光通信在“新基建”中的作用研究

李俊杰 武晓峰 霍晓莉 张安旭 唐建军 丁 一

1 中国电信股份有限公司研究院 北京 102209

2 中国电信集团有限公司 北京 100035

引言

“新基建”是新型基础设施的简称，是党的十八大以后，由中央政府倡导智慧经济新发展理念，吸收新科技革命成果，实现生态化、数字化、智能化、高速化新旧动能转换，建立现代化经济体系的国家基本建设与基础设施建设。“新型信息基础设施”是“新基建”的重要组成部分，作为新型信息基础设施的“带宽基石”，光通信网络将在“新基建”时代迎来新的发展机遇。

1 “新基建”带来的新机遇

1.1 何谓“新基建”

“新基建”是与传统的“铁公基”相对应，结合新一轮科技革命和产业变革特征，面向国家战略需求，为经济社会的创新、协调、绿色、开放、共享发展提供底层支撑的具有乘数效应的战略性、网络型基础设施。赛迪智库在2020年3月发布的《“新基建”发展白皮书》归纳了“新基建”七大领域：5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网[1]。

李克强总理在2020年“两会”上做《政府工作报告》第一次明确了“加强新型基础设施建设”的提法，具体内容为“加强新型基础设施建设，发展新一代信息网络，拓展5G应用，建设数据中心，增加充电桩、换电站等设施，推广新能源汽车，激发新消费需求、助力产业升级”[2]。

1.2 “新基建”下的通信网络设施

结合2020年4月份国家发改委新闻发布会的内容，官方明确的“新基建”范围包括信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施三大方面。我们逐一分析通信网络设施在“新基建”中的地位。

首先，信息基础设施包括以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等。通信网络基础设施建设被放在了首位，在新技术和算力基础设施中，云计算和数据中心也同样离不开通信网络的支撑。由此可见，通信网络基础设施在“新基建”中的地位显得尤为重要。

其次，融合基础设施包括智能交通基础设施、智慧能源基础设施等。无论是智能交通还是智慧能源，都是通信网络与传统路网、能源网的结合，而区块链、人工智能、云计算、数据中心等与通信网络更是鱼与水的关系，没有高速、高容量的通信基础设施，根本无法实现。“车路协同”也是目前通信网络与交通网络融合的典范。

再次，创新基础设施包括重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等内容。我国的通信科学技术和产业已经跃居国际先进水平，但是其可持续发展依旧离不开创新基础设施的大力支持，通信领域的科技和产业创新基础设施势必也是“新基建”的重要组成部分。

综上所述，通信网络基础设施是“新基建”基础中的基础。光通信网络作为通信网络基础设施的“带宽基石”，同样也是“新基建”的“带宽基石”，迎来新的发展机遇。

2 光通信夯实“新基建”带宽基石

随着信息化水平的提高，通信网络基础设施已经渗透到国民经济和人民生活的方方面面，其中影响最深远的是包含物联网在内的广义互联网、支撑移动互联网的4G/5G/6G广义无线网络以及伴随云计算出现的数据中心网络，下文将展望光通信在这三大板块中的作用和发展趋势。

2.1 支撑互联网发展的光通信网络

互联网(Internet)是过去二十多年光通信网络技术发展的最大动力，随着VR/AR、自动驾驶等新型业务的兴起，目标万物互联的物联网(Internet of Things，IoT)加入了互联网大家庭，进一步壮大了互联网影响社会经济活动的深度和广度，因此包括物联网在内的广义互联网在可预见的将来依旧是光通信网络技术发展的最大驱动力之一。

互联网对光通信技术的核心需求是带宽，自从上世纪七八十年代光纤通信实用化以后，光通信一直扮演着互联网“承重墙”的角色。特别是上世纪九十年代波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术和本世纪一十年代相干光通信技术两代技术革命，使得光通信带宽持续以大约每三年翻一番的“光摩尔定律”高速发展，有力支撑了互联网乃至人类信息网络在过去三十年的蓬勃发展(如图1所示)。但是基于单模光纤的商用光通信系统容量已经逐渐逼近大约100Tb/s的香农极限，后续可持续发展亟待理论、方法、技术、工艺、器件和系统的全方位创新[3]。

图1 光通信容量增长历史及非线性香农极限示意图

在可预见的未来，光通信技术依旧需要在单模光纤、波分复用技术和相干光通信技术基础上进一步提升容量，因此无外乎有两条路径，分别是提升单波速率和增加可用波长。

1)提升单波速率。我国已经全面部署基于相干光通信技术的80×100Gb/s WDM系统，近几年三大运营商开始关注和部署单波长200Gb/s和400Gb/s的WDM系统，例如基于PM-16QAM调制的80×200Gb/s WDM系统已经在部分城域网少量干线有所部署，面向长距离传输单波长200Gb/s和400Gb/s WDM技术也已经有了大量1 000km以上长距离现网试点报道，即将进入商用[4-5]。单波长600Gb/s和800Gb/s的相干光通信技术也已提上了议事日程，华为、Ciena、Infinera等厂商都有一些现网试验报道，但是目前传输距离等性能都存在很大不足，只能局限在短距离应用，距离商用还有较大差距。

2)增加可用波长。我国全面部署的WDM系统主要制式是C波段80×50GHz(4THz频谱)。过去几年已经有少量系统采用了C波段96×50GHz(4.8THz)，增加了20%的可用波长。进入单波长200Gb/s时代，为了实现距离相当前提下容量翻番的目标，运营商提出了80×75GHz(6THz频谱)的扩展C波段WDM系统需求，目前已经成熟并开始商用部署，国内的华为、中兴和烽火等厂商均推出了相应的设备，这也是国内运营商和设备商在光通信产业界率先提出并实现的一项技术。至此，扩展C波段的可用频谱提升了50%。下一步目标是单波长400Gb/s时代继续保持距离前提下的容量翻番目标，扩展对象是L波段。欧美国家在过去十年已经部署了相当规模的C+L波段WDM系统，其总频谱大约是9.6THz，还不足以实现总容量翻番的目标。目前以国内产业链为主体，正在研究扩展C+L的技术路线和方案，预计可用频谱大约在11~12THz左右[6]。学术界还在研究拉通O、E、S、C、L、U各个波段的全波段光放大技术，这是一个更远期的研究目标。单模光纤可用波段如图2所示。

图2 单模光纤可用波段示意图

除了系统技术以外，业界在光纤技术方面也进行了大量创新，一方面是对单模光纤的持续性能优化，另一方面是新型传输光纤的研制。

1)优化单模光纤。噪声积累和非线性是影响WDM系统进一步提升容量和延长传输距离的主要瓶颈，因此单模光纤的优化就是从降低光纤衰耗和增大有效面积两个方面着手。目前采用芯区低掺杂甚至纯硅芯技术，超低损耗陆缆光纤的衰耗系数已经可以低于0.17dB/km；陆缆用大有效面积光纤有效面积达到130um2，相对于传统单模光纤有50%以上的提升。同时具备超低损耗和大有效面积特征的G.654E光纤已经完成了国内外标准化，国内三大运营商已经开始现网部署，其中中国电信建设的世界上首条省际骨干全G.654E光缆(上海－金华－河源－广州光缆)已于2021年初建成。

2)研制新型光纤。前面三种技术路径对光通信容量的提升都是缓慢的，达到倍增都非常困难，无法实现数量级提升的质变。下一步有望实现光通信系统容量质变的创新有可能是打破单模光纤理论和工艺架构的新型光纤。如图3所示，目前值得关注的新一代新型光纤主要有少模光纤(Few Mode Fiber，FMF)、多芯光纤(Multi-Core Fiber，MCF)、空心光纤(Holly Fiber)或者称为光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber，PCF)等。虽然这类光纤目前在理论、工艺、成本、配套器件、与光传输系统的兼容性等方面都存在很多问题，但是业界还是要高度关注，因为这些创新可能催生光通信技术的下一场革命。

图3 几种下一代新型光纤示意图

新时代互联网对光传输网络的需求也已不再仅仅是带宽本身，光层在组网调度方面的效率和灵活性也成为使能互联网的重要手段。

WDM传输技术发展伊始，业界就一直在研究光层交换技术，但是由于全光波长变换和光信息直接处理等技术的缺失，目前在光网络层实现的依旧是波长颗粒的光层调度，最重要的设备基础是可重构光分插复用设备(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)。我国第一张全光调度的省际骨干网络——中国电信长江中下游地区ROADM网络于2017年建成[7]，截至2020年，中国电信已经建成了覆盖全国所有本地网、包含5大区域的骨干ROADM网络，这是我国WDM技术应用水平从点到点传输向网状组网迈出的重要一步。过去三年ROADM网络建设运营的实践经验证明了光层调度组网能力对提升互联网性能和生存性具有不可替代的价值。

2.2 4G/5G/6G广义无线网络的光承载技术

无线网络是催生光通信技术蓬勃发展的又一个重要动力，特别是进入4G和5G时代以后，移动前传(Mobile Front-Haul，MFH)成为光通信特别是光模块市场的一个重要增长点。所谓前传是伴随着无线接入网(Radio Access Network，RAN)的基带部分和射频部分的分离部署而产生的：基带部分(4G的BBU、5G的DU/CU)集中部署在运营商机房，有利于降低基站的工程难度和维护成本，并且为跨站协同提供了便利；射频部分(5G的RRU、5G的AAU)部署在基站铁搭，通过移动前传系统连接基带部分。这种分离的架构称为C-RAN(Centralized RAN，集中式RAN)，与之相对应一体化架构称为D-RAN(Distributed RAN，分布式RAN)。

前传接口是RAN设备的内部接口，一般是模拟信号直接采样的数字信号，因此对带宽、时延、抖动等性能要求较高，而且通常每个载频、每个扇区都要独立前传接口。随着我国的4G和5G基站数量快速跃居世界首位，我国的移动前传市场规模在全球首屈一指，催生一个具有鲜明中国特色的移动前传光通信市场。特别是进入5G时代以后，随着网络提速带来的前传光模块速率提升(单载频、单扇区25Gb/s)以及载频扩展带来的前传光模块数量增加(160MHz/200MHz载频需要2×25Gb/s)，引发了光通信技术在这个细分市场的多项创新，特别是第一次将WDM技术引入到了网络的边缘层[8]。

目前各运营商4G和5G的移动前传已商用的WDM方案以粗波分复用(CWDM)为主，面向未来演进提出了多种技术方案，本文不展开叙述，但希望从中引发WDM技术在接入网和城域边缘层的技术路线的讨论。通过分析5G前传以及20G/50G PON的技术路线可以发现，绝大部分方案都选择了O波段(1260~1360nm)的WDM技术，其中CWDM技术由于采用20nm波道间隔，部分波长可能超过O波段范围。

O波段在单模光纤中处于低色散且损耗较小的区域，传统上可作为客户侧光信号的工作窗口。25Gb/s和50Gb/s信号选用O波段的主要原因是色散代价较小，可以保证25Gb/s NRZ及50Gb/s PAM4信号10km甚至更长的传输距离，无需色散补偿。但是随着客户侧业务速率提升，也开始引入WDM技术，例如IEEE定义的100GE-LR4和100GE-ER4接口就采用O波段800GHz间隔的LWDM(Lan WDM)。中国电信提出将O波段800GHz间隔的LWDM(同时符合ITU-T对DWDM的定义)作为5G前传的解决方案，并和中国移动及众多国内外合作伙伴一起在ITU-T推动了聚焦O波段WDM技术标准化的G.owdm标准的立项。

随着DSP技术的成熟，业内还有一种将O波段WDM系统的单波长提升到100Gb/s的努力，例如100G Lambda MSA组织正在研究的400GE-LR4/LR方案就计划采用4波长、800GHz间隔的O波段WDM技术通过4x100Gb/s PAM4信号实现400GE业务接口。因此在光网络的接入层和城域边缘层，O波段WDM技术是一种非常值得关注的高性价比方案。

5G方兴未艾之时，6G已经提上日程。6G时代提出了空天地海一体化的宏远目标，光通信技术至少在两个方面发挥重要作用。第一个作用是6G无线蜂窝网络的承载，预计还将延续5G的C-RAN方案，6G移动前传将进一步提升速率和提高性能要求，要求光通信技术继续提供高性价比的WDM承载方案。第二个作用是6G卫星通信的星际通信和星地通信，特别是星际通信，光通信几乎是唯一可行的解决方案。

卫星通信，特别是低轨卫星通信技术可以与成熟的无线蜂窝通信技术形成有效互补，成为6G规划的空天地海一体化通信宏远目标的重要组成部分，特别在中美两国成为一个重要热点。美国SpaceX公司是商用低轨卫星通信业务的领头羊，根据公开媒体报道，早在2020年9月就已经成功在轨道上测试了星链(Starlink)卫星的星际激光通信，并且在2021年1月发射的10枚星链卫星中正式部署了星际激光通信设备。

星际激光通信对卫星通信系统带来两大显著进步。第一是提升覆盖能力，没有星际通信的卫星是独立的存在，参考无线蜂窝网络的概念，地面站可以比作BBU，卫星相当于RRU，由于BBU和RRU星地中继要求，两者的距离和角度都受到限制；有了星际通信的卫星则可以自行中继，有效扩展覆盖范围，理论上可以实现全球覆盖。第二是降低连接时延，没有星际通信情况下，任何两个客户之间的通信都需要通过地面站转接，如果不在同一个地面站覆盖范围内，还需要多个地面站转接，星际通信可以大大减少地面站转接次数和距离，从而显著降低时延。根据公开媒体报道，SpaceX公司的目标是在完全星际互联的星链网络中实现8毫秒超低时延，这将大大超过目前海缆光纤系统的传输时延水平。

2.3 面向数据中心的光通信技术

数据中心是最近五年流量增长最快、驱动光通信技术进一步发展的最重要动力。早在2018年，Cisco公司在做全球云指数(Global Cloud Index，GCI)研究和编制中，就给出了目标2021年的全球数据流量流向预测，指出到2021年全球超过85%的流量是数据中心内部和中心之间的东西向流量，只有不到15%是用户访问数据中心的南北向流量[9]。

图4还给出了东西向流量的进一部细化分布预测，其中数据中心内部流量占大头，占到整个互联网流量的71.5%，数据中心互联(DCI)的流量占小头，但是也已经接近了整个南北向流量的占比(13.6%VS14.9%)。过去几年光通信市场变化的格局也印证了这一点，中美两国的互联网企业同时也是云服务的主要供应商，在光传输网络建设规模和水平方面直逼传统电信运营商，特别是美国的互联网企业已经超越了传统电信运营商成为国际海缆传输系统和国内长途传输系统的主要建设需求方。下面从数据中心内部和数据中心之间两个方面来分析对光通信技术的影响。

图4 Cisco公司给出的数据中心在互联网流量流向中占比的预测示意图

第一，数据中心内部。在数据中心内部流量爆发式增长的驱动下，数据中心市场已经成为光模块市场发展和技术进步的第一推动力，无论是速率还是规模，都已经远远超越了传统电信网络市场。最近几年电信网络市场光模块发展的一个重要方向就是研究如何借鉴和重用数据中心光模块技术，借助数据中心光模块的海量需求降低电信市场光模块的成本。例如移动前传的10Gb/s和25Gb/s光模块相当一部分重用了数据中心光模块技术，电信设备的100GE和未来400GE光模块的技术要求也越来越与数据中心要求趋同。数据中心内部光通信发展近期的热点是板上光通信，包括板上光子联合体(Consortium for On-Board Optics，COBO)、光电合封(Co-Packaged Optics，CPO)等。这项技术涉及到芯片、工艺、硅光、高速电接口等多项技术创新，将为未来的数据中心交换机甚至服务器的信号交互方式指明发展方向，交换机、路由器等电信设备的下一步发展也可能步其后尘，需要整个产业链高度关注。

第二，数据中心之间。与美国运营商撤离云和数据中心市场不同，中国运营商依旧是云计算和数据中心业务的有力竞争者。过去运营商和互联网企业在数据中心之间(DCI)方面的技术路线是不同的：互联网企业无论是自建传输还是租用运营商波长电路，都是以L1的光波长通道作为DCI的载体，实现低成本、高带宽、低时延的目标述求；电信运营商由于业务的多样性和传统组网思路的影响，采用了IP/MPLS网络、MSTP/OTN专线、WDM波长等各种各样的解决方案。随着运营商云业务的增长，也逐渐意识到DCI应当以L1层的WDM技术为主。虽然基于WDM的DCI方案初期成本由于业务量较小可能比较高，而且考虑到数据中心机房的机柜尺寸、通风散热方式、供电方式等特点，对设备外观和尺寸的要求也异于传统波分设备，但是长远来看随着DCI业务流量的快速增长，WDM波长必然成为DCI的主要解决方案。同样，随着DCI业务流量的快速增长，如何在单根光纤实现传输容量的最大化，成为DCI技术发展的重要方向。如前所述，可以通过提升单波速率和增加可用波长的方式来达到这一目的。目前，400G CFP2-DCO模块开始成熟商用，即将成为DCI设备的主流线路接口；C+L技术在互联网厂商的DCI网络中应用也越来越多。在互联网企业的驱动下，数据中心WDM系统越来越多的采用开放和解耦的方式，例如ONF主导的ODTN项目、Facebook倡导的TIP项目、AT&T主导的OpenROADM项目，都在致力于光网络的开放解耦，具体包括采用SDN技术的软硬件解耦、光层设备和电层设备之间的硬件解耦以及设备和光模块之间的解耦，等等。这一方面腾讯、阿里巴巴等互联网企业再一次走到了运营商的前面，在DCI WDM设备的开放解耦甚至自研方面开创了先河。电信运营商近期也已开始关注，结合自身在光网络领域的建设和运维方面的优势，开放会带来灵活性，解耦能降低成本，利用开放与分解的光网络来构建DCI光网络，势必会成为越来越受关注的技术方向[10]。

3 结语与展望

作为“带宽基石”，光通信网络将在“新基建”时代一方面受益于“新基建”的发展驱动，另一方面将为“新基建”提供动能。本文全面分析了“新基建”时代，光通信网络技术在“新型通信网络基础设施”中对国民经济和人民生活紧密相关的三大板块中发挥的重要作用，并展望了未来的技术发展趋势。

第一，包含物联网在内的广义互联网引发技术革命。近期依旧要依靠单模光纤(SMF)，通过提升单波长速率(400Gb/s、800Gb/s)和增加可用波段方式(扩展C波段、扩展C+L波段)进一步提升光传输系统容量，同时对单模光纤性能进行必要的优化(减低损耗系数、增大有效面积)，来满足互联网带宽增长需求；远期要关注新型光纤技术的实用化，在适当的时间节点引入现网部署，有可能引发下一次光通信技术革命；同时引入ROADM等光层组网调度技术，提升光层网络灵活性。

第二，4G/5G/6G广义无线网络支撑移动互联网和卫星通信。4G/5G无线网络催生了一个新的移动前传光通信市场，面向未来发展，O波段WDM是一种非常有想象空间的接入层和城域边缘层的光网络技术，值得业界高度重视。6G树立了空天地海一体化的宏远目标，应当前瞻性关注卫星通信领域的光通信技术，特别是低轨卫星系统中的星际激光通信，将是光通信技术突破光纤介质束缚以后最有机会的发展新空间。

第三，伴随云计算出现的数据中心网络开创新的业态场景。数据中心已经成为毫无争议的网络流量中心，数据中心成为光模块市场发展和技术进步的第一推动力，电信网络设备光模块应尽量借鉴和复用数据中心光模块技术。在数据中心互联(DCI)领域，开放和解耦的光WDM传输系统已经成为互联网企业的选择，运营商近期也给予了高度的关注，有望开创一种新的业态场景。