今天這篇，小棗君和大家聊聊骨干網(wǎng)光通信的一些最新技術(shù)動(dòng)向。

400G，真的來了

大家也許都有所耳聞，從去年開始，國內(nèi)運(yùn)營商骨干網(wǎng)已經(jīng)全面拉開了400G商用的帷幕。

先是2023年大量的商用驗(yàn)證，然后是集采的全面啟動(dòng)。2024年，是規(guī)模商用的正式落地。

不久前，2024年3月，中國移動(dòng)開通了全球首條400G全光省際(北京-內(nèi)蒙古)干線，被視為一個(gè)重要的標(biāo)志事件。

骨干網(wǎng)升級(jí)400G的原因，是顯而易見的。

一方面，居民數(shù)字生活(高清視頻、遠(yuǎn)程會(huì)議、在線直播、在線游戲等)所帶來的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)流量增長，仍在持續(xù)。

另一方面，全行業(yè)都在推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，來自行業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)的流量激增，加劇了骨干網(wǎng)的壓力。

骨干網(wǎng)壓力陡增，還有一個(gè)關(guān)鍵的原因——AI大爆發(fā)。

AIGC大模型崛起之后，引發(fā)了一股AI浪潮。為了滿足AI業(yè)務(wù)的需求，需要建設(shè)大量的智算中心。模型從千億參數(shù)向萬億參數(shù)發(fā)展，GPU算力集群也從千卡集群走向萬卡集群甚至十萬卡集群。

小棗君在以前的文章中介紹過，GPU算力集群其實(shí)就是海量的GPU卡(GPU服務(wù)器)通過高性能網(wǎng)絡(luò)(例如InfiniBand、RoCEv2)連接在一起的一個(gè)陣列。它對網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性的要求極高，直接影響到訓(xùn)練效率和成本。

僅從GPU服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)端口速率來說，就已經(jīng)從單口400G起步，甚至要用到800G或更高。

GPU服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)端口

以前，GPU算力集群屬于DCN(數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò))的范疇?，F(xiàn)在，隨著集群規(guī)模不斷擴(kuò)大，已經(jīng)開始考慮將分布式智算中心應(yīng)用于模型訓(xùn)練。

也就是說，將異地的幾個(gè)智算中心，一起用來進(jìn)行訓(xùn)練。

這就對DCI(數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò))提出了更高要求，光通信骨干網(wǎng)必須在技術(shù)性能上能夠滿足這一需求。

我們國家在算力上的戰(zhàn)略，還是秉承了“全國統(tǒng)籌、整體布局”的思路。從2022年2月開始，我國啟動(dòng)了東數(shù)西算工程，打造全國一體化算力體系。

簡單來說，一方面，我們要建設(shè)大量的數(shù)據(jù)中心(相當(dāng)于電廠)，另一方面，也要建設(shè)粗壯的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)(相當(dāng)于輸電網(wǎng))，把這些算力給“流通”起來，滿足各行各業(yè)的需求。

400G，是如何做到的?

當(dāng)前的光通信骨干網(wǎng)，作為整個(gè)數(shù)字社會(huì)底座的光通信網(wǎng)絡(luò)，必須具備超大帶寬(400G，將來800G甚至1.6T)、超低時(shí)延(多級(jí)時(shí)延圈)、超大規(guī)模組網(wǎng)(服務(wù)于分布式計(jì)算，以及剛才說的AI集群)、超高穩(wěn)定性、超高可靠性、超高安全性、超靈活部署、智能運(yùn)維管控等多方面特性。

今天，主要說說最重要的速率帶寬。

光通信技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，想要實(shí)現(xiàn)速率的提升，無非就是在以下幾個(gè)方面做文章：

首先，是波特率。

傳輸速率，是比特率，是單位時(shí)間傳送的比特個(gè)數(shù)，單位是bit/s。

比特率=波特率×單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。

波特率是單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號(hào)(Symbol)的個(gè)數(shù)。波特率越高，每秒傳輸?shù)姆?hào)越多，當(dāng)然信息量就越大，速率就上來了。

波特率由光器件的能力決定。器件芯片制程越先進(jìn)，波特率越高，速率(比特率)就越高。

目前，CMOS工藝從16nm提高到7nm和5nm，波特率也逐漸從30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud、128+Gbaud。

現(xiàn)在的400G能夠商用，就是得益于波特率能夠達(dá)到128Gbaud。

再看看調(diào)制方式。

剛才那個(gè)公式，里面的“單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)”，就是調(diào)制方式?jīng)Q定的。

400G技術(shù)的調(diào)制方案，目前主要有16QAM、16QAM-PCS(PCS是概率整形技術(shù)，下次專門介紹)和QPSK三種，適用于不同的應(yīng)用場景。

光通信和無線通信不太一樣，不會(huì)一味追求高階調(diào)制。

調(diào)制階數(shù)越低，對線路的要求越低，建網(wǎng)成本也越低。所以，長途骨干網(wǎng)早期設(shè)計(jì)階段的時(shí)候，基本上聚焦于16QAM和QPSK。后來有了16QAM-PCS，也加入了競爭。

以前沒提“東數(shù)西算”、運(yùn)營商們都認(rèn)為400G不會(huì)需要太長距離的傳輸，所以，采用技術(shù)更成熟、價(jià)格更低的低波特率器件，配合調(diào)制階數(shù)較高的16QAM，是行業(yè)的主流意見。

后來，一方面因?yàn)閭鬏斁嚯x的要求增加，從1000多km變成幾千km，再一個(gè)，128GBaud波特率器件迅速成熟(在DCN場景，800G迅速崛起，對產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生刺激和推動(dòng))，為QPSK脫穎而出創(chuàng)造了條件。

QPSK對非線性的耐受能力更高，相比16QAM-PCS可以適當(dāng)提高入纖功率。其次，QPSK的背靠背OSNR門限相比16QAM-PCS有優(yōu)化。再有，設(shè)置QPSK的通道間隔為150GHz，使得在傳輸過程中幾乎沒有濾波代價(jià)。

這些優(yōu)勢，都使得QPSK逐漸成為行業(yè)在骨干網(wǎng)和DCI的一致首選。

三種方案的大概對比

現(xiàn)在，前兩種方案，被考慮的應(yīng)用場景更多是城域或省干。

第三，是擴(kuò)展波段。

波特率和調(diào)制主要影響的是單波速率。一根光纖，是可以有多個(gè)波的，只要頻譜范圍足夠大，就可以了。

單波帶寬×單纖波數(shù)=單纖帶寬。

前面表格寫了，QPSK 400G的通道間隔達(dá)到150GHz。傳統(tǒng)的C波段和擴(kuò)展C波段都不足以滿足頻譜帶寬的需求。

于是，現(xiàn)在逐漸采用了C6T+L6T的方式，一共是12THz的頻譜帶寬。計(jì)算一下，80個(gè)波，單波400G，一起就是單纖32T容量。如果犧牲一點(diǎn)距離，用在省干的話，部署QPSK或16QAM-PCS，容量還能再大些，達(dá)到48T。

關(guān)于波段的詳細(xì)介紹，可以看這里：光通信到底有哪些波段?

擴(kuò)展波段的最大問題，在于器件是否能夠支持，且成本是否可控。這里所說的器件，包括ITLA、CDM、ICR、EDFA及WSS等，涉及到光的收發(fā)和光路交換、放大等。

波段擴(kuò)展的話，還涉及到一個(gè)問題，那就是整合。

現(xiàn)在的波段擴(kuò)展，其實(shí)更像是兩套系統(tǒng)(C和L)的簡單綁定。兩套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，通過合波的方式，進(jìn)行傳輸，然后到了對端，再進(jìn)行分波，各自繼續(xù)處理。

兩套系統(tǒng)的話，體積會(huì)更大，功耗會(huì)更高，設(shè)計(jì)也更復(fù)雜。所以，行業(yè)需要研究，怎么進(jìn)行器件整合，真正讓一套系統(tǒng)，同時(shí)支持不同的擴(kuò)展波段。也就是實(shí)現(xiàn)真正的一體化。

光纖通信，除了光模塊和光設(shè)備，還需要關(guān)注光纖。

現(xiàn)在的主流光纖是G.652D光纖。400G QPSK，在G.652D上，借助EDFA放大，也能傳輸1500km。

行業(yè)經(jīng)過多年的驗(yàn)證，已經(jīng)認(rèn)定，G.654E光纖是新的繼任者。如果用性能更好的G.654E，同等條件下，400G QPSK的傳輸距離，可以增加30%以上。

G.654E光纖已經(jīng)具備規(guī)模化生產(chǎn)的能力，將在長途干線上進(jìn)行大規(guī)模部署。G.654系列的一些低損耗光纖，也成為海纜系統(tǒng)跨洋超長距離傳輸?shù)氖走x。

除了傳統(tǒng)光纖之外。行業(yè)還認(rèn)為，多芯光纖和空心光纖擁有廣闊的應(yīng)用前景。

多芯光纖是一種空分復(fù)用，在一個(gè)光纖里，塞入更多的纖芯，采用少模，可以大幅提升光纖的容量。

空心光纖就更牛逼了，直接把光纖做成空心，用空氣取代玻璃纖芯。

空心光纖被證明可以帶來更大的容量、更低的時(shí)延，更小的傳輸損耗，以及超低非線性，被行業(yè)一致認(rèn)為是光通信里最具潛力的技術(shù)之一。

400G的下一步，800G or 1.6T?

400G正式規(guī)模商用之后，整個(gè)行業(yè)的目光將會(huì)放在400G以上(beyond 400G)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系上。

對于接下來是搞800G、1.2T還是1.6T，行業(yè)還在加緊論證。

如果想要實(shí)現(xiàn)更高的速率，就必須在“調(diào)制方式+波特率”上繼續(xù)做文章。130GBd，或者更高的260GBd，是必然方向。更高波特率，意味著相關(guān)器件必須跟上，形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。

超過400G，不能再指望QPSK了。16QAM調(diào)制，是行業(yè)目前普遍認(rèn)可的選項(xiàng)。

波段也需要進(jìn)一步擴(kuò)展。在擴(kuò)展C和L的基礎(chǔ)上，考慮往S波段、U波段、E波段等進(jìn)行擴(kuò)展。如果是C+L+S，那就是12T+5T，達(dá)到17THz的頻寬。

多方面因素相疊加，單根光纖單個(gè)方向傳輸速率超過100Tbps，指日可待。

在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，800G(基于100GBd以上波特率，單通道100G)已經(jīng)商用了。單通道200G、400G、800G，只是時(shí)間有早有晚。在這方面，國外的進(jìn)度更快一些。

隨著容量的不斷提升，帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)也不斷增加。光通信的發(fā)展，說白了，依賴于器件、芯片、制程、材料。

想要滿足前面提到的功耗、安全、運(yùn)維等方面的要求，還依賴于工藝、架構(gòu)、封裝、人工智能、數(shù)字孿生等一系列的創(chuàng)新。產(chǎn)業(yè)鏈上下游需要做的工作，還有很多。未來的路，還很長。

最后的話

光通信是整個(gè)社會(huì)的數(shù)字動(dòng)脈。這些年，人們對很多技術(shù)(包括5G)都提出過質(zhì)疑，但沒有人會(huì)對光通信提出質(zhì)疑，因?yàn)樗巧鐣?huì)發(fā)展的剛需。

人類數(shù)據(jù)流量不斷增加的趨勢，在未來幾十年都是不會(huì)變的。人工智能技術(shù)的高速崛起，會(huì)將這個(gè)趨勢進(jìn)一步放大。

光通信目前的發(fā)展，是無法滿足需求的。這意味著，企業(yè)會(huì)有更大的動(dòng)力，投入資源進(jìn)行研發(fā)，以獲得利潤。

希望光通信產(chǎn)業(yè)能進(jìn)一步爆發(fā)，為數(shù)智社會(huì)發(fā)展鋪平道路。