400G標準研究及制定業(yè)已啟動，三大標準組織協(xié)作穩(wěn)步推進

 

　　隨著100Gb/s技術(shù)及標準日趨完善，國際標準化組織ITU-T、IEEE和OIF的高速傳輸標準化工作逐步轉(zhuǎn)向超100Gb/s。ITU-T SG15圍繞下一代支持超100Gb/s的 OTN結(jié)構(gòu)演進、IEEE 802.3聚焦新一代高速以太網(wǎng)速率、OIF側(cè)重超100Gb/s用模塊及芯片接口等開展研究，2013年3月IEEE 802全會上正式?jīng)Q定 400GE立項則標志著400Gb/s速率標準化工作正式啟動。參照IEEE 802.3標準常規(guī)制定周期，預計2016~2017年左右400GE制定完成，預計ITU-T SG15基于400GE客戶側(cè)信號優(yōu)先驅(qū)動的超100Gb/s OTN標準化工作同期完成，OIF在2015年年初400Gb/s白皮書完成以后預計將啟動400Gb/s光模塊和器件等標準化工作。另外，我國標準化組織CCSA 在400Gb/s標準研究與制定工作方面與國外同步，目前正在進行400Gb/s長距離傳輸、400Gb/s光模塊等相關(guān)標準化研究工作。

 

　　鑒于ITU-T和IEEE在10Gb/s、40Gb/s技術(shù)標準化過程中合作不力的歷史教訓（導致OTN容器在承載以太網(wǎng)10GE LAN 和40GE LAN接口時兼容性差），以及ITU-T、IEEE和OIF在100Gb/s傳輸技術(shù)標準制定過程中的成功合作的經(jīng)驗，三大標準組織在400Gb/s標準制定過程中保持著良好的溝通，并且不定期通過標準組織之間正式交流函的方式告知自身制定標準的進展以及與他方標準的協(xié)調(diào)問題，典型如ITU-T和IEEE對于 400Gb/s模塊的重用性、OIF和IEEE對于電域物理單通路特性的相互兼容性等。按照目前ITU-T專注400GE映射和長距離傳輸、IEEE規(guī)范客戶側(cè)接口400GE、 OIF側(cè)重400Gb/s模塊及接口等標準化范疇，400Gb/s標準將在三大標準組織的齊力協(xié)作下穩(wěn)步推進，預計2016~2017年期間400Gb/s標準將正式面世。

 

　　400G多樣化設(shè)備樣機逐步推出，現(xiàn)網(wǎng)試點驗證加速產(chǎn)業(yè)化進程

 

　　和昔日10Gb/s、40Gb/s和100Gb/s技術(shù)發(fā)展類似，400Gb/s在步入正式商用之前需要經(jīng)歷技術(shù)、市場等多維度選擇和競爭。國內(nèi)外諸多設(shè)備廠商為了盡早選擇優(yōu)勢技術(shù)方案并奪取市場先機，近兩年已逐步競相推出400Gb/s原型樣機，如華為、中興、烽火、阿朗（上海貝爾）、Ciena、Coriant、富士通等等。這些設(shè)備樣機主要采用四載波100Gb/s速率、兩載波100Gb/s來通過多子載波復用技術(shù)來傳輸400Gb/s信號，也有部分廠商直接采用單載波400Gb/s技術(shù)。另外，為了更好地兼容超400Gb/s信號傳輸并根據(jù)市場最終需求靈活選擇速率，設(shè)備樣機一般設(shè)計為靈活支持多種傳輸速率，除了400Gb/s速率之外還可支持如1Tb/s、1.6Tb/s或2Tb/s等，這在促進400Gb/s技術(shù)和設(shè)備優(yōu)勝劣汰競爭的同時也為速率更高的傳輸技術(shù)發(fā)展奠定了前期基礎(chǔ)。

 

　　國內(nèi)外主流光傳輸設(shè)備商在成功研制400Gb/s設(shè)備樣機的同時，從2012年左右開始擇機在運營商現(xiàn)網(wǎng)或?qū)嶒炇议_展試驗，典型如華為和荷蘭KPN、波蘭EXATEL等多個歐洲運營商基于不同400Gb/s技術(shù)的試驗，中興和德國電信基于多種超100G速率的試驗，Ciena和Sprint/Vodafone、阿朗和澳大利亞及歐美多個運營商、Coriant和奧地利A1/波蘭NETIA開展400Gb/s試驗等。目前國外個別運營商已經(jīng)或準備選擇400Gb/s技術(shù)承載在線業(yè)務，如法國電信選擇阿朗400Gb/s技術(shù)承載巴黎到里昂的業(yè)務、智利Telefonica擬選擇華為400Gb/s OTN技術(shù)承載數(shù)據(jù)中心互聯(lián)業(yè)務等。國內(nèi)運營商在400Gb/s新技術(shù)試點與國外比較相對滯后，2013年年底中國移動率先啟動了基于400Gb/s速率的實驗室及現(xiàn)網(wǎng)試點測評項目，華為、中興、烽火和阿朗均參與該項目，相關(guān)工作預計2014年第三季度完成，其他兩大運營商尚在籌劃之中。從未來發(fā)展來看，主流廠商400Gb/s設(shè)備樣機的成功研制和多個運營商現(xiàn)網(wǎng)試點評測之間的互動在一定程度上加速了400Gb/s技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程，這為400Gb/s技術(shù)日后競爭超100Gb/s長距傳輸首選速率創(chuàng)造了優(yōu)勢條件。

 

　　400G繼承100G關(guān)鍵技術(shù)，調(diào)制及載波存在個性差異

 

　　100Gb/s突破了原有基于強度調(diào)制、強度檢測的傳統(tǒng)傳輸技術(shù)路線，引入了相位調(diào)制和基于數(shù)字信號處理（DSP）的相干接收等新型機制，是高速傳輸技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑事件。考慮到100Gb/s近期才開始規(guī)模部署，同時兼顧未來傳輸帶寬增長節(jié)奏及需求時機、超高速光電器件和芯片發(fā)展現(xiàn)狀、單比特功耗及成本等諸多因素，400Gb/s將采用繼承100Gb/s的偏振復用、相位調(diào)制、基于數(shù)字信號處理（DSP）的相干接收、基于多種優(yōu)化算法的前向糾錯（FEC）等關(guān)鍵技術(shù)，不太可能采用實現(xiàn)機制更為復雜、基于電域或光域的正交頻分復用（OFDM）技術(shù)或類OFDM技術(shù)。因此，從技術(shù)實現(xiàn)本質(zhì)機理上而言，400Gb/s繼承了100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)并力爭重用相關(guān)器件芯片，相對100Gb/s而言并沒有引入重大技術(shù)變革。

 

　　從具體實現(xiàn)細節(jié)上來看，400Gb/s技術(shù)在調(diào)制碼型選擇和載波數(shù)量方面也呈現(xiàn)出個性差異。相對100Gb/s技術(shù)而言，400Gb/s比特速率增加了4倍，如果采用和100Gb/s類似的單載波和正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制技術(shù)，那么信號波特率將達到112Gbaud量級，這無論在電域信號處理、還是在光域信號調(diào)制都根本無法實現(xiàn)（目前光電商用化器件也就支持到28~32Gbaud左右的波特率）。因此，400Gb/s技術(shù)在繼承100G關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了增加調(diào)制階數(shù)和（或）提升載波數(shù)量的方式降低信號處理的波特率，典型如采用4載波、單載波100Gb/s速率的QPSK調(diào)制方式，采用2載波、單載波200Gb/s速率的16 QAM（正交幅度調(diào)制）調(diào)制方式等，或者采用單載波400Gb/s速率的16 QAM等調(diào)制方式。另外，考慮到軟件定義網(wǎng)絡（SDN）理念向光網(wǎng)絡延伸，基于軟件可配置或自適應的調(diào)制和多載波復用技術(shù)將有可能在400Gb/s技術(shù)中引入，也即400Gb/s信號發(fā)射端需要引入數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）功能模塊以實現(xiàn)調(diào)制碼型的靈活調(diào)整或配置。

 

　　400G譜效和距離難能兩全，方案選擇與應用場景相關(guān)

 

　　單通路傳輸速率不斷提升的目的主要體現(xiàn)在特定的頻譜資源內(nèi)實現(xiàn)更高的頻譜效率（也即每Hz頻譜每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)更高）、實現(xiàn)系統(tǒng)資源優(yōu)化管理并進一步降低單位比特成本等。傳輸速率從100Gb/s提升到400Gb/s時，單通路速率提升的同時必然要提升頻譜效率，否則單純將單通路速率提升到400Gb/s意義不大。另外，傳輸距離也是更高速率技術(shù)必須考慮的問題，也即速率提升的同時不能顯著降低可達距離，畢竟新技術(shù)的未來應用環(huán)境還將基于現(xiàn)有實際網(wǎng)絡的拓撲架構(gòu)。由于頻譜效率和傳輸距離是對矛盾體，在采用相同技術(shù)和芯片工藝等前提下提升頻譜效率的同時增加傳輸距離不太現(xiàn)實，這種矛盾在400Gb/s時代尤為明顯。因此，目前業(yè)界推出了的幾種400Gb/s主流技術(shù)方案或側(cè)重頻譜效率，或側(cè)重傳輸距離，譬如4載波、單載波采用100Gb/s速率的QPSK調(diào)制方式的傳輸距離在1000km以上，但其頻譜效率約為3.2b/s/Hz；采用2載波、單載波采用200Gb/s速率的16 QAM調(diào)制方式的傳輸距離在500~600km量級，其頻譜效率提升至4~5b/s/Hz左右；而采用單載波400Gb/s速率其頻譜效率沒有顯著變化，但由于采用單載波技術(shù)波特率提升了一倍（相關(guān)光電器件工作帶寬均需提升），傳輸距離降低到200km~300km左右量級。

 

　　從芯片和設(shè)備研制、工程設(shè)計、網(wǎng)絡運營維護等角度考慮，采用達到共識的唯一傳輸技術(shù)方案將對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅(qū)動力最大，這在40Gb/s和100Gb/s技術(shù)的發(fā)展過程中得到充分驗證。目前400Gb/s面臨的技術(shù)發(fā)展環(huán)境與昔日40Gb/s有些類似，只不過40Gb/s僅僅是采用調(diào)制碼型變化來改善傳輸距離，而400Gb/s則額外增加了調(diào)整子載波數(shù)量的維度，但400Gb/s面臨的市場環(huán)境與40Gb/s有所不同，目前及未來城域及跨區(qū)的大型數(shù)據(jù)中心等傳輸應用潛在需求很大，傳統(tǒng)干線優(yōu)先采用最高速率的傳統(tǒng)可能面臨變革。另外，雖然400Gb/s的多技術(shù)方案對于其未來產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應用帶來一定障礙，但基于多種傳輸距離規(guī)格的新型高帶寬傳輸需求將對400Gb/s的多技術(shù)方案提供有力支撐。因此，400Gb/s技術(shù)方案未來的最終選擇與應用場景密切相關(guān)，很有可能率先打破高速傳輸新技術(shù)啟動商用時單一方案一統(tǒng)天下的局面。

 

　　400G未來商用前景可期，尚存諸多不確定挑戰(zhàn)因素

 

　　新型超高帶寬應用和高速光通信技術(shù)革新等共同推動傳輸速率持續(xù)提升。雖然何種速率將在未來占據(jù)超100Gb/s技術(shù)主導地位業(yè)界尚未達成共識，但400Gb/s基于其標準化制定、技術(shù)可實現(xiàn)、可重用100Gb/s器件/芯片等優(yōu)勢近期已成為超100Gb/s最受業(yè)界關(guān)注的候選速率。首先，從傳輸網(wǎng)絡帶寬提供能力上來看，目前100Gb/s系統(tǒng)剛開始規(guī)模部署，按照思科公司2013年的預測，IP流量（傳輸帶寬主要消耗者）在未來幾年將保持大約23%的復合增長率，按此估算大約7年以后帶寬需求相對2013年增長4倍左右,也即2020年對于400Gb/s的帶寬需求和2013年對于100G的帶寬需求相當，因此至少需在2017~2018年左右啟動現(xiàn)網(wǎng)承載業(yè)務應用試點；其次，從產(chǎn)業(yè)標準及器件芯片支撐上來看，預計2016~2017年左右400Gb/s客戶側(cè)接口標準將制定完成，基于400GE客戶信號映射的新一代OTN架構(gòu)也將標準化完成，相應400Gb/s關(guān)鍵芯片和器件也將逐漸成熟。綜合考慮上述應用需求及產(chǎn)業(yè)成熟度等因素，400G未來商用前景值得期待。

 

　　雖然目前來看400Gb/s速率未來占據(jù)超100Gb/s首選商用速率的可能性比較大，但也存在很多不確定性挑戰(zhàn)因素。首先是技術(shù)方案多樣化的影響問題。前面已提及昔日40Gb/s技術(shù)生命周期短的重要原因之一就是技術(shù)方案太多，沒有形成產(chǎn)業(yè)化合力，而400Gb/s的技術(shù)方案面臨類似情形，只不過方案數(shù)量相對40Gb/s要更少一些；第二，未來傳輸帶寬的實際增長速率問題。如果網(wǎng)絡未來傳輸帶寬需求增長過快，那么按照4倍速率提升傳輸帶寬可能滿足不了增長需求，而如果網(wǎng)絡未來傳輸帶寬需求增長過慢，則100Gb/s主導的周期會加長，隨著時間推移和技術(shù)革新，大于400Gb/s的速率靈活可適配的傳輸技術(shù)將可能趨于成熟，基于400Gb/s技術(shù)的黃金期將不再重現(xiàn)。第三，400Gb/s技術(shù)成本和功耗問題。業(yè)界為了探索可商用化的100Gb/s技術(shù)進行了大規(guī)模投入，短期內(nèi)無法獲取明顯的盈利，而且廠商之間競爭加劇了利潤率的降低。因此，如果400Gb/s技術(shù)在成本、功耗和集成度等方面相對100Gb/s而言沒有取得預期顯著提升的話，短期內(nèi)很難與100Gb/s進行競爭，畢竟100Gb/s技術(shù)依然在不斷優(yōu)化和改善之中，相當于100Gb/s技術(shù)生命周期的延伸變相壓縮或者降低了400Gb/s技術(shù)的市場預期。

 

　　結(jié)論

 

　　400Gb/s借助標準化推動和技術(shù)近期可達等成為目前聚焦度最高的超100Gb/s傳輸速率。基于重用100 Gb/s關(guān)鍵技術(shù)理念及核心器件，400Gb/s技術(shù)發(fā)展較快并已研制成功采用多種技術(shù)方案的設(shè)備樣機并開展現(xiàn)網(wǎng)試驗。由于信號速率提升了4倍，400Gb/s與100 Gb/s相比而言采用了個性化的調(diào)制及載波技術(shù)，但預計不會采用復雜度更高的OFDM技術(shù)，目前已出現(xiàn)四載波QPSK、兩載波16-QAM和單載波16-QAM等多種典型方案，這些方案均無法實現(xiàn)頻譜效率與傳輸距離的完美匹配，只能根據(jù)應用場景特點選擇相對優(yōu)勢方案。綜合考慮未來帶寬需求及高速傳輸產(chǎn)業(yè)成熟進度等，400b/s技術(shù)未來商用前景非常值得業(yè)界期待，但同時也存在諸多不確定性，預計到2016年左右400b/s技術(shù)的市場定位將趨于清晰。