400G標準研究及制定業已啟動，三大標準組織協作穩步推進

 

　　隨著100Gb/s技術及標準日趨完善，國際標準化組織ITU-T、IEEE和OIF的高速傳輸標準化工作逐步轉向超100Gb/s。ITU-T SG15圍繞下一代支持超100Gb/s的 OTN結構演進、IEEE 802.3聚焦新一代高速以太網速率、OIF側重超100Gb/s用模塊及芯片接口等開展研究，2013年3月IEEE 802全會上正式決定 400GE立項則標志著400Gb/s速率標準化工作正式啟動。參照IEEE 802.3標準常規制定周期，預計2016~2017年左右400GE制定完成，預計ITU-T SG15基于400GE客戶側信號優先驅動的超100Gb/s OTN標準化工作同期完成，OIF在2015年年初400Gb/s白皮書完成以后預計將啟動400Gb/s光模塊和器件等標準化工作。另外，我國標準化組織CCSA 在400Gb/s標準研究與制定工作方面與國外同步，目前正在進行400Gb/s長距離傳輸、400Gb/s光模塊等相關標準化研究工作。

 

　　鑒于ITU-T和IEEE在10Gb/s、40Gb/s技術標準化過程中合作不力的歷史教訓（導致OTN容器在承載以太網10GE LAN 和40GE LAN接口時兼容性差），以及ITU-T、IEEE和OIF在100Gb/s傳輸技術標準制定過程中的成功合作的經驗，三大標準組織在400Gb/s標準制定過程中保持著良好的溝通，并且不定期通過標準組織之間正式交流函的方式告知自身制定標準的進展以及與他方標準的協調問題，典型如ITU-T和IEEE對于 400Gb/s模塊的重用性、OIF和IEEE對于電域物理單通路特性的相互兼容性等。按照目前ITU-T專注400GE映射和長距離傳輸、IEEE規范客戶側接口400GE、 OIF側重400Gb/s模塊及接口等標準化范疇，400Gb/s標準將在三大標準組織的齊力協作下穩步推進，預計2016~2017年期間400Gb/s標準將正式面世。

 

　　400G多樣化設備樣機逐步推出，現網試點驗證加速產業化進程

 

　　和昔日10Gb/s、40Gb/s和100Gb/s技術發展類似，400Gb/s在步入正式商用之前需要經歷技術、市場等多維度選擇和競爭。國內外諸多設備廠商為了盡早選擇優勢技術方案并奪取市場先機，近兩年已逐步競相推出400Gb/s原型樣機，如華為、中興、烽火、阿朗（上海貝爾）、Ciena、Coriant、富士通等等。這些設備樣機主要采用四載波100Gb/s速率、兩載波100Gb/s來通過多子載波復用技術來傳輸400Gb/s信號，也有部分廠商直接采用單載波400Gb/s技術。另外，為了更好地兼容超400Gb/s信號傳輸并根據市場最終需求靈活選擇速率，設備樣機一般設計為靈活支持多種傳輸速率，除了400Gb/s速率之外還可支持如1Tb/s、1.6Tb/s或2Tb/s等，這在促進400Gb/s技術和設備優勝劣汰競爭的同時也為速率更高的傳輸技術發展奠定了前期基礎。

 

　　國內外主流光傳輸設備商在成功研制400Gb/s設備樣機的同時，從2012年左右開始擇機在運營商現網或實驗室開展試驗，典型如華為和荷蘭KPN、波蘭EXATEL等多個歐洲運營商基于不同400Gb/s技術的試驗，中興和德國電信基于多種超100G速率的試驗，Ciena和Sprint/Vodafone、阿朗和澳大利亞及歐美多個運營商、Coriant和奧地利A1/波蘭NETIA開展400Gb/s試驗等。目前國外個別運營商已經或準備選擇400Gb/s技術承載在線業務，如法國電信選擇阿朗400Gb/s技術承載巴黎到里昂的業務、智利Telefonica擬選擇華為400Gb/s OTN技術承載數據中心互聯業務等。國內運營商在400Gb/s新技術試點與國外比較相對滯后，2013年年底中國移動率先啟動了基于400Gb/s速率的實驗室及現網試點測評項目，華為、中興、烽火和阿朗均參與該項目，相關工作預計2014年第三季度完成，其他兩大運營商尚在籌劃之中。從未來發展來看，主流廠商400Gb/s設備樣機的成功研制和多個運營商現網試點評測之間的互動在一定程度上加速了400Gb/s技術產業化進程，這為400Gb/s技術日后競爭超100Gb/s長距傳輸首選速率創造了優勢條件。

 

　　400G繼承100G關鍵技術，調制及載波存在個性差異

 

　　100Gb/s突破了原有基于強度調制、強度檢測的傳統傳輸技術路線，引入了相位調制和基于數字信號處理（DSP）的相干接收等新型機制，是高速傳輸技術發展過程中的里程碑事件。考慮到100Gb/s近期才開始規模部署，同時兼顧未來傳輸帶寬增長節奏及需求時機、超高速光電器件和芯片發展現狀、單比特功耗及成本等諸多因素，400Gb/s將采用繼承100Gb/s的偏振復用、相位調制、基于數字信號處理（DSP）的相干接收、基于多種優化算法的前向糾錯（FEC）等關鍵技術，不太可能采用實現機制更為復雜、基于電域或光域的正交頻分復用（OFDM）技術或類OFDM技術。因此，從技術實現本質機理上而言，400Gb/s繼承了100Gb/s關鍵技術并力爭重用相關器件芯片，相對100Gb/s而言并沒有引入重大技術變革。

 

　　從具體實現細節上來看，400Gb/s技術在調制碼型選擇和載波數量方面也呈現出個性差異。相對100Gb/s技術而言，400Gb/s比特速率增加了4倍，如果采用和100Gb/s類似的單載波和正交相移鍵控（QPSK）調制技術，那么信號波特率將達到112Gbaud量級，這無論在電域信號處理、還是在光域信號調制都根本無法實現（目前光電商用化器件也就支持到28~32Gbaud左右的波特率）。因此，400Gb/s技術在繼承100G關鍵技術的基礎上，采用了增加調制階數和（或）提升載波數量的方式降低信號處理的波特率，典型如采用4載波、單載波100Gb/s速率的QPSK調制方式，采用2載波、單載波200Gb/s速率的16 QAM（正交幅度調制）調制方式等，或者采用單載波400Gb/s速率的16 QAM等調制方式。另外，考慮到軟件定義網絡（SDN）理念向光網絡延伸，基于軟件可配置或自適應的調制和多載波復用技術將有可能在400Gb/s技術中引入，也即400Gb/s信號發射端需要引入數模轉換（DAC）功能模塊以實現調制碼型的靈活調整或配置。

 

　　400G譜效和距離難能兩全，方案選擇與應用場景相關

 

　　單通路傳輸速率不斷提升的目的主要體現在特定的頻譜資源內實現更高的頻譜效率（也即每Hz頻譜每秒傳輸的比特數更高）、實現系統資源優化管理并進一步降低單位比特成本等。傳輸速率從100Gb/s提升到400Gb/s時，單通路速率提升的同時必然要提升頻譜效率，否則單純將單通路速率提升到400Gb/s意義不大。另外，傳輸距離也是更高速率技術必須考慮的問題，也即速率提升的同時不能顯著降低可達距離，畢竟新技術的未來應用環境還將基于現有實際網絡的拓撲架構。由于頻譜效率和傳輸距離是對矛盾體，在采用相同技術和芯片工藝等前提下提升頻譜效率的同時增加傳輸距離不太現實，這種矛盾在400Gb/s時代尤為明顯。因此，目前業界推出了的幾種400Gb/s主流技術方案或側重頻譜效率，或側重傳輸距離，譬如4載波、單載波采用100Gb/s速率的QPSK調制方式的傳輸距離在1000km以上，但其頻譜效率約為3.2b/s/Hz；采用2載波、單載波采用200Gb/s速率的16 QAM調制方式的傳輸距離在500~600km量級，其頻譜效率提升至4~5b/s/Hz左右；而采用單載波400Gb/s速率其頻譜效率沒有顯著變化，但由于采用單載波技術波特率提升了一倍（相關光電器件工作帶寬均需提升），傳輸距離降低到200km~300km左右量級。

 

　　從芯片和設備研制、工程設計、網絡運營維護等角度考慮，采用達到共識的唯一傳輸技術方案將對技術和產業發展驅動力最大，這在40Gb/s和100Gb/s技術的發展過程中得到充分驗證。目前400Gb/s面臨的技術發展環境與昔日40Gb/s有些類似，只不過40Gb/s僅僅是采用調制碼型變化來改善傳輸距離，而400Gb/s則額外增加了調整子載波數量的維度，但400Gb/s面臨的市場環境與40Gb/s有所不同，目前及未來城域及跨區的大型數據中心等傳輸應用潛在需求很大，傳統干線優先采用最高速率的傳統可能面臨變革。另外，雖然400Gb/s的多技術方案對于其未來產業化規模應用帶來一定障礙，但基于多種傳輸距離規格的新型高帶寬傳輸需求將對400Gb/s的多技術方案提供有力支撐。因此，400Gb/s技術方案未來的最終選擇與應用場景密切相關，很有可能率先打破高速傳輸新技術啟動商用時單一方案一統天下的局面。

 

　　400G未來商用前景可期，尚存諸多不確定挑戰因素

 

　　新型超高帶寬應用和高速光通信技術革新等共同推動傳輸速率持續提升。雖然何種速率將在未來占據超100Gb/s技術主導地位業界尚未達成共識，但400Gb/s基于其標準化制定、技術可實現、可重用100Gb/s器件/芯片等優勢近期已成為超100Gb/s最受業界關注的候選速率。首先，從傳輸網絡帶寬提供能力上來看，目前100Gb/s系統剛開始規模部署，按照思科公司2013年的預測，IP流量（傳輸帶寬主要消耗者）在未來幾年將保持大約23%的復合增長率，按此估算大約7年以后帶寬需求相對2013年增長4倍左右,也即2020年對于400Gb/s的帶寬需求和2013年對于100G的帶寬需求相當，因此至少需在2017~2018年左右啟動現網承載業務應用試點；其次，從產業標準及器件芯片支撐上來看，預計2016~2017年左右400Gb/s客戶側接口標準將制定完成，基于400GE客戶信號映射的新一代OTN架構也將標準化完成，相應400Gb/s關鍵芯片和器件也將逐漸成熟。綜合考慮上述應用需求及產業成熟度等因素，400G未來商用前景值得期待。

 

　　雖然目前來看400Gb/s速率未來占據超100Gb/s首選商用速率的可能性比較大，但也存在很多不確定性挑戰因素。首先是技術方案多樣化的影響問題。前面已提及昔日40Gb/s技術生命周期短的重要原因之一就是技術方案太多，沒有形成產業化合力，而400Gb/s的技術方案面臨類似情形，只不過方案數量相對40Gb/s要更少一些；第二，未來傳輸帶寬的實際增長速率問題。如果網絡未來傳輸帶寬需求增長過快，那么按照4倍速率提升傳輸帶寬可能滿足不了增長需求，而如果網絡未來傳輸帶寬需求增長過慢，則100Gb/s主導的周期會加長，隨著時間推移和技術革新，大于400Gb/s的速率靈活可適配的傳輸技術將可能趨于成熟，基于400Gb/s技術的黃金期將不再重現。第三，400Gb/s技術成本和功耗問題。業界為了探索可商用化的100Gb/s技術進行了大規模投入，短期內無法獲取明顯的盈利，而且廠商之間競爭加劇了利潤率的降低。因此，如果400Gb/s技術在成本、功耗和集成度等方面相對100Gb/s而言沒有取得預期顯著提升的話，短期內很難與100Gb/s進行競爭，畢竟100Gb/s技術依然在不斷優化和改善之中，相當于100Gb/s技術生命周期的延伸變相壓縮或者降低了400Gb/s技術的市場預期。

 

　　結論

 

　　400Gb/s借助標準化推動和技術近期可達等成為目前聚焦度最高的超100Gb/s傳輸速率。基于重用100 Gb/s關鍵技術理念及核心器件，400Gb/s技術發展較快并已研制成功采用多種技術方案的設備樣機并開展現網試驗。由于信號速率提升了4倍，400Gb/s與100 Gb/s相比而言采用了個性化的調制及載波技術，但預計不會采用復雜度更高的OFDM技術，目前已出現四載波QPSK、兩載波16-QAM和單載波16-QAM等多種典型方案，這些方案均無法實現頻譜效率與傳輸距離的完美匹配，只能根據應用場景特點選擇相對優勢方案。綜合考慮未來帶寬需求及高速傳輸產業成熟進度等，400b/s技術未來商用前景非常值得業界期待，但同時也存在諸多不確定性，預計到2016年左右400b/s技術的市場定位將趨于清晰。