10年创新 为中国信息高速公路“提速”——记北京邮电大学宽带光接入与高速光传输关键技术创新团队

◎ 文/段雨默 王 鹏

10年创新 为中国信息高速公路“提速”
——记北京邮电大学宽带光接入与高速光传输关键技术创新团队

◎ 文/段雨默 王 鹏

当今时代，以信息技术为核心的新一轮科技革命正在孕育兴起，互联网日益成为创新驱动发展的先导力量，深刻改变着人们的生产生活，有力推动着社会发展。

——摘自国家主席习近平致“首届世界互联网大会”贺词

设备调测

从窄带到宽带，从有线到无线，从铜缆到光纤……一步步走过的中国互联网，正用其特有的方式改变着中国。

回顾历史，1966年，高锟先生发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的研究论文，开创性地提出光导纤维（简称光纤）可应用于通信的基本概念，一场划时代的光纤通信革命由此到来，对人类社会产生了深远影响，他本人也因此获得了2009年度诺贝尔物理学奖。

如今，有着通信速率高、中继距离长等诸多优点的光纤应用系统，已成为互联网中大容量接入与高速传输的主要解决方案。

2001年，北京邮电大学组建专门团队，开始了宽带光接入与高速光传输关键技术研究。经过多年努力，他们在动态高效光接入技术和高速高效长距离光传输技术等领域取得了多项突破，通过产学研紧密合作融入其创新技术成果的设备产品，目前已在国内外得到了规模性应用。他们用10年的创新，为“宽带中国”战略的推进，作出了自己的贡献。

光网络面临巨大承载压力

目前，全世界网民数量达到30亿，普及率达到40%，世界真正变成了地球村。

随着互联网应用的广泛普及和各种宽带业务的不断涌现，宽带业务量和互联网络流量持续快速增长，给作为信息高速公路基础设施的光网络（光网络是指使用光纤传输的宽带网络结构）带来了巨大的承载压力，主要体现在接入网的宽带接入压力和骨干与城域网的高速传输压力，二者彼此衔接，共同决定用户的“端到端”带宽提供能力。

出于对宽带网络的迫切需求与重视，2013年国务院发布了“宽带中国”战略及实施方案，明确指出，2020年我国将基本建成覆盖城乡、服务便捷、高速畅通、技术先进的宽带网络基础设施。

北京邮电大学宽带光接入与高速光传输关键技术创新团队在2001年前后进入这一领域开始相关的研究工作，当时用户业务接入主要采用铜缆接入系统设备，网络传输开始采用10Gbps（1Gbps的传输速度为每秒109比特)SDH光传输系统设备。

在国家自然科学基金重点课题、国家863计划课题、北京市科技计划课题、企业委托课题等资助下，北京邮电大学项目组历经10年的研发与应用历程，围绕多类型、高带宽、广适应的业务属性要求，提出了从光接入和光传输层面研究宽带业务承载的发展目标，通过与北京格林伟迪科技有限公司和中兴通讯股份有限公司等单位开展紧密的产学研合作，积极探索核心机理与关键技术，构建自主创新平台，掌握了支持1Gbps/10Gbps速率的以太无源光网络（EPON）光接入关键技术和支持40Gbps/100Gbps速率的大容量长距离光传输关键技术，重点解决了面向大容量挑战的光网络发展瓶颈——带宽提升技术核心问题，并形成了学术研究融入国际同步发展、“理论-技术-应用”相互促进衔接、成果转化参与国家网络建设的鲜明特色。

设备调测

动态高效光接入技术

按照网络分层的功能定位，接入网负责接入用户各种业务，其带宽大小与业务承载效率的高低对“端到端”业务的带宽提升至关重要，涉及多项关键技术。

——低复杂度编解码技术。针对高速无源光接入网中前向纠错（FEC）所面临的“以低实现复杂度/低成本实现高吞吐量、低时延译码”这一技术难题，项目组提出了一种基于并行多项式计算的10Gbps EPON FEC解码器设计方法。其原理是基于新型RS（Reed-Solomon）解码算法，采用并行计算和电路复用，一个时钟周期就能够完成一次迭代计算，解决了脉动结构校正子引入问题，并且不需要串并、并串变换电路，使得硬件实现能够满足10Gbps EPON吞吐率要求，且处理延迟很小。

——面向业务的灵活资源调度技术。不断涌现的新型IP 业务使传统接入网的行为模式与资源调度机制受到巨大挑战，宽带接入网资源必须由“被动固定指配”模式向“业务自主感知资源动态分配控制”模式转变，从而更加动态、灵活、高效地支撑上层业务，实现面向IP业务资源优化与动态管理并满足服务质量（QoS）要求。

在上述需求下，以太无源光网络系统厂商纷纷推出各自的多业务服务质量保证动态带宽分配算法（DBA），为了支持不同厂家光线路终端（OLT）、不同动态带宽分配算法，项目组提出并采用现场可编程门阵列（FPGA）设计实现了区分业务上行带宽控制和发送多组请求数据的方案。该方案既可以支持统一带宽申请方案，又可以支持区分业务带宽申请方案，解决了统一带宽申请方案下，同一时间段内、位于不同光网络单元（ONU）下的同一业务可能获得不同服务质量的不公平问题，使得各类业务在全网内获得一致的区分业务的服务质量保证，消除了光网络单元本地二次调度所带来的不同光网络单元业务之间的不公平性。

——宽带接入网核心芯片设计。项目组还按照IEEE 802.3av 10Gbps EPON标准，设计开发了10G EPON ONU芯片原型，不仅符合相关技术规范，而且具有支持灵活的深度业务识别、高效的动态带宽调度、多业务服务质量保证和支持便捷的运行管理与维护等技术优点。

高速高效长距离光传输技术

高速高效长距离光传输技术是实现超大容量光网络的关键技术，涉及复杂的调制解调技术和核心模块等，对带动相关领域内的技术发展和促进行业进步具有重要意义。

——高速矢量调制-相干接收DSP算法技术。当传输速率达到100Gbps时信道损伤对系统性能的影响非常严重。经过刻苦攻关，项目组突破了超高速偏振复用正交相移键控（QPSK）调制-相干接收的关键技术，形成了时钟恢复/色散补偿/偏振解复用联合处理机制与算法、基于训练序列的载波频偏估计算法、改进的软判决前向纠错编解码（SD-FEC）等100Gbps高速矢量调制-相干接收DSP算法技术等创新成果。

——低复杂度高速相干接收光模块。核心模块是实现自主创新的关键，尤其是高速相干接收光模块难度很大。随着对这一问题认识的逐渐深入，项目组提出了降低DSP损伤补偿算法复杂度的实现方法，提出了并行处理机制，最终与企业合作成功研制出了高性能的100Gbps PM-QPSK调制-相干接收光模块。

高速矢量调制-相干接收DSP算法技术的提出，以及低复杂度高速相干接收光模块的研制成功，适应了超大容量光网络的发展需要，是高速高效长距离光传输技术的重要进步。

围绕上述创新成果，北京邮电大学创新团队通过产学研合作的方式，在国家自然基金课题所取得的理论基础上，重点开展了针对宽带光接入与高速光传输的技术瓶颈问题研究，与企业联合承担并圆满完成了国家863计划课题和北京市科技计划课题，取得了多项突破，获得了国家授权发明专利，有标准被采纳为国际和国内标准，在本领域著名学术期刊（Optics Express, IEEE Photonics Technology Letters等）和光通信两大顶级会议（OFC，ECOC）上发表了系列学术论文，并多次受邀参加国际学术会议做特邀报告。

产品成功打入国际市场

通过开展深入的产学研合作，项目组积极推动将科研成果转化为产品，并实现产业化应用。

通过产学研合作完成的光接入 EPON 设备

高速宽带光纤通信系统成为信息网络的重要支撑

在宽带光接入领域，通过与企业密切的产学研合作，融入其创新技术成果的EPON宽带光接入设备目前已经在国内通信网络上获得规模应用，而且已成功打入国际市场，在包括俄罗斯等15个国家和地区获得规模性应用。

在高速光传输领域，融入创新技术成果的高速光传输设备，目前已在中国电信、德国电信等国内外运营商大规模应用，整体规模与核心指标达到国际先进水平，经济效益和社会效益显著，得到了国内外用户广泛好评。

这些新技术产品的应用，有效带动了相关领域内的技术发展，促进了行业进步。例如，针对光接入网络速率提升的重大需求和技术难点，项目组通过产学研合作，掌握了以太无源光网络关键技术，形成了支持双PON口保护、TDM语音/专线接入等独特功能的EPON局端和用户端设备，在国内外得到了广泛应用。

通过本项目成果的推广应用，在光接入网建设与运维中，不仅能够节省大量干线光纤资源，降低工程建设费用，而且还可大大降低故障率，减少维护工作量，从而降低维护的成本；不仅能够提供保证服务质量的多业务接入，而且还可支持多种动态带宽分配策略与电信级保护倒换功能，从而能够提供差异化的服务，有力提升了用户接入水平和宽带服务能力。

助力中国信息高速公路更畅通

网络基础设施是互联网发展的基石。20世纪末，美国率先提出“信息高速公路”概念。所谓“信息高速公路”，就是一个高速度、大容量、多媒体的信息传输网络。作为重要的基础设施，它的建设对交互宽带网络信息传输效率的提升，起着至关重要的作用。

近年来，中国互联网发展之快超出了许多人预料。

经过20年的努力，中国如今已拥有互联网网民6.4亿、移动宽带用户5.3亿，手机用户近13亿，成为全球网民数量最多的国家，同时，也是全球最大的电子信息产品生产基地，全球最具成长性的信息消费市场。

北京邮电大学项目组长期致力于光纤网络基础设施带宽提升这一关键问题，从技术上持续不断地探索并推进我国信息高速公路的 “路网建设”和“路面扩容”。因此，他们所开展的研究工作与所取得的创新成果是非常及时且急需的，对于“宽带中国”战略的实施发展，具有重要意义和积极作用。