下面文章主要從業務發展需求和網絡架構與技術、光元器件幾方面進行分析討論，泛在、超寬、綠色、可持續發展的信息傳輸網絡是中國“互聯網+”和“中國制造2025”目標的基礎之一，但建網成本、傳統技術發展瓶頸、運營成本已成為快速構建高速網絡的主要瓶頸，而文章中提出運營商構建超寬帶綠色傳輸網絡的思路。

　　關鍵字：波分,傳輸,超寬帶,骨干網,城域網,接入網,PID

　　1.研究背景

　　1.1行業發展要求

　　在國家“互聯網+”和“中國制造2025”的大背景下，依托物聯網、云計算、大數據的飛速發展，4K、VR、智慧城市、智慧農業等產業蓬勃發展。而無論是互聯網生態圈，還是智慧產業生態圈，所有一切都必須圍繞“連接”來進行——連接能力即網絡能力。

　　從視頻業務來看，4K視頻業務的逐漸普及以及8K、VR/AR等新業務的逐漸引入加速催生了帶寬增長的狂潮。大視頻業務高碼流、高并發率、高感知的特點要求承載網絡具有大帶寬、低時延和低誤碼率的特性。從無線業務來看，隨著4G網絡向5G網絡的演進，業內普遍認為5G的帶寬需求將提高100~1000倍，同時要求時延要降低10倍以上，其中URLLC(超低時延、超可靠)場景的時延要求最為苛刻，端到端單向時延不超過1ms[1]，Backhaul端到端單向時延不超過150us，這無疑給傳送網絡的帶寬和時延帶來了巨大的挑戰。

　　而在專線業務方面，目前政企專線已經成了運營商新的利潤增長點，專線從10M~100M，向500M、GE以上顆粒發展，專線業務正向著寬帶化，普及化，多樣化的方向發展，對傳送網的要求表現在高安全性，低時延、高可靠性以及業務承載的多樣性。數據顯示，全球各大運營商的網絡流量正以每年60%的增長速度進行倍增，驅動網絡規劃建設帶寬要以10倍量級增加。并且，作為信息傳輸的基礎，寬帶網絡的帶寬能力、穩定性、單bit傳輸功耗都對網絡是否可持續發展起到至關重要的作用。在最低網絡建設成本投入基礎上，還需具備更大帶寬、更低時延、更易維護、更少運營成本投入的特性。

　　1.2技術應用現狀

　　波分網絡是當前運營商寬帶業務的主要傳送承載網絡，具備大帶寬、低時延、硬管道等優點，國內運營商從2016年開始部署100GOTN，目前現網還是主要使用傳統的波分設備，傳統波分技術使用復雜光層來支持多波道數承載，僅適合大容量、少站點的骨干網和城域核心。但未來要求網絡連接無處不在，將會出現大量的小型、超帶寬接入場景，這就意味著需要在網絡的末梢節點也同步配置復雜的光層調測和運維、大規模的電力費用投入，這對通信運營商來說是一大困境，是響應國家提速降費、節能減排打造綠色產業的攔路虎。

　　2.超寬傳送網絡構建的主要要素討論

　　2.1帶寬技術

　　首先從未來以視頻為主的業務對承載的需求分析看，主要存在高吞吐量、低時延等特點。當前的視頻業務大多采用Internet主流的TCP協議，TCP的確認機制保證了可靠性，但也帶來了吞吐量受限的問題。TCP吞吐量主要受限于三個因素，帶寬BW、往返時延RTT和丟包率。從承載網絡，就應從帶寬、時延、丟包三個方向盡量進行改善，以提高業務吞吐量從而保障業務體驗。

　　過去幾年，全網建設一直以帶寬擴容、業務提速為目前開展全網建設，但假設帶寬足夠，且良好的網絡質量可以不考慮丟包率，則時延成為決定性因素。如果時延過大，客戶體驗帶寬無法提升，此時僅提高帶寬無法解決問題，形象的稱之為“帶寬黑洞”。因此對時延的改善，也應作為今后網絡建設優化的一個重要因素進行規劃。

　　目前TCP協議包頭表征擁塞窗口(CWND)大小是16位，因此CWND最大值是64K字節，MSS的最大段長度，一般是1460字節，傳輸網中一般可以假設丟包率為0，因此最后一項不需要考慮。假設帶寬BW為10Gbps，單向時延10ms，則TCP協議的最大吞吐量只有26.3Mbps，遠低于網絡帶寬。考慮到網絡實際情況，業界通常認為4K/8K高清視頻等實時大通量業務的吞吐量需要達到實際碼流速率的1.5倍，才能保證業務質量。

　　因此4K高清視頻的吞吐量需求為30-45Mbps，所能容忍的最往返時延為12-17ms。雖然業界也提出了一些新技術來解決TCP協議的滑動窗口受限問題，例如RFC7323將滑動窗口的總大小擴容為30bit，應用層軟件采用UPD傳輸或者多TCP線程也可以改善滑動窗口帶來的吞吐量限制。但是這些解決方案需要網絡整體的升級改造，基于現有的網絡環境，通過改善光傳送時延從而降低時延是解決TCP協議滑動窗口受限問題的最直接和最有效的手段。

　　2.2網絡架構

　　再從寬帶網絡的基本架構看骨干、城域、接入是長期存在的三級架構，任何業務都無法突破此網絡架構。

　　首先，骨干網：要注意的便是容量提升和現有網絡架構的優化，保障網絡可以提供超帶寬和高效率。此外，隨著網絡結構復雜和業務容量增加，智能調度、按需分配和業務安全性逐漸成為新的關注點。城域/本地網：隨著家寬普及和帶寬提升，高速傳送、綜合承載，合理分配不同業務的承載路徑，對后期安全及維護意義重大。移動寬帶的普及也要求網絡更靈活，感知更靈敏。接入網：隨著縣鄉寬帶普及和速率提升和各運營商SDH設備的限制建設，OTN接入設備下沉完成高速接入、廣泛覆蓋，已成為承載網絡發展的必然趨勢[3]。

　　具體來看，對于IP骨干網來說，骨干路由器間互聯的接口速率不斷提升，10GE->40GE->100GE，未來還會采用400GE，需要光網絡提供高速傳輸通道;同時，為提高轉發效率、降低流量繞轉，IP骨干網進一步扁平化，需要增加新的核心節點，并實現核心節點之間的Mesh化互聯，這大大增加了骨干長距離傳輸電路的數量，同時，次核心節點和大型城域網也要通過高速通道直連到核心節點上。這些業務的發展要求我們的骨干光傳送網能夠提供:超高帶寬的傳輸通道，并保證高性能，低時延，而且可以進行大容量業務的靈活調度。

　　在城域范圍內，固網的寬帶普及和寬帶精品建設并舉，PON設備升級到10GPON，還會向下一代PON演進，以滿足固定寬帶接入速率不斷提升的要求;隨著用戶規模持續擴大，OLT建設量增加，需要光傳送網解決OLT的上行傳輸;另外，農村信息化建設會將光纖延伸到村，甚至農戶，需要光傳送網提供偏遠鄉村的長距離連接。因此為構建端到端的視頻承載寬帶網，作為通信網絡的基礎設施，光傳送網的規劃、建設和運維對于電信業務開展起著重要的作用。

　　2.3設備元器件

　　光子集成器件(PID)技術是解決高效大帶寬傳輸的一個突破性技術，其采用光層器件與電層芯片耦合技術，無外部光層，也無需光層調測，提供類似SDH的簡單運維。PID技術除了硅光子集成，還有二氧化硅平面光波導(SiO2-PLC)，III-IV族材料(如InP)單片集成[4]。相比其他二者，硅光PID的集成度最高，主要體現在其器件體積最小，因而同樣的空間可以容納幾倍的器件規模。當前，硅光PID技術已經實現80KM跨距內無需光放，外部無需色散補償模塊，并已實現單槽位400G，這意味著實現單環800G容量也僅需兩塊單板。

　　擴容時，在核心層直接擴展波道，在匯聚層增加PID單板，即插即用，非常方便。采用硅光PID技術可以極大簡化網絡設備，以一個單槽位400G的PID為例，如果原先采用10×40GOTU單板，那么直接節省90%槽位，此外還省掉MUX、DEMUX和DCM模塊，由此可以節省整個機房50%空間，節省單板功耗50%，節省光層備件50%，節省連纖50%。此外，由于硅光PID系統只需安裝PID單板和連接少量跳線，因此比原先波分系統節省工時節約40%。相比傳統元器件，硅光PID技術在集成度和功耗上占據極大優勢。

　　傳統光器件由多種材料組成不同的功能器件，各功能器件連接處由于材料的晶格結構不同，導致晶格失配，接觸界面不連續有缺陷，光在其中傳播就會產生散射而損耗;此外，由于不同材料折射率不同，光在介質間傳播也會導致不同程度的反射和折射，也產生一部分損失;同時，由于采用不同的材料來實現不同功能，各種材料對應生產工藝不同，因此一個器件的生產涉及眾多環節，分立器件裝配大量依靠手工調試和校驗，生產效率低，因此導致光器件價格居高不下。

　　而硅光PID技術由于統一工藝材料，所以器件內部沒有多材料導致的光損耗，因此為了獲得與傳統器件同樣的輸出功率，其光源的發射功率要低很多，因此模塊的功耗也相應降低了;同時，通過單一工藝流程實現整個器件的制備，并利用了現有成熟的微電子加工工藝(CMOS工藝)實現規模化、自動化生產，避免了產線重復投資，有利于降低設備制造價格。基于硅光PID技術的城域網絡在設備功耗和集成度上的具大技術優勢，實現了光層極簡可實現最具性價比的網絡架構。硅光PID一經商用，形成了超寬帶的商業正循環，實現低功耗、低運營成本的超帶寬網絡傳輸，是未來傳輸設備元器件的關鍵要素之一。

　　3.超寬綠色傳輸網絡構建思考

　　3.1骨干網建設思路

　　從云南現有運營網絡構建看，各大運營商公司從2013年開始已在省干層面開始規模建設100G傳輸網絡，100G系統在開通時間、整體成本、功耗等方面都大大優于以前的10G/40G系統。預計在未來2-3年時間里，業界將仍然以100G系統為主進行光網絡構建。100G產品的傳輸能力不斷提升，這主要取決于判決技術的持續進步，目前業界已經擁有了第三代的軟判決技術。

　　從100G產品問世之初，硬判決技術的背靠背OSNR容限只能做到13dB，傳輸距離也只有2500公里。軟判決技術成熟后，采用15%的編碼冗余，背靠背OSNR容限可以做到12dB，傳輸距離提升到3200公里。到第二代軟判決技術，采用20%編碼冗余，背靠背OSNR容限為11dB，傳輸距離進一步達到4000公里。現在業界最為領先的第三代軟判決技術采用25%的編碼冗余，背靠背OSNR容限更是達到了10dB的程度，傳輸距離可以提升至5000公里。

　　由此可以看出100G的傳輸性能實現了三級跳，這可以大大減少中繼的使用，節省網絡建設支出。大容量電交叉有效提升各種粒度業務疏導效率，是未來光網絡節點重要特性線路傳輸距離提升的同時，光網絡節點的交叉容量也在不斷增加。交叉容量的提升意味著業務調度梳理效率的提升。

　　3T的容量可以滿足2個線路方向，每個方向10個100G波道的業務上下和穿通(上下路：穿通按照1:1計算);14T的容量可以實現三個線路方向的互通和落地，以此類推，28T的容量可以用在連接4-5個線路方向的重要的樞紐節點，進行各種業務顆粒的疏導調度。骨干網絡的建設難點在于新技術ROADM，SDON需要占用大量的長途光纜和中繼光纜來實現保護和易維功能，現有光纜芯數小，備纖緊缺、光纜老化，基礎光纜建設建設周期長，需要較大的建設資金，目前主要通過根據資金情況適當選取段落更換或建設光纜來解決。隨著業務量增加和線路速率未來二干100G波分系統可提升到400G/1T，當前應持續對網絡路由進行豐富，優化提高傳輸性能。

　　4.結束語

　　可以預見，通過新型光元器件的規模商用，同時以超帶寬傳輸技術構建綠色高效的傳輸網絡時代即將到來，無處不在的信息通道，確保作為信息基礎設施的承載網絡可以滿足超大帶寬數據和最終用戶體驗要求，確保未來傳輸流量的幾何量級提升保障。運營商可以極簡架構回歸剛性硬管道，以絕佳的高可靠性、低時延為中國“互聯網+”和“中國制造2025”提供基本信息基礎保障。

　　參考文獻

　　[1]ITU-RM.2083-0[2]OVUM，2017

　　[3]智慧城市大數據、互聯網時代的城市未來.中信出版社，2015(2):126

　　[4]中國制造2025解讀：從工業大國到工業強國.機械工業出版社，2015(1)

　　通信工程師評職期刊：《當代通信》是由信息產業部主管，中國通信企業協會主辦，中國電信博物館承辦的通信類綜合刊物。自1994年創刊以來，因其豐富的內容、權威的報道，形成了自己的特色和影響。