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标题: 未来全光网络架构及关键技术设想 [打印本页]

作者: vdianwang 时间: 2024-9-8 19:18
标题: 未来全光网络架构及关键技术设想

光网络为数字世界提供了超宽带、大容量、低时延的联接底座。从20世纪80年代语音通信，到现在以视频为代表的宽带通信，固定网络的发展历经5个代际。2024年是F5G-A（俗称F5.5G）元年，适逢AI催生的各种应用及3D显示产业方兴未艾，以OpenAI为代表的AI大模型技术突破带来大量AI集群建设和全新应用，以Apple Vision Pro为代表的沉浸式3D显示技术将大规模产品化上市。同时，巨大的算力、运力对全光底座需求迫切，作为数字基础设施底座的光通信网络面临空前的机遇和挑战，呼吁架构及关键技术的突破，主要包括以下3大方面：

骨干网：为满足东数西算等DC流量持续增长的需求，单通道速率和系统容量提升仍是主要演进动力。
城域网：随着业务流量方向变化，从传统的南北向网络架构演变为以云为中心的低时延高品质T型网络架构。
接入网：随着3D应用进入家庭，AI大模型技术进入端侧，演进方向将从单纯的带宽提升，转变为大带宽加高品质体验。

骨干网络架构：单通道速率和系统容量持续演进

容量提升是骨干网代际演进的主要驱动力，AI技术的爆发式增长进一步推动了骨干网络传输容量需求。目前来看，继续提升骨干联接容量有三个方向：持续提升单通道速率，继续拓宽频谱，向SDM系统演进。

方向一：持续提升单通道速率

提升单通道速率一直以来是提升骨干容量的主要方式。从相干100Gbps@50GHz演进到400Gbps@150GHz，频谱效率提升了33%，容量提升了33%。同时单通道速率提升也伴随着持续降低比特成本/功耗的需求。为满足这些需求，单通道速率将朝着相干1.6Tbps@400GHz演进。因逼近香农极限，频谱提升难度越来越大，需在算法、器件的持续创新上有所突破。当前面临的技术挑战如下：

高调码型和算法优化提升频谱效率： 1.6Tbps@400GHz的频谱效率为4bit/Hz，相对400Gbps的2.67bit/Hz频谱效率要提升50%，调制码型将从QPSK变为CS16QAM，同时要覆盖骨干长距离传输，对码型设计和算法优化提出了更高要求。
400G波特器件：如果基于单激光器实现相干1.6Tbps, 将需要接近400G波特的器件，如AD/DA，调制器和PD。虽然当前业界研究已能实现250G波特左右的调制解调，但与400G波特仍有差距。
高集成度超通道技术：受限于器件工艺，波特率的提升难度越来越大，实现单通道1.6T的另一条路线是基于2波800G或4波400G的多通道集成。多通道使用相对低带宽的器件，但对光子集成技术提出了更高要求，需要解决相对频率控制、多通道器件良率提升、能否用更少原料、box及基板翘曲等问题。

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[size=0.875em]2030全光网络架构

方向二：继续拓宽频谱

系统容量等于单通道速率乘以系统通道数，通过拓宽频谱增加通道数是光系统容量演进另一个重要方向。C120 + L120系统相对C80系统频谱增加了2倍，结合单通道速率提升使系统容量从相干早期8T增加到当前的32T。C+L波段之外，S和U波段是潜在可继续拓宽的频谱。然而S和U波段所需的光电器件尚不成熟，如新波段的可调激光器、PD和光放大器，另外调制器和收端混频器也是波长敏感的，需要重新研究设计。引入S和U波段还会增大系统的受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）非线性效应，劣化C+L波段的传输性能，增加了系统设计和运维复杂度。这些挑战都需要学术界和产业界的进一步研究和投入，即使最终成功，系统容量只能实现翻倍，此方案投入产出比较低，很难进行长期演进。

方向三：向SDM系统演进

由于前述两种方案的技术挑战越来越大，骨干网向SDM系统演进成为必然，且迫切度越来越高。60年前提出的SDM概念，在最近十几年学术界开展了大量关键技术研究，也取得了一定成果，但产品化道路仍有如下问题悬而未决：

学术研究为SDM提出了多条技术路线，包括弱耦合多芯、强耦合多芯、多纤对、少模、多模和OAM，多条路线各有优缺点，最终路线尚未明确。
SDM可能由多种光纤介质承载，包括G.652、G.654或者空芯光纤。
系统架构是先WDM后SDM，还是先SDM后WDM，尚未明确。
SDM的通道数也存在多种可能：2通道、4通道、……

经过分析，华为认为多纤对和弱耦合光纤是目前技术成熟度最高的两种路线。前者基于成熟单模光纤并行设计，后者的串扰度较其他方案更低并且拉制工艺已经取得了突破。基于分析研究，华为认为SDM走向产业化还需要突破如下4个基本概念并达成共识。

第一，兼容的系统架构。WDM系统是骨干光网过去成功的关键， SDM系统能够兼容WDM系统是其商用的前提。SDM和WDM复用维度不同，需要详细设计兼容方式，建议采用先波分后空分方案，如此便可以通过结构简单的器件实现对现有波分系统的兼容，涉及的器件主要包括WDM/SDM复用器件、光放、光交叉、扇入/扇出（FIFO）等器件。采用此方案，需同时支持多纤对和弱耦合多芯两种技术路线。多纤对方案基于已有光纤进行并行设计，适合现有光纤网络升级；多芯光纤需要重新铺设光缆，更适合全新铺设光纤的网络。也有可能在现有单模光纤基础上铺设新的多芯光纤，形成混合的SDM网络。从光纤类型看，SDM系统需支持单模光纤和空芯光纤。近年来空芯光纤由于其低非线性、低色散、低时延等特性而备受关注，未来可能成为颠覆性光纤技术。

第二，极简的管理系统。增加复用维度的同时不增加网络管理复杂度，是产品化必须考虑的另一个重要问题。华为认为，在SDM系统引入了空间维度的前提下依然可对 SDM系统进行类WDM（ WDM-Like）的网络管理，是管控技术的主要关注点与突破点。传统的WDM系统、多芯SDM系统和多纤对SDM系统均由同一个网管系统对OTU端口、波长、纤芯进行统一管控，其中涉及的相关技术包括网络资源池化（建立OTU端口资源池、波长资源池、光纤纤芯资源池等，实现多系统的资源共享）和NaaS API等。

第三，高集成度的系统架构。有限机房空间对网络设备的集成度提出了要求，能否实现提升系统容量的同时设备体积不变，对SDM产品化至关重要。从系统分解角度看，提升SDM集成度需要优化设计光模块、光放、光交叉、FIFO等器件体积。光模块的波特率提升终将会遇到瓶颈，超通道光模块支持更高端口速率可能导致技术变轨，其技术挑战同样要解决前面提到的相对频率控制、多通道器件良率提升、能否用更少原料、box及基板翘曲等问题。光放大器集成度提升的挑战主要有：稀土元素多组分掺杂实现一体化宽谱放大、高功率低成本泵浦支持多路放大、高集成低损耗的多通道无源器件。光交叉的挑战在于空间维度的增加对高维度OXC提出要求，对128维+的高维WSS挑战很大，需要OXC架构创新。SDM系统的光连接还需考虑多芯光纤与单模光纤、多芯与光模块直接连接的技术挑战。

第四，通感安全等融合应用。SDM除了支持大容量通信以外，可以探索更多的应用场景。比如，近年兴起的分布式光纤传感，量子秘钥分配（Quantum key distribution, QKD）等技术将光纤的应用场景极大扩展，实现通感加密融合应用。SDM的多个空间通道可以兼容通信扩容和通感，安全一体的应用，例如4芯系统中，1芯用于传统光通信传输，2芯可以用于QKD的量子通信和秘钥协商，另外1芯可以用于分布式光纤传感。

城域网络架构：以云为中心的低时延高品质网络

AI对算力的巨大需求，将使城域网络流量模型发生变化，从过往的南北向为主，转变为东西结合南北的T型模型，流量走向从用户到用户转变为用户到云为主。同时AI、VR、智能制造等业务对带宽和时延提出了高要求。城域网络架构要实现一跳入云、AZ之间超低时延，以满足用户对高品质体验的需求。传统的逐跳转发、多环堆叠架构的老旧网络无法满足需求。为实现全光城域网络架构大带宽低时延要求，需依靠全光互连、细粒度OTN（fine grain OTN , fgOTN）、光层数字化等关键技术。

全光互连
[size=1em]把城域接入环的波长资源通过全光交叉进行统一管理，各环共享光纤中的波长资源，可以实现各环波长资源灵活调节，应对各环之间网络流量的不均衡。同时依托于全光交叉，免光电转换，支持超低时延一跳入云。
fgOTN
[size=1em]将OTN技术下沉到网络边缘和客户边缘，为业务提供硬管道，具有硬隔离、高安全的特性，同时可以支持单通道速率持续演进和无损快速调整带宽，满足业务带宽增长和不同业务灵活带宽的需求。另外fgOTN硬管道提供确定性时延，为高品质行业客户提供确定性体验。
光层数字化
[size=1em]将光性能可视扩展到光网络边缘。流量方向转变为以云为中心确定性模型，为光网规划和运维提供了条件。基于数字化光层技术，对光层进行精确建模，实现光网可视化，支持规划阶段精准业务开通，运维阶段智能定障，高可靠ASON快速业务恢复，结合运营App，实现网络运维变现。

接入网络架构：大带宽和高品质体验

光接入网技术演进路线为： PON—> GPON—> 10GPON—> 50GPON—>Beyond 50GPON，为接入用户提供大带宽网络。面向未来，随着新业务（AI/AR/VR/全息）和新应用（智能制造）兴起，不仅要求接入网有更高带宽，例如8K VR需要约2Gbps带宽才能带来高品质体验，也对时延、抖动和安全隔离都提出了更高要求，例如工业制造对时延及抖动有μs级的确定性需求。同时，垂直行业存在多张业务网络统一承载的诉求，且逻辑上要保持严格隔离，以满足各业务网服务等级协议（SLA）的要求。因此未来光接入网除了带宽继续提升到Beyond 50GPON，还将从尽力而为走向差异化服务，实现品质可保障。对于钻石级业务（如高端别墅），提供确定性带宽、确定性时延/抖动、高可靠性；对于银级业务（如公寓）提供确定性带宽、亚ms级时延/抖动；而铜级业务（如乡村地区）价格较低，则按需分配带宽、ms级时延/抖动。

为满足Beyond 50G的大带宽和低延时需求，有以下三种潜在的技术路线。

直调直检
[size=1em]直调直检方案是当前代际技术的继续演进，它能提供TDMA机制，支持低成本P2MP接入，但无法提供确定性时延。该方案依赖更高带宽的光电器件，而且直检方案带宽每提升1倍，接收机灵敏度下降3dB。带宽提升还将导致更大的色散代价，为了重用ODN网络，发射功率要求比10GPON高出很多，对高功率激光器挑战极大。
波分/频分+直检
[size=1em]利用多波长实现FDMA/WDMA，以单独频率/波长实现独立的P2P高品质接入，使用户时延/抖动达到微秒量级。该方案对功率预算的要求低，但是需要ONU配备可调激光器。接入网对成本高度敏感，低成本可调激光器是主要技术挑战。
相干方案
[size=1em]相干可以基于数字子载波技术，同样实现P2P高品质接入，保证硬隔离的确定性时延。相干可以用低带宽器件和高调实现高带宽，且接收灵敏度更高，可以满足ODN的功率预算要求。不过，它需要成本敏感的 ONU配备本征激光器，同样对低成本激光器提出了要求。

展望2030，AI大模型、沉浸式3D等领域的突破性变革对未来全光网络架构提出了更大带宽和更低时延的需求。体系化全光网络架构将依赖于骨干网、城域网、接入网相关的关键技术突破，从而支持飞速发展的海量数字产生的互联要求。华为相信，全光网络架构将推动数字化、智能化更深入人们的生活，成为支撑数智世界互联的坚实底座。

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