強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)（IMDD）和ODSP實(shí)現(xiàn)低成本單波100 Gbit／s非相干光收發(fā)器。比如，20 GHz帶寬光電器件和Poly-binary PAM-4或DMT調(diào)制的結(jié)合；

·網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化和優(yōu)化；

·企業(yè)專線的普及應(yīng)用；

·移動(dòng)承載的進(jìn)一步深入。

4.3 接入網(wǎng)絡(luò)

接入網(wǎng)絡(luò)將在以下幾方面繼續(xù)發(fā)展：

·移動(dòng)前傳與回傳的低成本解決方案；

·高容量微波傳送方案；

· 高速光纖到戶（如 100 Gbit／s PON）及銅線接入的支撐；

·現(xiàn)代企業(yè)專線；

· 數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）。

4.4 軟件定義傳送網(wǎng)絡(luò)

早期的光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，主要依托硬件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制。但經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，不同時(shí)期、不同體系、不同功能的設(shè)備共存，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的管理維護(hù)開(kāi)銷，導(dǎo)致對(duì)客戶需求響應(yīng)的緩慢，由此誕生了軟件管控技術(shù)，以提升運(yùn)維效率。光通信管控技術(shù)的發(fā)展主要分3個(gè)階段：自動(dòng)化控制、開(kāi)放化協(xié)同和物聯(lián)智慧化。

4.4.1 自動(dòng)控制化

2000年以前的SDH光網(wǎng)絡(luò)還是基于網(wǎng)管的人工管理配置系統(tǒng)。2000年后，隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，光網(wǎng)絡(luò)也開(kāi)始向IP化方向演進(jìn)（MSTP），網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大。產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始在光網(wǎng)絡(luò)中引入自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）控制平面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)資源發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、自動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)放和自動(dòng)業(yè)務(wù)恢復(fù)這4個(gè)自動(dòng)化技術(shù)，使光網(wǎng)絡(luò)成功實(shí)現(xiàn)了人工管理到自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)型和演進(jìn)。

4.4.2 開(kāi)放協(xié)同化

ASON等自動(dòng)管控技術(shù)的引入雖然從很大程度上緩解了運(yùn)維復(fù)雜性的問(wèn)題，但多域間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同依然困難重重，如跨層網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)作、網(wǎng)絡(luò)資源利用率等，尤其是面對(duì)OTT的挑戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)前的傳送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)顯得更加捉襟見(jiàn)肘。2008年，美國(guó)斯坦福大學(xué)在產(chǎn)業(yè)界首次提出了SDN的概念，啟動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)智能化的轉(zhuǎn)型。T-SDN技術(shù)的出現(xiàn)給光網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的曙光，以控制器為核心的新一代的傳送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)基本成型并被產(chǎn)業(yè)界認(rèn)可。

在SDN技術(shù)的影響下，當(dāng)前的傳送網(wǎng)絡(luò)正朝著虛擬化、開(kāi)放化的方向發(fā)展，這些SDN技術(shù)不但給傳統(tǒng)業(yè)務(wù)注入了新的活力，還能很好地匹配和適應(yīng)當(dāng)前出現(xiàn)的一些新業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求。比如典型的虛擬傳送網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（VTNS）技術(shù)，不但能夠提供點(diǎn)到點(diǎn)的虛擬專線、點(diǎn)到多點(diǎn)虛擬多播網(wǎng)、多點(diǎn)到多點(diǎn)虛擬專網(wǎng)等多種典型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，而且還能夠滿足客戶動(dòng)態(tài)按需帶寬請(qǐng)求，分鐘級(jí)在線發(fā)放以及滿足客戶自主進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維等一系列需求。目前，T-SDN技術(shù)發(fā)展迅速、產(chǎn)業(yè)環(huán)境良好，很快將實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速響應(yīng)、資源配置優(yōu)化、簡(jiǎn)化運(yùn)維和開(kāi)放第三方協(xié)同等綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管控能力。圖7描述了一種基于軟件定義網(wǎng)的新型光傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)，其致力于更佳的用戶體驗(yàn)（其中，*表示商用進(jìn)程模型）。

4.4.3 物聯(lián)智慧化

T-SDN未來(lái)的演進(jìn)需要具備對(duì)業(yè)務(wù)的深度感知。系統(tǒng)通過(guò)各種業(yè)務(wù)的流量數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)，自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化承載網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)適應(yīng)業(yè)務(wù)變化，實(shí)現(xiàn)人工智能化的T-SDN解決方案。而在連接萬(wàn)物的背后，承載網(wǎng)絡(luò)將變得更加瞬息萬(wàn)變，這對(duì)其控制管理系統(tǒng)將提出更大的挑戰(zhàn)。

（1）帶寬大

對(duì)超大帶寬的調(diào)度，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源分配的合理性造成較大的沖擊，這就要求網(wǎng)絡(luò)任何一處局部的變化，都需要從全局角度衡量，這對(duì)管控系統(tǒng)的處理能力來(lái)說(shuō)是很大的考驗(yàn)。

（2）變化頻

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)瞬息萬(wàn)變，考驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)對(duì)大量業(yè)務(wù)變化的并行處理和優(yōu)化能力以及對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)變化的預(yù)測(cè)能力。

（3）響應(yīng)快

“零等待開(kāi)通”、“零中斷倒換”將成為多數(shù)業(yè)務(wù)的普遍需求，這就要求網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)能以最快的速度對(duì)網(wǎng)絡(luò)事件進(jìn)行響應(yīng)。

（4）類型多

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)面向萬(wàn)物，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求五花八門，因此要求網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)能夠按需在線加載新網(wǎng)絡(luò)功能，考驗(yàn)軟件平臺(tái)在線編程和快速創(chuàng)新的能力。

（5）要求高

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)將如同自來(lái)水一樣重要，因此網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的中斷將造成更大的影響，因此要求網(wǎng)絡(luò)具備更加可靠的保護(hù)和預(yù)防措施。

巨大的挑戰(zhàn)意味著將孕育出更大的網(wǎng)絡(luò)變革。前沿的軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制管理技術(shù)的深度融合是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)、人工智能自學(xué)習(xí)等IT頂尖技術(shù)普遍應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)，將使管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從執(zhí)行命令式的“智能”到自主決策式的“智慧”的質(zhì)變。

（6）管理與控制在軟件上深度融合

未來(lái)對(duì)下層物理設(shè)備的管理和對(duì)上層業(yè)務(wù)的控制將深度結(jié)合，形成一個(gè)“有機(jī)生命體”，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能的模塊化、可組裝化，各功能模塊之間通過(guò)軟件交互緊密配合。

（7）真正的網(wǎng)絡(luò)可編程

未來(lái)SDN將通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)功能組件化設(shè)計(jì)封裝以及提供全新的“面向意圖”的傳送網(wǎng)編程方式，實(shí)現(xiàn)ICT編程的融合，從而極大地降低了編程創(chuàng)新門檻，方便和鼓勵(lì)運(yùn)營(yíng)商或第三方進(jìn)行業(yè)務(wù)創(chuàng)新，共同繁榮傳送網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)。

（8）自學(xué)習(xí)與人工智能

未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)，不僅在空間維度對(duì)底層物理信息和上層網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)信息深度感知，而且在時(shí)間維度上對(duì)網(wǎng)絡(luò)的歷史數(shù)據(jù)了若指掌，通過(guò)對(duì)這些“四維”立體數(shù)據(jù)的深入分析和不斷積累的自學(xué)習(xí)，可幫助運(yùn)營(yíng)商快速準(zhǔn)確做出各種預(yù)測(cè)和決策。

（9）云計(jì)算

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)云化、并行存儲(chǔ)與計(jì)算是必然的趨勢(shì)。與此同時(shí)，“全息”軟件計(jì)算將在云化控制器中廣泛使用，保證任何服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備的故障均不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)管控，大大提升管控系統(tǒng)的可靠性。

圖7 一種基于軟件定義網(wǎng)的新型光傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)

5 結(jié)束語(yǔ)

將來(lái)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基于DC云互聯(lián)、高清視頻和5G業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)，將呈現(xiàn)出多樣化的場(chǎng)景，新型應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訴求除了帶寬，還有低時(shí)延、高可靠性、業(yè)務(wù)快速發(fā)放和開(kāi)放協(xié)同等要求。比如，自動(dòng)駕駛、觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)以及新一代視頻業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延敏感，金融和工業(yè)自動(dòng)化對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性敏感，云專線需要業(yè)務(wù)快速發(fā)放。這些都是未來(lái)電信網(wǎng)絡(luò)面臨的巨大挑戰(zhàn)，也是光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良機(jī)，因?yàn)橹挥泄馔ㄐ畔到y(tǒng)技術(shù)能夠滿足這些需求。而支撐光網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的主要核心技術(shù)包括基于4K+LCoS的多維多路WSS的下一代CDC ROADM，硅光集成技術(shù)推進(jìn)光器件／模塊的高集成化、低成本，ODSP+高波特率器件構(gòu)建的超大帶寬長(zhǎng)距傳輸技術(shù)和基于T-SDN的超強(qiáng)管控技術(shù)。

展望更遠(yuǎn)的未來(lái)，隨著科學(xué)進(jìn)步以及一系列技術(shù)難點(diǎn)的突破，未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)將逐漸發(fā)展成為一種泛在光網(wǎng)——全光網(wǎng)。首先，“光”覆蓋的范圍將進(jìn)一步加大：在設(shè)備層面，機(jī)框之間已經(jīng)是光互聯(lián)了，處理板卡之間會(huì)進(jìn)行光互聯(lián)，甚至芯片之間也會(huì)進(jìn)行光互聯(lián)；在網(wǎng)絡(luò)層面，光將會(huì)用于連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、家庭，甚至還會(huì)用于連接人和“物”。光無(wú)線將和光有線網(wǎng)絡(luò)融合，這會(huì)導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)需要管理控制的實(shí)體增長(zhǎng)多個(gè)數(shù)量級(jí)，未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的管理控制機(jī)制將更為高效和靈活。其次，“光”應(yīng)用的功能將進(jìn)一步增強(qiáng)?！肮狻边壿嬏幚韺⒏訉?shí)用化，全光子波長(zhǎng)交換將會(huì)成熟?！肮狻边€將實(shí)現(xiàn)其他更多功能，例如光AD／DA轉(zhuǎn)換、光傅立葉變換、光再生、量子通信等。各類顯示技術(shù)，如各類圖片、視頻、VR／AR 等將廣泛應(yīng)用，這些也是基于“光”，“光”顯示將會(huì)與“光”網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地融合。物聯(lián)網(wǎng)將普及，各類傳感技術(shù)將逐步成熟?？梢灶A(yù)期，光纖通信及其帶動(dòng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)將在未來(lái)的50年繼續(xù)為人類文明做出更大的貢獻(xiàn)。

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Development，challenge and opportunity of optical fiber communication system technologies

CUI Xiuguo，LIU Xiang，CAO Shiyi，ZHOU Min
Huawei Technologies Co.，Ltd.，Shenzhen 518129，China

Optical fiber communication system is one of the core supporting systems of the modern internet age.Firstly，major recent technological advances in optical fiber communication system were summarized.Then，the driving forces for its future development in the emerging cloud era，the future challenges and opportunities that it faced were analyzed.With the consideration of these challenges and opportunities，the future evolution paths in key areas such as optical fiber communication system overall network architectures，core network technologies，metro network technologies，access network technologiesand novel software-defined optical transport network technologies in the upcoming cloud erawere described，aiming to support future generations of internet，data center interconnect，internet of things and 5G mobile network，as well as the smart home and smart city initiativesmore effectively.

optical fiber communication，cloud era，optical transport network，data center interconnect，5G mobile network，smart home and smart city

TN914

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016129

2016-03-04；

2016-04-08

崔秀國(guó)（1974-），男，華為技術(shù)有限公司Fellow，主導(dǎo)華為波分 100 Gbit／s／200 bit／s／400 bit／s開(kāi)發(fā)，開(kāi)創(chuàng)同步 OTN 架構(gòu)，業(yè)界率先解決大容量OTN系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性問(wèn)題，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成OTN ASIC套片研發(fā)，推進(jìn)OTN產(chǎn)品商用化進(jìn)程，主導(dǎo)NG SDH平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

劉翔（1970-），男，博士，華為技術(shù)有限公司美國(guó)研究所光網(wǎng)絡(luò)高級(jí)專家，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，美國(guó)光學(xué)快報(bào)副主編，2016年光纖通信會(huì)議（OFC）的技術(shù)委員會(huì)主席。曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事了14年的高速光纖傳輸技術(shù)研發(fā)工作，如 40 Gbit／s／100 Gbit／s／400 Gbit／s／1 Tbit／s 傳輸。 已撰寫(xiě) 300 多篇學(xué)術(shù)論文，擁有60多項(xiàng)美國(guó)專利，曾榮獲中國(guó)國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁獎(jiǎng)兩次及華為固網(wǎng)總裁獎(jiǎng)。

操時(shí)宜（1975-），男，華為技術(shù)有限公司高端專家、傳送技術(shù)研究技術(shù)負(fù)責(zé)人，主要從事光傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究、光交換技術(shù)研究工作等。

周敏（1984-），男，博士，華為技術(shù)有限公司傳送產(chǎn)品線營(yíng)銷專家，主要從事光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)營(yíng)銷工作，目前已發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇，擁有國(guó)家發(fā)明專利16項(xiàng)。