隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)寬帶、DC等的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。2012年9月的日內(nèi)瓦IEEE全會(huì)上,在包括華為在內(nèi)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)合推動(dòng)下,IEEE成員單位達(dá)成共識(shí):選擇400GE作為100GE之后的下一代以太網(wǎng)速率,從而正式開(kāi)啟400GE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。但從互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)流量看,400G速率仍然不能滿足未來(lái)帶寬的持續(xù)增長(zhǎng),因此Tbit/s量級(jí)的傳輸需求一定會(huì)到來(lái),這也將成為400G之后下一代光傳送技術(shù)要面臨的巨大挑戰(zhàn)。
超100G高速光傳輸面臨挑戰(zhàn)
當(dāng)前的100G WDM/OTN商用系統(tǒng)能提供8T(C band SE=2)的傳輸容量,預(yù)計(jì)在2015/2016年開(kāi)始商用部署的400G WDM/OTN系統(tǒng),能提供16T到20T(C band SE=4-5)的傳輸容量。而Tbit/s量級(jí)WDM系統(tǒng),則需要提供約40T(C band SE=6-10)的傳輸容量,并實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000km的無(wú)電中繼傳輸才有價(jià)值。
當(dāng)前,光纖的傳輸容量(考慮傳輸距離需求)已經(jīng)逼近信道的香農(nóng)極限,香農(nóng)理論決定了系統(tǒng)的頻譜效率越高(容量越大),信號(hào)無(wú)誤碼傳輸需要的信噪比就越高,而過(guò)高的信噪比需求會(huì)導(dǎo)致光傳輸距離急劇減少。而且,在WDM系統(tǒng)中,光纖的非線性效應(yīng)也對(duì)入纖的信號(hào)功率有限制(不能夠無(wú)限提升發(fā)射光功率),進(jìn)而限制了信噪比,壓縮了提升頻譜效率的技術(shù)空間。針對(duì)400G和Tbit/s量級(jí)速率,如何實(shí)現(xiàn)高頻譜效率(大容量)、長(zhǎng)距離、低成本的傳輸是高速光傳輸面臨的最大挑戰(zhàn)。
Flex 2T光傳輸解決方案應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
從理論限制、光電器件與材料、工程工藝技術(shù)的綜合發(fā)展來(lái)看,以太網(wǎng)速率不太可能再像以前一樣按照10倍遞增的速度發(fā)展,在400GE之后,以太網(wǎng)速率會(huì)進(jìn)一步演進(jìn)到Tbit/s量級(jí)是業(yè)界的共識(shí),但具體是1Tbit/s、1.6Tbit/s、2Tbit/s、4Tbit/s,目前還沒(méi)有定論。綜合來(lái)看,400GE之后最有可能的是1.6TE(低于4倍遞增缺乏競(jìng)爭(zhēng)力,10倍遞增技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在巨大難度,4倍可能是最佳的選擇)。考慮OTN以及FEC開(kāi)銷之后,波分側(cè)速率為2T左右,并且超100G高速光傳輸技術(shù)不是一個(gè)單一的光模塊技術(shù),而是一系列光電、管控技術(shù)的集成。因此,華為提出具備集中傳送控制器的Flex 2T高速光傳輸解決方案。
華為Flex 2T光傳輸解決方案具有“彈性管道”、“即時(shí)帶寬”、“編程光網(wǎng)”三大特性,可使傳統(tǒng)的“啞管道”變?yōu)橹悄芄艿馈?/p>
剖析Flex 2T五大關(guān)鍵技術(shù)
Flex 2T光傳輸解決方案具有Flex TRx及iODSP/FEC、Flex ROADM、Flex OTN、集中傳送控制器、新型光放大器與新型光纖五大關(guān)鍵技術(shù)。下文將詳細(xì)闡述。
關(guān)鍵技術(shù)之一:Flex TRx及iODSP/FEC
傳輸速率越來(lái)越高,在滿足傳輸距離的基礎(chǔ)上,單個(gè)波長(zhǎng)已經(jīng)無(wú)法支持Tbit/s量級(jí)長(zhǎng)途傳輸。未來(lái)的Flex Tbit/s量級(jí)光傳輸將采用多子載波模式,通過(guò)在發(fā)射端采用DAC/iODSP/FEC encoding,接收端采用ADC/iODSP/FEC decoding,用一套硬件、軟件控制提供多種編碼調(diào)制/FEC模式,靈活適配多種應(yīng)用場(chǎng)景。
傳統(tǒng)的Transceiver適用場(chǎng)景單一,而Flex Transceiver(以下簡(jiǎn)稱Flex TRx)僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件配置,即可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)情況,實(shí)現(xiàn)速率可變、帶寬可變和傳輸距離可變,對(duì)光層帶寬資源進(jìn)行合理優(yōu)化分配,實(shí)現(xiàn)流量的精細(xì)化運(yùn)營(yíng)。Flex Transceiver的靈活特性可以通過(guò)控制子載波數(shù)目、子載波波特率、子載波的調(diào)制格式和iODSP功能模塊/FEC類型與開(kāi)銷等實(shí)現(xiàn);可基于e-OFDM、e-Nyquist WDM等載波復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波數(shù)目的按需配置;可基于時(shí)鐘自適應(yīng)的ADC/DAC時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)從低到高的多個(gè)符號(hào)速率調(diào)整;可基于動(dòng)態(tài)星座圖映射和多電平IQ調(diào)制實(shí)現(xiàn)xPSK和xQAM多種調(diào)制格式的任意組合及切換。
與Flex 的TRX技術(shù)相適配,發(fā)射端iODSP可進(jìn)行信道預(yù)失真、波形預(yù)加重、調(diào)制器帶寬預(yù)補(bǔ)償、光纖非線性預(yù)補(bǔ)償以及光譜預(yù)整形的綜合處理來(lái)提升光系統(tǒng)的傳輸性能;接收端iODSP可以在電域補(bǔ)償光纖線路中的色散展寬、WSS光濾波損傷、非線性損傷,快速進(jìn)行偏振跟蹤與偏振態(tài)延時(shí)補(bǔ)償、激光器頻差補(bǔ)償和載波相位恢復(fù)等。同時(shí)基于自適應(yīng)超級(jí)FEC來(lái)實(shí)現(xiàn)硬判決、軟判決、軟&硬混合判決譯碼、實(shí)現(xiàn)從低到高FEC開(kāi)銷的自動(dòng)配置與前后級(jí)聯(lián),實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需求和功耗需求配置FEC譯碼參數(shù)。
iODSP/FEC最關(guān)鍵的一點(diǎn)是具備ASIC芯片的動(dòng)態(tài)功耗管理功能,在滿足網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)際需求的情況下,可基于網(wǎng)絡(luò)鏈路的實(shí)際需求打開(kāi)或者關(guān)閉功能模塊,并配置算法參數(shù),以此調(diào)整芯片運(yùn)行功耗,最大程度減少能耗需求,實(shí)現(xiàn)綠色網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵技術(shù)之二:Flex ROADM
在傳統(tǒng)DWDM技術(shù)中,各種分合波器件如Mux、Demux、WSS、ROADM等都是基于固定的帶寬柵格(Grid)定義,如50GHz/100GHz;而在Flex Terabits光網(wǎng)絡(luò)中,為了支持新型超高速數(shù)據(jù)傳輸并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,系統(tǒng)根據(jù)各信號(hào)需要的頻譜分配不同的帶寬(如37.5GHz、50GHz、75GHz、100GHz、125GHz等),并以一個(gè)較為精細(xì)的步長(zhǎng)(如12.5GHz、6.25GHz等)進(jìn)行間隔調(diào)整。因此,在Flex Terabits光網(wǎng)絡(luò)中,所有的分合波器件與模塊(含WSS、ROADM)需要能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配,其分配的帶寬不再根據(jù)現(xiàn)有的ITU-T DWDM標(biāo)準(zhǔn)中定義的固定柵格,而是根據(jù)動(dòng)態(tài)帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髞?lái)調(diào)整和分配。
關(guān)鍵技術(shù)之三:Flex OTN
傳統(tǒng)的OTN通過(guò)GMP技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)TDM/IP等多業(yè)務(wù)的封裝和承載,但隨著業(yè)務(wù)速率的提升,基于固定速率OTUk接口的映射、封裝、成幀處理已經(jīng)不能滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)超寬帶和靈活可配置帶寬的需求,且不同的OTUk需要不同的硬件與之對(duì)應(yīng),也無(wú)法與具備可軟件編程的光物理層單元相適配。
華為提出了靈活光傳送網(wǎng)(Flex OTN)整體解決方案,在客戶側(cè)定義靈活的客戶封裝容器,滿足任意多樣化業(yè)務(wù)、超大顆粒業(yè)務(wù)承載需求,在線路側(cè)定義靈活的線路傳送速率,滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)光頻譜帶寬資源的精細(xì)化運(yùn)營(yíng),提供端到端彈性傳送管道,提高整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。
Flex OTN主要由服務(wù)層和傳送層構(gòu)成。服務(wù)層面向業(yè)務(wù),通過(guò)提供低階ODUFlex可變封裝容器,根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)大小靈活映射封裝,滿足任意業(yè)務(wù)承載需求。傳送層面向光物理資源,提供階梯可變線速接口OTUCn,OTUCn為n倍100G速率(n可變),根據(jù)實(shí)際光物理資源進(jìn)行最優(yōu)配置。例如,其可根據(jù)需求,提供200G、300G、…、n*100G等系列多等級(jí)靈活速率線路接口,引入Flex OTN,使得OTN可與可編程光線路完美結(jié)合,既擴(kuò)展了OTN的靈活性,又與現(xiàn)網(wǎng)兼容。Flex OTN的引入不會(huì)帶來(lái)OTN體系大的變化和硬件成本提升,很好地滿足了對(duì)未來(lái)多業(yè)務(wù)靈活、高效率的承載,同時(shí)又能夠滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)光頻譜帶寬資源的精細(xì)化運(yùn)營(yíng)需求。
關(guān)鍵技術(shù)之四:集中傳送控制器
可編程傳送控制器通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層的控制接口,提供跨多設(shè)備形態(tài)的統(tǒng)一控制,實(shí)現(xiàn)從動(dòng)態(tài)云業(yè)務(wù)到基于Flex硬件的彈性管道端到端統(tǒng)一控制;通過(guò)與應(yīng)用層的開(kāi)放式API,使應(yīng)用可以驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò),快速即時(shí)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)可編程化的光網(wǎng)絡(luò), 滿足用戶動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性以及個(gè)性化服務(wù)需求;通過(guò)集中式的控制理念,使業(yè)務(wù)多層流量疏導(dǎo)更加智能、可控,全網(wǎng)資源利用率得以最大化提升,業(yè)務(wù)端到端質(zhì)量得到有效保證。這種基于集中式管理、標(biāo)準(zhǔn)化控制以及開(kāi)放式API的軟件定義管理方式,使傳送網(wǎng)從啞管道轉(zhuǎn)變成智能管道,管道作為業(yè)務(wù)的一部分為運(yùn)營(yíng)商提供“OaaS”增值服務(wù)(Optical as a Service)。
可編程傳送控制器主要包含兩層:物理網(wǎng)絡(luò)控制層及南向接口,抽象網(wǎng)絡(luò)控制層及北向接口。通過(guò)南向接口,物理網(wǎng)絡(luò)控制層從網(wǎng)絡(luò)中收集并維護(hù)拓?fù)湫畔⒓癟E信息,并對(duì)物理傳送網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的建立、修改、刪除、光層性能監(jiān)控與調(diào)測(cè)等配置;同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)建立的連接進(jìn)行維護(hù)。抽象網(wǎng)絡(luò)控制層可以對(duì)傳送網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行抽象,向應(yīng)用層隱藏傳送網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部細(xì)節(jié);同時(shí),向應(yīng)用層提供開(kāi)放接口,使應(yīng)用層可以根據(jù)應(yīng)用需求,使用傳送網(wǎng)絡(luò)資源。在抽象網(wǎng)絡(luò)控制層中,運(yùn)營(yíng)商根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,可在傳送網(wǎng)控制器上開(kāi)發(fā)和安裝相應(yīng)的控制插件,適配不同的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的不同需求。典型的網(wǎng)絡(luò)控制插件如業(yè)務(wù)路徑計(jì)算插件、虛擬化控制插件等。
關(guān)鍵技術(shù)之五:新型光放大器與新型光纖
超100G高速光傳輸系統(tǒng)主要受功率/損耗和OSNR限制,考慮到長(zhǎng)距離傳輸需求,先進(jìn)的二階、三階拉曼放大器,以及新型光纖等成為業(yè)界的關(guān)注點(diǎn)。
相比傳統(tǒng)商用的摻鉺光纖放大器(EDFA),拉曼光放大器(Raman OA)和相位敏感型放大器 (PSA)具有更低的噪聲指數(shù),是未來(lái)通信系統(tǒng)中低噪聲放大的重要光放技術(shù)。PSA的小信號(hào)增益大,噪聲小,并可以實(shí)現(xiàn)相位再生,這些特性使得PSA對(duì)于未來(lái)的1T+系統(tǒng)較有吸引力。但是PSA的應(yīng)用仍然面臨很多困難,比如偏振敏感、多波長(zhǎng)工作困難,帶寬受限,伴隨四波混頻等問(wèn)題。相比PSA,Raman OA技術(shù)則成熟很多,并已經(jīng)在商用DWDM系統(tǒng)中使用。而現(xiàn)階段分布式Raman OA和EDFA相結(jié)合的Hybrid光放大器正受到業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注,它具有比Raman OA更高的增益,比EDFA更低的噪聲指數(shù),結(jié)合二者各自的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又平衡了相應(yīng)的缺點(diǎn)。
但是,目前商用的拉曼放大器在增益、安全、OAM、成本等方面,仍然不如EDFA,因此研究開(kāi)發(fā)滿足Tbit/s量級(jí)傳輸?shù)男滦透咴鲆妗⒌统杀?、安全的高階拉曼放大器勢(shì)在必行。
現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)大多基于G.652/655 SMF光纖,為了適應(yīng)諸如1T+等高速傳輸系統(tǒng),研究者正致力于開(kāi)發(fā)具有大有效面積/低非線性、低損耗、擴(kuò)展傳輸窗口等特性的新型光纖,以改進(jìn)非線性容限并降低損耗,這樣可以提高系統(tǒng)的入纖功率,繼而延長(zhǎng)傳輸距離。舉例而言,基于低折射率包層摻雜或光子晶體結(jié)構(gòu)的純硅纖芯光纖(PSCF),相比SMF具有更低的傳輸損耗,實(shí)驗(yàn)證明其抗非線性性能也優(yōu)異。除了折射率引導(dǎo)光纖之外,還有空芯光子帶隙光纖、多模多核光纖等也是業(yè)界目前研究的熱點(diǎn),目前還在學(xué)術(shù)研究階段。
可見(jiàn),華為Flex 2T解決方案將引領(lǐng)高速光傳輸向數(shù)字化、軟件化方向發(fā)展,構(gòu)建可變帶寬光網(wǎng)絡(luò),滿足未來(lái)不同業(yè)務(wù)的快速部署、帶寬的按需分配、網(wǎng)絡(luò)的易維易管等要求,能夠靈活承載不同速率的業(yè)務(wù),幫助運(yùn)營(yíng)商有效降低TCO,提升盈利水平。
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