超100G技术发展趋势及应用研究

刘 刚，张传熙，李乐坚，赵满良（中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007）

0 前言

高速、长距离、大容量永远是传输技术追求的方向和目标。从100G 技术的首次引入到目前已接近10年时间，超100G技术并未能像想象中的一样能大规模商用，其中的原因是什么？尤其是近10 年，传输容量增速（10%）远低于全球网络流量增速（45%），有研究指出未来20年内将遭遇“传输容量危机”，从技术应用的角度是否有应对之策？从现网情况看，一干网络带宽需求主要集中分布在京汉广以东的区域，100G 波道资源消耗快，大量的新建系统对一干线路、机房空间、电源等造成较大的压力，有较为强烈的部署超100G系统的需求。本文将从超100G 技术发展趋势、超100G技术应用、超100G 技术部署3 个方面进行论述，探讨研究如何进一步提升传输效率、降低传输网单比特造价成本、推动超100G技术规模化商用。

1 超100G技术发展趋势

1.1 超100G技术实现方案

100G 带来高速光传输的一场革命，相继突破了偏振复用、相干接收、DSP 和软判FEC 等一系列关键技术，使得100G 可以实现80 波2 000+km 的传输距离。超100G 技术继续重用上述100G 的关键技术并进一步发展和延伸，目前超100G主要在调制格式、波特率、载波数量3 个维度上提升系统容量。图1 示出的是超100G技术实现方案。

图1 超100G技术实现方案

根据调制格式、波特率、频谱间隔的不同，形成了不同的超100G 技术，目前主要的超100G 技术有200G QPSK@75GHz、200G 16QAM@50GHz、200G 8QAM@62.5GHz、400G 16QAM@100GHz 等，从调研和测试的情况来看，不同的超100G技术的频谱效率和性能指标差异较大，其中200G QPSK@75GHZ 的背靠背性能指标最好。具体指标如表1所示。

表1 主要超100G技术频谱效率和性能指标

1.2 超100G技术发展趋势

如上文所述，各主流厂家在调制格式、波特率、载波数量3 个维度上不断尝试，努力提升系统容量和优化性能指标。但实践和理论研究表明：调制阶数越高，频谱效率越高，但星座图上各星座点间的欧式距离就越小，噪声容忍度越低，对系统OSNR 的要求就越高，严重限制了信号的无电中继传输距离；在调制阶数不变的情况下，提升波特率确实能有效提升单波速率，但是根据奈奎斯特抽样定理，波特率越高，占用的带宽资源也越大，而频谱效率并未得到大幅提升。总之，在目前传输设备的技术水平已接近“香农极限”的情况下，传输距离（性能指标）和频谱效率不可兼得，在传输距离（性能指标）一定的情况下，通过继续提升频谱效率来增加系统容量的边际收益不大，而通过增加载波数量来提升系统总体容量则是未来的一个发展趋势。图2示出的是超100G技术与“香农极限”。

图2 超100G技术与“香农极限”

增加载波数量主要有以下2个方向。

一是空分复用（SDM），使用多个并行的空间路径倍增单通道的波长容量。设备侧需要采用空分复用设备，线路侧需要采用少模光纤或多芯光纤。目前空分复用设备还面临许多技术上的难点，线路上需要大规模引入新型光纤，短期内无法进行规模商用。

二是频谱扩展，通过扩展WDM 系统频谱带宽来提升系统容量。目前频谱扩展主要有C+L 和C++2 种方案，由于C 波段一直提速、供货量较大等原因，C++技术发展迅速，相比之下L 波段技术发展相对缓慢。目前在设备成本、性能指标、200G 技术等方面C++均优于C+L。

2 超100G技术应用研究

超100G 技术应用可以分为城域传输和骨干长途传输2 个场景。城域传输由于传输距离较短，对性能指标要求较低，现有的单波200G、400G 产品完全能满足城域传输的技术要求，现网应用主要由业务需求推动，在技术选择上应尽量选择频谱效率较高的超100G技术，如200G 16QAM@50GHz。骨干长途传输在部分重点线路（如京沪穗）有部署超100G系统的强烈需求，超100G 技术能有效缓解干线光缆纤芯、机房空间、动力电源等资源压力，但我国幅员辽阔，超100G 技术相比现有100G技术无电中继距离缩短，导致部分段落增加中继板卡，可能会增加投资和维护成本，因此需要结合骨干传输网的网络业务模型选择合适的超100G 技术，实现骨干传输网成本最优。

以现网100G 系统为参考标准，超100G 技术主要在2个方面影响网络建设成本。一是传输性能指标劣化需要增加中继板卡，增加网络建设成本；二是技术进步带来设备单比特造价降低，降低网络建设成本。设定技术进步带来的设备成本降低系数K=超100G 设备单比特成本/100G 设备单比特成本，在一定网络业务模型下，网络建设成本和性能指标劣化呈现如图3 所示的规律。

从图3可以看出，在当前网络业务模型下，为了保证骨干网超100G网络建设成本不大幅提升，当性能指标劣化程度越高，需要设备成本降低系数K越小，对设备招标采购的压力越大，同时也意味着需要配置的中继板卡更多，后续网络维护压力也更大。因此，骨干长途传输应尽量选择性能指标较好的超100G技术，同时引入C++频谱扩展技术提升系统容量。

图3 性能指标劣化程度与网络建设成本的关系

综上所述，C++200G QPSK@75GHz是目前骨干长途传输的最佳技术选择。

3 超100G技术部署建议

超100G 技术部署最大的挑战是在骨干长途传输应用场景，如何尽可能地延伸传输距离，保证系统长期可靠地稳定运行，是工程中需要重点考虑的问题。

假定传输距离为1 000 km，光纤衰减系数为0.22 dB/km。根据光信噪比计算公式（58 公式）计算理想模型下站间距与OSNR的对应关系（见图4）。

图4 光放段距离与OSNR的对应关系

WDM系统光信噪比（OSNR）公式为：

OSNR=Pout-L-NF-10lgN+58

式中：

OSNR——经过N个光放段后的光信噪比

Pout——每通路的平均输出功率（入纤功率）

L——光放段衰减

NF——光放的噪声指数

N——光放段的数量

在入纤功率、噪声系数等参数不变的情况下，当光放段距离由80 km（衰耗22.8 dB）降至60 km（衰耗18.2 dB）时，光放站数量增加了4 个，OSNR 提高了3.35 dB。从工程实践来看，跨海WDM 系统采用G.654E 光纤，可以实现上万公里的无电中继距离。理论推算和工程实践均表明，降低光放段距离（光放段衰耗）能有效提升无电中继传输距离。基于这一思路，结合现网实际情况，对超100G系统部署提出如下技术措施。

措施1：后期在光缆建设中应适当缩短光放段距离，建议将光放段的距离从80 km调整为60～70 km。

a）野外敷设光缆设置野外光放一体柜/简易机房（如图5所示），缩短站距，站距尽量平均。

图5 野外光放一体柜/简易机房

b）高速公路敷设光缆建议在服务区设置OA 机房。我国高速公路服务区距离大多为30～40 km，一般不超过60 km。

措施2：建设G.654E 光纤。G.654E 光纤具备低损耗和大有效面积的特点，在降低系统衰耗和非线性效应方面明显优于G.652D 光纤，更适应大容量、长距离传输系统的发展。但目前G.654E 光纤价格较高，因此提出建议。

a）优先考虑北上广等国家中心城市之间的直达路由部署G.654E光纤。

b）优先考虑长跨距、大衰减的光放段间部署G.654E 光纤，提升系统指标，便于超100G 系统实施落地及后期维护。

c）采用G.654/G.652 光纤混缆敷设降低建设成本，G.654E 纤芯主要用于长距一干传输，G.652D 纤芯主要用于省内传输。

4 结束语

从100G 到超100G，传输设备技术水平不断接近“香农极限”，系统的频谱效率和传输距离无法同时达到最优，没有一个可以称之“绝对好”的超100G 技术，这是超100G技术至今难以大规模商用的原因之一。

如何在科学原理的范畴内，进一步发掘通信的潜力，是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。为了推动超100G技术尽快落地，降低传送网单比特造价成本，本文提出应根据不同应用场景选择不同的超100G技术，城域传输应尽量选择频谱效率高的超100G 技术，而骨干长途传输建议选择C++200G QPSK@75GHz技术，兼顾传输距离和系统容量，达到系统能力的总体最优。同时，本文基于理论测算和现网实际情况，对骨干长途传输部署超100G提出了多项技术措施。