高速光传输技术及标准化进展
以下文章来源于信息通信技术与政策 ，作者赵文玉
1 引言
自20世纪70年代光纤传输损耗显著降低、常温工作半导体激光器发明以来，光纤通信逐步成熟并借助超大传输容量、超长传输距离等优势逐渐成为有线传输的主要技术。随着4G/5G、移动/固定互联网、数据中心互联、云网融合等诸多应用和业务的发展，超大容量、超低时延、灵活调度、低功耗和低成本等承载需求特性凸显，业界多维度探索解决方案并取得阶段性进展，高速光传输技术持续革新演进，如基于多阶调制解调、数字相干接收、超低损光纤、低噪声放大、波分/空分复用、前向纠错等多种光域和电域技术的协同，进一步提升传输速率、容量和距离等。此外，伴随着高带宽业务和应用流量流向需求的变化，高速传输新型技术的优先应用场景已经从传统相对高端的干线网络逐渐扩展到城域和数据中心等场景并发应用，相关标准化工作变得愈发重要。目前，ITU-T、IEEE、OIF等国际标准化组织均在同期开展 100 Gbit/s及以上速率标准的研究制定，部分技术内容存在共性竞争，已成为产业界关注的焦点之一。光传输网络已成为信息通信基础设施的关键组成，在5G、数据中心等新基建的部署过程中至关重要。
2 技术及应用现状
光传输技术经过多年的发展、革新与演进，商用化单通路传输速率已由最初的数百Mbit/s发展到目前的100 Gbit/s及以上，典型如200 Gbit/s和400 Gbit/s，单纤基于WDM（波分复用）技术的商用化典型传输容量也达到了20 Tbit/s量级，光传输网络拓扑也由最初的点到点演进到环形和网状结构，基于ROADM（可重构光分插复用器）等节点结构实现全光传输的组网也得到初步规模化应用。受数字化社会新型宽带业务和应用持续发展驱动，高速光传输目前正在沿着单通路更高速率、扩展更多传输波段、采用空间复用等多种途径增加系统传输容量。
2.1 单通路传输速率
光传输系统实现扩容的途径之一就是基于技术革新不断提升单通路传输速率，也即尽可能提升频谱使用效率。自光纤通信技术实用化以来，光传输系统线路侧单通路传输速率主要包括数百Mbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s、100 Gbit/s、200/400 Gbit/s及以上不同速率粒度。其中，小于40 Gbit/s速率采用的是强度调制、强度检测的方案，高于40 Gbit/s速率采用的是多阶组合调制、相干接收检测的方案，40 Gbit/s速率是两者兼而有之，是面向高速传输技术难题进行探索的过渡性速率，相关研究为100 Gbit/s 及以上速率采用多阶调制结合数字相干接收等标志性方案特征奠定了基础。目前，100 Gbit/s是干线传输主流商用速率，200 Gbit/s 部署也已初具规模，单载波400 Gbit/s因传输距离受限等原因尚未开展规模化部署。对于速率更高的单通路超400 Gbit/s传输速率，业界基于多阶调制（n-QAM）、相干接收、偏振复用、概率整形等关键技术持续开展相关研究和试验，传输性能和距离不断优化，如基于目前商用的C波段传输窗口。在2019年OFC和 ECOC等国际会议中，报道了多篇基于1 Tbit/s速率量级的传输试验结果[1]，如基于1 Tbit/s通路速率、35 Tbit/s单纤容量传输800 km的试验，基于1.25 Tbit/s通路速率、50.8 Tbit/s单纤容量传输93 km现网光纤的试验，以及基于1 Tbit/s通路速率、41 Tbit/s单纤容量传输100 km的试验等。另外，为了进一步推进超400 Gbit/s商用速率选择并加快产业化支持能力，近两年基于800 Gbit/s传输速率量级的关键芯片研制和演示成为产业关注的热点。截止到目前，部分设备商已经成功演示了基于实时处理的相关技术试验或试验验证，如2020年上半年华为、Cinea、Infinera等设备商与合作伙伴均报道了基于800 Gbit/s速率传输能力演示或试验[2]，从公开的信息来看，关键DSP处理芯片主要基于7 nm ASIC制程，传输信号采用64QAM典型调制格式，波特率量级大致为96 Gbaud。另外，对于超400 Gbit/s传输商用速率的选择，涉及传输性能、系统兼容性、业务接口适配性、功耗与集成度、应用时机等多种因素，业界尚未达成共识，综合目前发展情况来看，800 Gbit/s预计将是未来长距离传输候选的典型速率。
随着超高宽带业务及应用的发展，原本相对较短距离高速传输接口技术特性近年来也发生了变化，但整体上仍是以强度调制和强度检测为主，如将PAM-4（4阶脉冲幅度调制）调制结合接收侧DSP处理引入到50 Gbit/s及以上速率的以太网接口。目前，业界正在开展更高速率基于PAM-n（n阶脉冲幅度调制）调制的传输能力研究[3]，相关结果将进一步推动高速短距光传输接口技术的发展。总体来看，40 km及以下距离的典型应用场景，鉴于技术成本限制等因素，未来提升的速率（如800 GE等）仍将采用以强度调制和强度接收的技术为主，短期内采用相干接收技术的可能性不大。
2.2 传输波段扩展
在WDM技术广泛应用后，尽可能扩展可用传输波段是提升系统传输容量的另外一种有效途径。目前，商用系统主要采用C波段传输窗口，在10 Gbit/sWDM系统商用之初也考虑引入L波段以增加传输容量的可行性，国内也制定了相应的通信行业标准，但因传输容量需求驱动较缓、单通路速率提升技术发展较快、系统部署相对复杂等诸多因素的影响，基于扩展传输波段以增加传输容量的方案一直没有得到主流应用。随着高带宽业务和应用的超大容量传输需求快速增长，以及单通路长距离传输技术提升速率面临的技术挑战增加等因素的影响，进一步扩展波段以增加传输容量重新引发业界关注。波段扩展的基本方案包括扩展C波段传输窗口、增加L波段传输窗口、增加S波段传输窗口等，目前基于实验室离线信号处理的扩展波段单纤传输容量达到150 Tbit/s量级[4]，其中采用了TDFA、拉曼和EDFA等多种光放大技术，传输距离达到40 km，单纤传输容量相当于目前商用C波段的7倍量级。若以目前主流商用的100 Gbit/s传输速率、50 GHz通路间隔为例，其中C波段扩展可以将常规的C波段80波扩展到96波，进一步扩展长波范围可支持到120波，相当于传输容量增加了50%，再考虑扩展到整个L和（或）S波段，则传输容量成倍增加。目前，扩展到C波段96波已具备商用条件并进行了实验室测试验证，扩展到C波段 120波、扩展到L波段和（或）S波段尚需要进一步开展标准化制定以及部分功能器件的研制开发等工作。
2.3 空分复用
空分复用（SDM）技术主要包括基于多芯光纤复用、少模复用以及两者的结合等。现有光纤传输容量逐渐逼近香农极限，随着新型高带宽流量的持续高速增长，为探求解决未来将面临的光纤传输容量危机，业界掀起了探索SDM技术研究热潮，近十年诸多研究机构和企业竞相报道基于SDM基础的光纤极限容量传输试验，其中公开报道了基于多芯和少模结合的最大传输容量已达到10 Pbit/s量级[5-6]。2020年，OFC会议上报道的SDM传输容量试 验数据达到了10.66 Pbit/s[6]，采用38芯、3模组合在C+L波段传输384个波长通路，单个空间复用通路的容量达到93.5 Tbit/s，与目前单通路系统相同谱宽的试验容量处于一个量级，相当于每增加一个空分复用维度，就额外增加了现有标准光纤的传输容量。另外，SDM光纤包层设计为与现有标准单模光纤保持一致时可利于加快商用推广，2020年的OFC会议上也报道了基于标准光纤包层尺寸的强耦合3芯复用光纤、采用C+L传输波段、传输距离达到2400 km的传输试验[7]，传输容量达到了172 Tbit/s。虽然SDM技术可提升传输容量，但现阶段仅限于实验室环境研究，商用部署条件和时机尚不成熟，相关集成光放大技术、非线性效应均衡、模式色散、复杂多维度数字信号处理、可靠性和稳定性等都需进一步研究解决，预计是面向未来十年以上甚至数十年的光纤传输带宽扩容候选技术。
3 标准化主要进展
高速光传输技术的标准化工作主要聚焦于物理接口及传输系统的关键参数规范，相关的国际标准化工作主要由ITU-T、IEEE和 OIF等组织开展，国内标准制定主要由中国通信标准化协会（CCSA）负责承担，目前聚焦的高速光传输速率主要侧重100 Gbit/s、200 Gbit/s和400 Gbit/s等，涉及高速传输标准主要包括ITU-T SG15的G.698.x、IEEE的P802.3ct/cw、OIF的400ZR、CCSA的400 Gbit/s WDM技术要求等。
3.1 ITU-T
ITU-T第15研究组（SG15）主要负责光传送和接入领域的国际标准化工作，其中SG15的课题组Q6主要承担高速传输物理层的标准制定，涉及WDM、OTN等相关物理层传输接口及系统参数的规范。在高速传输标准方面，基于100 Gbit/s速率的城域WDM 传输标准G.698.2已于2018年11月制定完成并正式发布，目前主要聚焦城域200 Gbit/s和400 Gbit/s WDM的标准化工作，相关工作于 2018年1月全会正式立项（基于G.698.2标准更新增加200 Gbit/s 和400 Gbit/s速率）。
G.698.2标准采用“黑链路”方式规范城域应用中带光放大器配置的WDM系统及其参数，也即仅规范单通路彩光接口的参数，这样便于在城域网应用中实现单通路彩光接口的横向兼容性，典型的拓扑包括线性点到点以及环形，相应参考点如图1所示[8]。
图1 G.698.2“黑链路”拓扑及参考点定义
自2018年1月ITU-T SG15全会正式立项开展200 Gbit/s和400 Gbit/s速率标准化工作以来，业界围绕200 Gbit/s和400 Gbit/s速率基本应用场景、传输调制码型等取得了一定共识，包括分别规范适用80 km和200 km ~ 450 km的应用代码，200 Gbit/s速率选择DP-16QAM（基于偏振复用的16阶正交幅度调制）和DP-DQPSK（基于偏振复用的差分正交相移键控）传输码型，400 Gbit/s选择DP-16QAM传输码型等。在2020年2月ITU-T SG15全会上，主要围绕传输波段扩展、EVM（误差矢量幅度）计算脚本改进、规范复用映射模式与新增300 Gbit/s速率，以及200 km ~ 450 km用FEC（前向纠错）机制选择等方面进行了讨论并取得积极成果，主要包括同意开展传输波段扩展讨论、继续推进EVM计算脚本优化、进一步规范复用映射模式、200 km ~ 450 km距离用FEC选择OFEC（开放FEC）等。
整体来看，ITU-T SG15在200 Gbit/s、400 Gbit/s高速传输接口标准化方面取得了一定进展，200 km ~ 450 km用FEC类型的确定也为后续的物理层接口参数规范奠定了良好基础，但目前一些关键物理层参数的定义和数值规范尚需业界协同加速推进，典型如200 G/400 G的谱偏移、EVMrms、复用映射模式，以及其他通路、复用段等关键传输光学指标等。
受5G前传容量、尤其是CRAN（集中式无线接入网）部署导致传输容量显著提升的影响，25 Gbit/s WDM目前正成为前传应用的关键热点技术。ITU-T SG15 Q6在2019年7月全会上正式立项了面向25G WDM的标准化工作（G.698.1/G.698.2/G.698.4的标准更新），其中初步计划目标为使用C波段传输、最大目标传输距离20 km、最大通路个数为20、FEC暂定RS（544514）等。经过 2020年2月SG15全会、6 ~ 7月Q6网络中间会议的讨论，除了原有立项研究内容之外，目前对于O波段WDM技术的标准化已启动讨论，预计在2020年9月SG15全会上将会讨论确定后续如何开展相关标准化工作。
3.2 IEEE
IEEE 802.3工作组主要侧重以太网物理接口的标准化工作，截止到目前已经正式发布了IEEE 802.3ba2010（40 GE和100 GE）、IEEE 802.3bm-2015（40 GE 40 km和100 GE多模光纤传输）、IEEE 802.3bs-2017（200 GE和400 GE，10 km以内）、IEEE 802.3cd-2018（50 GE 10 km以内，100 GE和200 GE多模光纤传输）、IEEE 802.3cn-2019（50 GE/200 GE/400 GE，40 km）等多个涵盖50 Gbit/s ~ 400 Gbit/s速率的以太网物理层接口。考虑到技术革新和新型更长距离应用需求，在高速以太网接口标准化方面，目前IEEE 802.3正在开展面向80 km DWDM传输的 100 GE（IEEE P802.3ct）[9]和400 GE（IEEE P802.3cw）[10]的标准化工作，以及基于50Gbaud速率的100 GE和400 GE（IEEE P802. 3cu）[11]的标准化工作。
IEEE P802.3ct、IEEE P802.3cw项目与已经发布的IEEE 802. 3cn-2019标准由IEEE 802.3最初的研究课题B10K逐步分解而来，主要聚焦以40 km/80 km传输距离为目标的50 Gbit/s、200 Gbit/s和400 Gbit/s以太网接口的标准化工作。在标准化讨论的过程中，逐步将40 km传输目标聚焦在IEEE 802.3cn、80 km传输目标聚焦在IEEE 802.3ct，2019年后半年根据100 GE和400 GE的技术成 熟度差异等将IEEEP802.3ct进一步按照速率分解为IEEE 802.3ct和IEEE 802.3cw，并在2020年2月正式获准立项。目前，IEEE P802.3ct的草案版本为D2.x版本，相关基本参数见表1，按照项目组工作计划，预计2021年9月标准将正式发布。
表1 IEEE P802.3ct草案关键参数
由于P802.3cw近期刚刚立项，再加上受到新冠疫情的影响，2020年上半年IEEE 802.3的现场中间会议均已取消，业界对于 P802.3cw的预期制定计划可能有所顾虑。目前，P802.3cw和其他项目类似已基于电话会议开展标准化工作，考虑到在2019年9月之前P802.3cw与P802.3ct尚未分拆时，已经开展了400Gbit/s 80 km传输距离的一些基本标准化工作，如确定传输码型DP-16QAM、基本参数列表选择以及关键参数EVM分析等，而且ITU-T和OIF也在同步开展400 Gbit/s 80 km传输距离的标准化工作，预计基于400 Gbit/s速率传输距离80 km量级的P802.3cw标准也将按计划完成。
目前，面向50 Gbaud速率基于PAM4调制格式的100 GE和400 GE的标准化项目IEEE P802.3cu也在正常开展，其中100 Gbit/s速率传输目标为2 km和10km，400 Gbit/s速率传输目标为2 km和6 km，目前IEEE 802.3cu的草案版本为D2.x版本，计划在 2020年年底完成制定。
3.3 OIF
OIF主要聚焦开展高速传输物理层接口、模块器件接口和管控协议接口等方面的规范工作，面对数据中心之间大容量互联的典型应用需求，OIF设立的400ZR[20]项目从2016年起主要聚焦400 Gbit/s速率至少80 km传输距离（80 km ~ 120 km）的标准化工作，目标是制定基于相干技术低成本、可兼容的400 Gbit/s实现方案。该方案主要涉及两种配置，一种是基于DWDM并结合光放大的点到点噪声受限系统，一种是基于单通路无光放大的功率受限系统，其中前一种的线路系统采用黑链路模型。OIF-400ZR-01.0 版本在2020年3月全体投票通过后已经正式发布，其中400 Gbit/s 速率信号选择的传输码型是DP-16QAM，WDM模式下通路间隔为100 GHz，波长数量为48，成帧采用类似ITU-T G.709.3 FlexO的格式，FEC采用SC（Stair Case）- FEC，OSNR容限规范为26 dB@0.1 nm。
因部分参数在OIF-400ZR-01.0版本中尚未完善规范，结合一些更长距离传输等新型应用需求，后续OIF在高速传输系统接口方面将主要围绕75 GHz通路间隔的参数规范、EVM及参数规范，以及基于更长距离或更多应用场景的ZR+定义和规范等。
3.4 CCSA
CCSA的TC6主要负责光传送网和接入网相关系统及器件线缆的标准化工作，其中WG1主要负责高速传输系统的标准制定，WG4主要负责高速光器件模块的标准制定。目前，100 Gbit/s以及以下速率的高速传输系统及模块标准已经制定完成并正式发布应用，200 Gbit/s和400 Gbit/s长距传输方面主要选择了DPQPSK、DP-8QAM、DP-16QAM进行规范，相关系统技术要求、测试方法、模块的大部分标准已经完成制定并处在报批稿阶段。另外，考虑未来更少载波、更长传输距离、更高速率的应用需求，目前 TC6 WG1和WG4正在分别开展“N×400 Gbit/s长距离增强型光波分复用（WDM）系统技术要求研究”“单波长超400 Gbit/s波分复用（WDM）技术研究”“800 Gbit/s光收发合一模块研究”等相关课题研究。
考虑到面向5G前传的大容量25 Gbit/s WDM实际应用需求，TC6 WG1和WG4也于2019年年底启动了25 Gbit/s WDM的传输系统和相应光模块的标准制定工作，预计到2021年相关标准将制定完成。
4 未来发展趋势展望
面向未来5G/6G、下一代移动/固定互联网等诸多新型应用的超高带宽、超低时延、智能灵活可控等传输需求，结合多维度的技术与应用创新，高速传输技术将持续沿着更高传输速率、更大传输容量等方向演进革新，同时将根据产业实际应用需求，融合光子集成等技术进一步提升系统集成度并降低功耗。
从单通路传输速率的未来应用和发展来看，基于单通路400 Gbit/s的WDM系统将会逐步在区域干线、城域、数据中心互联等场景规模商用，与100 Gbit/s、200 Gbit/s速率一起按承担长距传输任务。关于更高传输速率，预计以800 Gbit/s为典型的超400 Gbit/s速率将是产业界关注的焦点，预计未来两年无论是短距互联还是长距传输场景，业界均将关注和推动800 Gbit/s速率量级的关键技术可行性验证、标准规范制定等工作。
从扩展波段的未来应用和发展来看，受数字化社会发展的强力驱动，现有系统加速扩容不可避免，预计面向120波100 Gbit/s或者80波200 Gbit/s的C波段扩展（约~6 THz带宽）和（或）更多波长通路的C+L波段扩展（约~9.6 THz带宽）将会逐渐在器件功能特性逐步完善、标准制定更趋完善的支撑下步入商用，而基于S 波段的扩展将会持续研究,短期内不会商用，另外也有可能基于技术创新尝试扩展更宽的传输波段。
从空分复用的未来应用及发展来看，由于单通路速率提升、传输波段扩展等方式可在一定时期内满足流量传输的需求，SDM技术距离商用化尚有明显距离。预计未来5年左右，空分复用 SDM仍以试验研究为重点目标进行开展相关工作，继续探索多空间维度复用的传输能力极限突破，并逐步完善关键单元器件的功能性能。
总体而言，高速光传输技术继续沿着更高速率、更宽传输窗口、更多空间复用维度的方向扩展光纤整体传输容量，虽然整体技术方案仍将延续现有的相干信号处理等路线，但在多维度复杂信号处理、功耗和集成度控制、关键性能参数、线路传输及组网多维度参量智能协同或均衡等方面仍面临诸多挑战有待攻克。随着光子集成技术发展以及光电融合处理技术的革新，未来面向高速率、大容量的全光传输和组网的应用范围将进一步拓展，如日本索尼、NTT、美国Intel等公司2019年联合发起成立创新光和无 线全球联盟（IOWN）[13]启动研究面向6G等需求的全光网络架构及传输技术，这将进一步加速高速光传输技术及应用的革新与发展。
5 结束语
总体来看，目前100 Gbit/s、200 Gbit/s已成为干线传输的主流速率，400 Gbit/s速率传输在未来1~2年也将规模化部署商用，基于传输波段扩展进行传输容量扩容的方案预计在后续商用中结合单通路速率提升逐步引入，但空分复用技术预计在未来较长时间内仍处于试验研究验证的阶段，商用化部署时机尚不明朗。目前，400 Gbit/s及以下速率的高速光传输物理接口相关的国际国内标准化工作正在有序开展，大部分标准已经完成制定，更高速率以800 Gbit/s为代表的超400 Gbit/s技术的选择引发业界高度关注，而面向扩展波段的具体技术方案也面临选择和综合平衡。在后续的高速光传输相关工作中，聚焦未来发展需求并结合技术革新最新进展，协同推动选择合理的速率及波段扩展技术方案，全力支撑5G、数据中心等新基建的发展，并为6G、下一代互联网等未来潜在的传输需求探索最佳技术方案。
参考文献
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作者简介
赵文玉
中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部主任，正高级工程师，博士；CCSA ST7 WG2副组长，NGOF专线组组长，主要从事超高速光通信、光模块器件和量子信息等相关新技术研究、标准制定及测试验证等工作。
论文引用格式：
赵文玉. 高速光传输技术及标准化进展[J]. 信息通信技术与政策, 2020(8):5-11.
本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第8期
