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        中國電信韋樂平:光通信發展的新趨勢思考

        發布時間:2023-11-11 責任編輯:wenwei

        【導讀】近日,在“中國電信戰新共鏈行動大會暨第三屆科技節”之“面向云網融合的下一代光網絡新技術論壇”上,中國電信集團科技委主任韋樂平發表主題演講。


        圍繞T比特時代正在開啟,IP層和光層融合技術的發展趨勢,下一代新型光纖的發展與思考,光接入和駐地網技術的最新發展趨勢,光器件的創新是關鍵,ChatGPT開創人工智能新時代,系統闡述了光通信發展的新趨勢思考。


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        T比特時代正在開啟


        韋樂平表示,T比特DSP的商用實現了群體性突破,T比特光模塊商用化可期,T比特級傳輸系統現場實驗逐步開展,標志著T比特時代正在到來。


        DSP方面,Acacia、NEL、Nokia、Infinera、Marvell的1.2Tbps DSP,預計2023年-2024年均可商用,Ciena的1.6Tbps DSP預計2024年可商用。光模塊方面,Terabit BiDi MSA聯盟同時發布基于100G通道和OM4多模光纖的800G和1.6T的數通產品,Coherent、旭創等發布了相關產品。傳輸網方面,國內外均有運營商開展了現網試驗。


        相干光通信的在網位置和適用速率一路下沉,占據80公里/100G速率以上的所有應用場景;主導40公里/400G速率,10公里/800G速率,2公里/1.6T速率場景;低功率相干光已邁向10公里/100G速率和40公里/100G速率場景。


        相干光通信的技術進展包括DSP突破,集成化進展,低成本措施,新材料出現(如薄膜鈮酸鋰),封裝架構創新(如光電共封)等。


        目前,相干光通信已經成功應用于海纜、長途網、城域網、DCI,正滲透網絡邊緣、匯聚、5G回傳、企事業網,試圖突破5G前傳、DCN、VHSP。


        對于干線400G的主流方案,傳輸距離比容量更重要,因此QPSK(C6T)、QPSK(C6T+L6T)更適用干線網,對于16QAM-PS(C6T+L6T)更適用于區域網。


        對于基于QPSK的80波400G干線系統的技術進展,400G相干光模塊方面,分立C6T和L6T激光器可用;低噪聲光纖放大器,分立C6T和L6T可用,長波長NF需改進;波長交換WSS,分立C6T和L6T均可用,C6T+L6T集成2024年可用;光系統,解決SRS,維系波道功率動態均衡,基本可行。


        商用進展方面,韋樂平介紹,中國電信目前干線最大鏈路截面容量121T,用400G擴容可以節約15%—20%的寶貴光纖資源和大量轉發器,100G資源2026年起逐步達到使用壽命。目前來看,2024年將實現試商用和商用,2025年實現規模商用,2026年大規模商用。


        IP層和光層物理融合突破障礙


        韋樂平介紹,IP層和光層融合的好處在于,消除了大量背靠背灰光和獨立轉發器,降低了功耗、尺寸、成本。統一了IP層和光層的管控和監視,實現了光層開放。具備了跨層全局視野,可望更有效地利用兩層資源,規避無效恢復和沖突。簡化了網絡架構,易于維護,更快適應外部變化。


        IP層和光層物理融合的障礙在于,目前路由器和光線路系統的對接靠后者的大量獨立光轉發器實現,隨著速率的持續提高,這種分離方式的成本也越來越高。十幾年前的集成努力由于DSP和光模塊尺寸太大,導致犧牲路由器面板的端口容量,得不償失,運營商不得不繼續沿用分離的老辦法。


        隨著硅、硅光和DSP技術的進展,目前能將DSP和硅光模塊嵌入路由器標準端口(OSFP-DD),形成適用路由器和光線路系統的400G通用DCO光模塊,實現尺寸、功耗、性能、成本和互操作突破。適用于多種網絡邊緣接入技術(企業應用、5G回傳和中傳、OLT、CMTS等)的低成本100ZR通用光模塊(QSFP28)也即將推出。


        韋樂平表示,目前IP層和光層融合技術主要應用于城域網,干線場景還有待突破。目前的主要挑戰是多廠家環境跨層控制的標準化、互操作、利益格局的影響。另外,運營商面臨自主開發私有管控規范的自研能力、時效、運維的挑戰。


        G.654E將是未來干線主用光纖


        韋樂平表示,G.654E光纖將成為未來干線網的主用光纖。測試數據表明,對于速率將升級為400G的干線,G.654光纖可望提升距離60%—80%。


        對于單纖空分復用,多芯光纖在兼容現有125μm包層前提下,僅能容納3-4芯,擴容3-4倍,但包括制造工藝、檢測、維護等產業鏈幾乎需要重新設計和產業化。少模光纖靠大芯徑容納3—5個低階模,制造容易,但面臨高階模高衰減、長距離傳輸模式耦合干擾以及復用/去復用器挑戰。


        另外,高密度大芯數光纜(多軌系統,一纜多纖)最簡單易行,擴容潛力最大,但需要集成化系統的配合。


        值得一提的是,韋樂平還看好空心光纖(HCF)??招竟饫wHCF)絕大部分信號功率走空氣通道,時延低33%;非線性至少低3-4倍,入纖功率高,傳輸距離長,容量大,可望突破非線性香農容量極限。


        同時,空心光纖潛在光纖損耗可望低于0.1dB/km、譜寬大(約40THz窗口,遠大于常規光纖)、模場直徑大(約20μm,高達40μm時仍無明顯彎曲損耗增加)。


        不過空芯光纖也面臨著多項成本、多項標準化、仍涉及產業鏈重新設計和產業化等挑戰。


        對于空心光纖的應用場景,韋樂平介紹在特定低時延應用(超算、DCI、海纜等場景),以及非通信應用(傳感、高功率傳遞、特殊光源)等都有廣闊的應用空間。


        FTTR-H目標1億中高端家庭


        光接入和駐地網的新發展趨勢方面,接入帶寬持續提升,目前全國寬帶端口11.18億,光寬占96.3%,千兆端口數達2144萬,下一步50G PON,短期用于政企客戶2B應用,長遠沖擊100G/200G PON。


        在政策支持,競爭驅動,以及技術和生態基本成熟的驅動下,FTTR發展迅猛。韋樂平表示,初期將聚焦FTTR-H,也就是家庭場景,預計今年FTTR-H的用戶超過1000萬,長遠目標是1億中高端家庭,約500億元市場規模。


        目前FTTR還存在一些挑戰,FTTR-H方面主從設備希望解耦,新業務應用不足;FTTR-B還有待培育。


        網絡的未來寄希望于光芯片創新


        目前,全球運營商都面臨著量收剪刀差的局面。韋樂平指出,降低量收剪刀差的關鍵是大幅降低網絡成本,光通信成為降價最慢的領域,其中光器件是瓶頸的瓶頸,光芯片更是瓶頸的立方。原因在于,摩爾定律不適用以手工為主的光通信技術。


        傳輸系統方面,一個80波400G QPSK碼型的C6T+L6T波段的光傳輸系統,光器件成本大約占81%(含oDSP),800G和1.6T只會更高。


        核心路由器方面,400G核心路由器,光器件成本占15%,隨著容量提升,背板芯片互連、板卡互連都將光化,光域分量將繼續增加。


        光接入方面,隨著技術進步和大規模集采,10G PON光模塊成本占比下降至35%。未來50G PON、WDM-PON光模塊成本占比會更高。


        交換機方面,數據中心交換機的光模塊成本增速很快,在400Gb/s速率,交換機的光模塊成本已經超過交換機本身,高達50%。


        光系統對于光器件的總體要求是:高速率、高集成、低功耗、低成本。韋樂平認為,光子集成(PIC)是主要突破方向,其中磷化銦(InP)是唯一的大規模單片集成技術,硅光(SiP)是最具潛力的突破方向,可以將電域的CMOS的投資、設施、經驗和技術用在光域。


        另外,基于硅光的光電共封(CPO)是進一步降低功耗、提升能效、提高速率,適應AI大模型算力基礎設施發展的關鍵器件之一。


        韋樂平總結道,網絡的未來寄希望于光器件,特別是光芯片的技術創新。


        ChatGPT近中期主要影響DCN


        今年人工智能領域最火熱的話題就是ChatGPT。這一類AIGC大模型訓練可能需要在DC內為每個訓練POD單獨構建高速數據交換網平面。


        目前來看主要的技術要求包括高帶寬和低延遲/零丟包。高帶寬方面,服務器內GPU間總線帶寬達T比特級,服務器對外僅能提供200G×8的接入能力,是AI集群性能的瓶頸;服務器間組網,國外多采用IB,性能好,但技術封閉,國內傾向用無損以太網RoCE。


        低延遲/零丟包方面,IB時延僅1us,而無損以太網RoCE在5到10us水平,尚需努力。此外,丟包對傳輸效率影響很大,需要近零丟包性能。


        韋樂平表示,隨著多模態視頻到來,帶寬將有數量級增長,屆時對DCN和DCI的影響需重估,甚至跨群跨云的并行訓練必將到來。


        在韋樂平看來,近中期ChatGPT主要影響DCN,對DCI和電信網的影響不大,中長期光交換將是解決集群和跨群跨云訓練性能和功耗的歸宿。


        另外在數據中心領域有兩個討論比較多創新技術,包括光電共封裝CPO和線性直驅LPO,目前的爭論也很多。


        CPO技術的驅動力是隨著傳輸速率提升,信號在銅箔電路板的傳輸損耗快速增加,唯有去掉銅線,才能維系速率的持續提升和功耗的大幅降低。不過,目前技術尚不成熟,良率不高,維護不方便,標準滯后,實際將復雜性轉移至交換芯片,但其潛力大,最適合200Gb/s SerDes速率以上應用場景,是實現未來高速、高密度、低功耗光互連場景的中長期解決方案。


        LPO的驅動力在于去掉光模塊DSP芯片(大約占400G光模塊的一半)可大幅降低功耗,將DSP功能集成到電交換芯片中,依然保持可熱插拔模塊的形態??梢栽诶^續利用成熟光模塊供應鏈前提下實現低功耗、低時延目的,但面臨更高速率、更長距離傳輸的巨大挑戰,當前的100Gb/s SerDes速率應用是近中期方案。


        來源:光通信PRO



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