浅析100G“管道”建设及后续发展

谷松涛

【摘要】 本文针对运营商对100G的管道建设持续升温以及量收“剪刀差”的不断增加，本文首先对量收“剪刀差”进行分析，然后对100G技术优势及应用建议进行介绍，最后对“管道”技术后续发展分析。

【关键词】 100G管道 剪刀差 PM-QPSK 400G

Research of QoS Technology Based on Token Bucket Gu Songtao

Abstract： As the increasing of the 100G ‘tunnel construction and scissors differential， the article makes analysis of scissors differential， and then making an introduction of 100G advantages and advisement of application ， at last making analysis of development of ‘tunnel technology

Key words： 100G ‘tunnel ； scissors differential ；PM-QPSK； 400G

引言

4G、大数据、云计算、IDC兴建等不断涌现的需求，推动着从芯片厂商、通信设备厂商到运营商不停向前发展，特别是运营商需要建设大容量、长距离、高质量的“管道”来响应业务与应用层面的强烈驱动。

作为“管道”建设的重要技术组成部分，100G WDM以及100G OTN技术高调进入光通信行业的视野，尤其在干线，100G的需求十分明显。三大运营商对100G“管道”的建设投资逐年增加，从2013年Q3开始，三大运营商共启动了5次100G骨干网集采，成为全球最大的100G市场。中国电信方面，综合其宽带优势以及4G承载网建设需求，在2013年启动规模庞大的100G设备集采，并在河南、浙江、福建、广东等省份部署，2014年，中国电信新建100G东北环、西北环、省干的 “管道”，在大型地市本地网核心网也逐渐引入100G和长长中继。

针对三大运营商对100G的管道建设持续升温，本文首先对量收“剪刀差”进行分析，然后对100G技术优势及应用建议进行介绍，最后对“管道”技术后续发展分析。

一、量收“剪刀差”

随着宽带网络流快速增长，扩容成本增长与业务利润增速放缓之间形成的剪刀差，成为运营商面临的首要问题，如下图所示。从之前的语音为主，到现在的以数据为主，大颗粒业务不断出现，网络流量呈爆炸式增长，带宽需求不断激增，网络建设成本也陡势增长，与之不匹配的是网络容量以及运营商的流量收入却增长缓慢，形成了量收“剪刀差”。

中国电信科技委主任韦乐平主任在《电信业的未来与去电信化的思考》一文中对流量、用户、收入三者的差异也进行了分析，如图2所示。对于中国电信来说，从2004年至2014年的十年间，网络流量增加了70%，呈陡势增长，但是用户数仅增长25%，网络流量激增带给中国电信的收入增长了20%，出现了明显的量收“剪刀差”。

那如何降低“剪刀差”呢？带宽需求持续增长之势不可逆转，所以需要从提升网络容量，降低网络建设成本，实现流量化经营三方面来考虑，如图3所示。

1）提升网络容量。建设大容量、长距离、高质量的“管道”，提升频谱利用效率并降低每比特传送成本，现阶段实现100G“管道”在网络应用层次的延伸是重点。本文也对100G“管道”建设进行重点介绍

2）降低网络建设成本。优化网络层级并减少设备种类，分组增强型OTN设备的规模应用，降低建设和运维成本。

3）智能化流量经营。应用SDN技术、流量工程技术、QoS技术等实现网络流量合理化精细化、差异化调度，实现流量创收。

二、100G技术优势及应用建议

2.1 100G技术优势

100G的技术优势从调制方式、相干接收、软判决FEC三个方面介绍：

1）调制方式： PM-QPSK （Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying，偏振复用正交相移键控）可以提高频谱效率。该调制方式将传输信号的波特率降低为二进制调制的四分之一， 也就是说：通过采用2个正交偏振态来传输bit信息，能将通道速率降低一半，由于每个偏振态可以使用4个相位来表示bit信息，又可以实现通道速率降低一半，因此，对于112Gbps的bit速率而言，经过PM-QPSK编码后，波特率可以降至28Gbps。如图4所示。

2）相干检测：和传统的直接解调和差分解调方式相比，相干检测所使用的本地激光器的功率要远大于输入光信号的光功率，可以极大地改善光信噪比。同时，相干检测技术充分利用DSP电域均衡补偿算法来处理极化模复用信号，对信号进行补充和重构，将传输的信号的特性（极化模，幅度，相位）作极大还原，大幅度消除光纤带来的传输损伤。因此，100G线路上，PMD容限可达到30ps以上，色散CD容限达到60000ps/nm，有效降低光纤非线性效应NLN 干扰。如图5所示。

3）软判决FEC大幅提升系统OSNR： FEC技术主要是使用带外冗余编码解决传输误码问题，用电层技术解决光层问题，提供系统的OSNR容限。根据ITU标准G.975.1中所建议的FEC方案以及业界发展实际情况，20%软判决FEC增益比7%硬判决FEC增益可以提高约2.6dB，如图6所示。

综上100G技术优势，可实现“四超”，即：超大传输容量、超长传输距离、超强纠错编码、超快保护恢复。

2.2 100G技术应用建议

1）原有10G/40G系统升级100G系统建议：10G系统升级100G通道，100G通道与10G通道间隔200Ghz以上，同时100G通道无需考虑色散和偏振膜色散的问题；100G相干和40G相干混传，无通道间隔要求，且无需DCM，减少EDFA配置数量，增大传输距离；为实现100G相干与40G非相干混传，建议采用FBG取代DCM，避免DCF的非线性，可以适当提高入纤功率。

2）干线引入100G建议：干线主要以链式组网方式为主，业务方面主要以大颗粒透传，点对点应用为主，保护方式也比较简单。建议在干线节点布局采用大容量100G OTN设备，可满足干线节点的穿通业务需求、子业务的上话和落地需求。

3）城域本地网引入100G OTN建议：城域本地网多以环形组网为主，主要用于承载网、城域网，大客户专线等业务的承载，业务颗粒一般包括2.5G、10G，一、二线城市，省会城域本地网会有40G、100G等业务颗粒。城域本地网对于枢纽节点有子业务疏导和汇聚需求、有大客户业务的承载需求、有电层保护需求，建议未雨绸缪，提早布局100G OTN。

三、“管道”技术后续发展分析

国内各大运营商的100G“管道”建设正如火如荼的进行中，从国家干线到省内干线，再到城域本地网都将全面布局100G管道，以应对流量的爆炸式增长。那么，习惯于未雨绸缪的通信行业，已经在思考100G“管道”技术后续该如何演进才能降低量收“剪刀差”？从三个方面进行分析。

3.1网络容量激增，节能减排迫在眉睫

100G设备具有巨大的交叉能力，功耗较之一般分组设备和10G/40G的传输设备要高出1倍以上，对各大运营商机房条件提出了严峻考验。在第七届中国绿色通信大会上，运营商、工业和信息化部赛迪研究院和通信产业报等专家以“绿色4G网络建设与节能创新”为主题，聚焦了新形势下的4G网络建设，旨在通过通信行业节能解决方案与实践典范案例的分享，以及对绿色通信产业链需求方案的探讨，与业界共同推动中国绿色通信的建设与运营。

对于已经成型的机房空间，改造难度较大，因此需要设备提供商在100G设备的制造工艺上不断创新。目前主流设备提供商，比如烽火通信，其提供更高效能散热解决方案，一方面通过热仿真技术提升系统散热方案一次通过率，在产品开发阶段就以节能降耗为目标，一方面通过风扇智能调速技术，降低设备正常工作能耗，同时配合设备风道优化及散热物料的设计与选型，达到持续散热优化、降低散热能耗比重、提高设备能效比的效果；另外100G板卡方面采用28nm制造工艺ASIC芯片，配合新型100G光模块，开发出单槽位1/2/4路100G板卡，集成度提升4倍，功耗降低50%。如此这样大大降低了100G部署的配套成本，并为100G规模部署扫清了障碍。

3.2大容量PEOTN设备将规模应用

多层网络方式加倍消耗运营商宝贵的机房空间及电源，加剧了网络规划和维护难度，导致网络建设成本居高不下。分组传送网和光网络OTN的融合的分组增强型OTN成为突破口，为分组传送网的深化发展提供新动力。在PEOTN架构下，网络层次得以简化，网络可以提供更大的带宽，建设成本降低，业务开通更加便捷。节省机房空间，减少机房电源、配套资源和人力资源等方面的支出，降低网络建设与运营成本。

PEOTN通过统一信元交换技术实现全业务的统一承载，从TDM业务到分组业务，再到OTN业务统一承载，实现分组和光的融合，如图7所示。2013年11月，中国电信率先进行了“分组增强型OTN”设备的摸底测试，这也是运营商组织的第一次PEOTN测试。目前主流设备厂商均开发出了具备现网应用的大容量PEOTN设备，交叉容量最大达到25.6T，并且为后续400G“管道”预留了背板带宽，为SDN技术的演进预留了北向接口。

3.3 400G“管道”技术应用

需求方面，中国电信集团科技委主任韦乐平曾表示，按照目前的流量发展趋势，未来5年，网络流量年增长近40%，传送网将以100G为主导；但到2017年，骨干网最大截面传输带宽约为38Tb/s，需要5个80波分100G系统，只要可行，400G是更合理的选择；未来5-10年，网络流量年增长约30%，高流量地区将需要45-125Tb/s，只要可行，400G应该是主导速率。

目前400G技术中最主流的有两种方案：一种是基于四载波PM-QPSK调制方案，另一种是基于数字相干接收双载波PM-16QAM调制方案。

基于数字相干接收四载波PM-QPSK调制400G方案，约125GHz的通道带宽，C波段传输容量可达到15Tbit/s，频谱效率3.2bit/Hz，与100G相当的传输距离，可用于骨干长距离传输，但对线路传输容量的提升不明显，仅提供了400G速率接口。

基于数字相干接收双载波PM-16QAM调制400G方案可以将单模光纤C波段的传输容量由100G系统的9.6Tbit/s（频谱效率2bit/Hz）提升到25Tbit/s（（频谱效率5bit/Hz）），其在G.652光纤中的传输距离约600Km左右，主要适用于城域短距离传输。由于国内运营商还未对400G进行集采，各厂家推出的400G解决方案还无法达到整合产业链的效果，但这只是时间问题。

四、 结论

4G业务、大数据、云计算、IDC等新兴业务对“管道”的强烈需求，同时结合运营商的转型，本文从量收“剪刀差”开始分析，从降低“剪刀差”的角度对100G“管道”技术以应用建议进行介绍，并分析了“管道”技术后续发展演进。

对于“管道”技术后续发展，特别是本文中提到的绿色通信、PEOTN规模应用、400G技术方案统一将是高速大容量光传输技术的重要研究和发展方向，这需要通信行业链的各个节点都参与进来。

参 考 文 献

[1]韦乐平. 电信业的未来与去电信化的思考.通信产业网.2012.12.28

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[3]王孝敏. IP网络的域内域间流量工程研究[D]，电子科技大学2011

[4]赵光磊. 综合业务承载需求猛增POTN成产业新热点[J]. 通信世界，2011（30）：29-30.

[5]杨爱霞.OTN在移动传送网建设演进中的应用探讨[J]. 电信技术，2010（6）：52-55.