800G一代相干與新常態(tài)

  ICC訊（編譯：Nina）俗話說：“預(yù)測很難，尤其是未來?！焙苌儆腥祟A(yù)見到COVID-19會(huì)對我們的健康或全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響，更不用說我們的網(wǎng)絡(luò)了--盡管COVID-19只是加速了向在線購物、流媒體娛樂、虛擬教育和遠(yuǎn)程工作等趨勢的轉(zhuǎn)變。由于大量人員在家工作或?qū)W習(xí)，流量模式的地理和一天中的高峰時(shí)段發(fā)生了變化。整體互聯(lián)網(wǎng)流量的年增速從以往的25%左右上升到35%左右。

  另一方面，一些5G項(xiàng)目被推遲，運(yùn)營商選擇優(yōu)先擴(kuò)容現(xiàn)有平臺(tái)而不是進(jìn)行新平臺(tái)和技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)更新。芯片短缺變得普遍，影響了從汽車到消費(fèi)電子再到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等多個(gè)行業(yè)。與此同時(shí)，客戶和政府對網(wǎng)絡(luò)宕機(jī)的容忍度越來越低?，F(xiàn)在，疫苗在世界上許多地區(qū)(盡管不是全部)的推廣速度正在加快，隧道的盡頭出現(xiàn)了曙光。但新常態(tài)會(huì)是什么樣子呢?

  一切都不一樣了

  向網(wǎng)上購物和在線娛樂的轉(zhuǎn)變可能會(huì)持續(xù)下去。向居家辦公的轉(zhuǎn)變不太可能完全逆轉(zhuǎn)。然而，許多在家工作的人將不愿意重新開始全職通勤，而且對許多人來說，辦公室工作和遠(yuǎn)程工作的混合模式將成為新常態(tài)。商務(wù)旅行最終將恢復(fù)，但在線會(huì)議的成本和時(shí)間效率意味著后者可能也將繼續(xù)存在。教育最有可能恢復(fù)到以前的常態(tài)，不過大流行期間使用的許多在線工具將繼續(xù)用于補(bǔ)充現(xiàn)場學(xué)習(xí)?；ヂ?lián)網(wǎng)流量增長預(yù)計(jì)將回落至疫情前的20%左右，這仍然是一個(gè)健康的增長速度。大流行引起的芯片短缺在未來幾年新的產(chǎn)能上線之前不會(huì)得到緩解。大流行后，我們可能會(huì)看到被推遲的5G項(xiàng)目恢復(fù)和由刺激計(jì)劃支持的寬帶基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展，以解決數(shù)字鴻溝，并更好地連接農(nóng)村和服務(wù)不足的社區(qū)。

  在光網(wǎng)絡(luò)方面，運(yùn)營商在尋求以一種既經(jīng)濟(jì)又及時(shí)的方式解決流量增長問題時(shí)，仍然面臨著一些已經(jīng)存在的挑戰(zhàn)。他們需要降低每公里比特的成本。他們需要在不增加功耗或所需機(jī)架單元數(shù)量的情況下擴(kuò)展帶寬。許多運(yùn)營商還希望通過諸如400GbE租賃線路等新業(yè)務(wù)來增加收入。他們需要最大限度地提高光纖容量，因?yàn)楂@取和部署新光纖的成本很高，特別是考慮到批發(fā)暗光纖在幾個(gè)市場的可用性下降。

  相干技術(shù)進(jìn)展

  那么相干光學(xué)技術(shù)如何幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)呢?用于構(gòu)建ASIC(為7nm CMOS工藝節(jié)點(diǎn)提供DSP和其他數(shù)字功能)的硅技術(shù)的發(fā)展，以及支持大于90Gbaud符號(hào)速率的光子技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，使800Gbps相干光引擎的發(fā)展成為可能。與受功耗限制和可插拔外形尺寸(如QSFP-DD和CFP2)限制的相干引擎不同，嵌入式光學(xué)引擎優(yōu)先考慮光學(xué)性能和最先進(jìn)的光學(xué)特性，并使用更大型、更強(qiáng)大的ASIC/DSP。例如，一個(gè)這樣的ASIC/DSP有超過50億個(gè)晶體管，而400G相干可插拔的ASIC/DSP大約有15億個(gè)晶體管。

  為了解決每公里比特成本的挑戰(zhàn)，與前幾代光學(xué)引擎相比，800G一代光學(xué)引擎顯著提高了波長容量范圍動(dòng)態(tài)(wavelength capacity-reach dynamic)的結(jié)果。例如，基于16nm CMOS的600G一代和之前基于28nm CMOS的400G一代在其主要數(shù)據(jù)速率下可以提供幾百公里的傳輸距離。新的800G一代在陸地網(wǎng)絡(luò)中可以傳輸600Gbps到2500公里以上，在水下網(wǎng)絡(luò)中可以傳輸400Gbps到7500公里以上，這使得這一代新一代引擎成為在任何地方提供400GbE服務(wù)的理想選擇。借助雙波長光引擎，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商還可以通過兩個(gè)600G線路側(cè)波長提供三個(gè)400GbE客戶端服務(wù)，與無法利用每個(gè)600Gbps波長中超過200Gbps的容量的單波長引擎相比，每400GbE的成本降低了三分之一。即使是800Gbps的數(shù)據(jù)速率，傳輸距離也可以延伸到800公里以上，并具有生產(chǎn)水平的裕度。

  波長容量范圍很重要，如果光學(xué)引擎可以提供多出50%的波長容量，每比特成本將降低33%，而波長容量增加一倍將使每比特成本減半。波長容量范圍也與每公里每比特瓦特?cái)?shù)方面的功耗以及每公里每比特轉(zhuǎn)發(fā)器機(jī)架單位方面的占地面積密切相關(guān)。

  三個(gè)主要性能因素

  那么，是什么讓800G一代光引擎能夠在波長容量范圍上實(shí)現(xiàn)如此飛躍呢?答案很簡單：波特率、高級功能和調(diào)制解調(diào)器信噪比 (SNR)。提高波特率可以為相同的數(shù)據(jù)速率使用低階調(diào)制。低階調(diào)制在星座點(diǎn)之間具有更大的歐幾里得距離，使它們在存在噪聲的情況下更容易正確區(qū)分。由于增加波特率可以按比例增加波長的頻譜，因此，較高波特率本身所減少的范圍在很大程度上被相同功率譜密度增加波長功率的能力所抵消。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將波特率加倍可使波長容量加倍，而覆蓋范圍減少不到10%。此外，在800Gbps時(shí)，即使波特率的小幅增加也可以顯著增加覆蓋范圍。例如，與完整PM-64QAM下800Gbps所需的最小波特率相比，將波特率提高15%可以使用概率星座整形 (PCS) 實(shí)現(xiàn)800Gbps的四倍覆蓋范圍。

  第二個(gè)因素是高級功能。與基于16nm CMOS的600G一代相比，用于800G一代相干DSP的7nm CMOS技術(shù)使晶體管數(shù)量大約增加了一倍。這種額外的處理能力使DSP能夠提供新的功能，如長碼字和第二代奈奎斯特?cái)?shù)字子載波。

  與傳統(tǒng)的QAM調(diào)制相比，PCS具有許多優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)調(diào)制的剛性帶寬步長相比，它提供了更平滑的粒度，并使最佳波特率能夠用于給定的數(shù)據(jù)速率，而不是與傳統(tǒng)調(diào)制的每符號(hào)位匹配的波特率。此外，對于相同的波長功率和每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)，PCS可以在星座點(diǎn)之間提供更大的歐幾里德距離，從而降低對噪聲的敏感性并增加容量范圍，長碼字使該增益接近其理論最大值。

  同時(shí)，奈奎斯特?cái)?shù)字子載波可減少色散 (CD)，從而減少補(bǔ)償色散時(shí)光學(xué)引擎內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。由于波特率和色散之間的平方關(guān)系，更多的子載波比更少的好。例如，八個(gè)子載波將色散的影響降低了64倍，而四個(gè)子載波降低的影響則為16倍。另一項(xiàng)創(chuàng)新是動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)，它結(jié)合了這兩個(gè)特性，使用PCS根據(jù)其懲罰優(yōu)化每個(gè)獨(dú)立子載波的數(shù)據(jù)速率，通常內(nèi)部子載波的數(shù)據(jù)速率略高，外部子載波的數(shù)據(jù)速率略低。

  第三個(gè)因素是由光學(xué)引擎內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲量驅(qū)動(dòng)的調(diào)制解調(diào)器信噪比。保持低噪聲從而提高調(diào)制解調(diào)器的信噪比是至關(guān)重要的，特別是在對任何噪聲都非常敏感的高數(shù)據(jù)速率(即800Gbps)下。高調(diào)制解調(diào)器信噪比要求光引擎、數(shù)字ASIC/DSP、模擬電子(驅(qū)動(dòng)器和跨阻放大器)和光子學(xué)(激光、調(diào)制器、光探測器等)的所有關(guān)鍵部件以及這些部件之間的射頻和光互連具有高性能。它還需要對這些組件進(jìn)行整體的協(xié)同設(shè)計(jì)，這反過來又需要深度的供應(yīng)商垂直集成。

  800G一代嵌入式光學(xué)引擎還利用了這些先進(jìn)的功能(概率星座整形、奈奎斯特子載波、動(dòng)態(tài)帶寬分配等)和高調(diào)制解調(diào)器信噪比，以最大限度地提高頻譜效率，C波段容量可能超過40Tbps。可選的L波段支持可進(jìn)一步增加總光纖容量超過80Tbps (C+L)。對于海底網(wǎng)絡(luò)，800G一代光學(xué)引擎的調(diào)制和波特率靈活性使得光纖的不同部分可以通過不同的模式進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最大的光譜效率。

  因此，800G一代嵌入式光學(xué)引擎可以解決運(yùn)營商面臨的許多挑戰(zhàn)，特別是在長途和海底光網(wǎng)絡(luò)中。它們還可以在特定的數(shù)據(jù)中心互連(DCI)和城域場景中發(fā)揮重要作用，例如光纖受限的DCI場景或具有高ROADM級聯(lián)的城域場景。因此，雖然未來很難預(yù)測，但我預(yù)測2021年將是在廣泛的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和應(yīng)用中采用800G一代相干技術(shù)的好年頭。

  備注：譯者能力有限，如翻譯有誤，請參考原文。

  原作者：Infinera解決方案營銷總監(jiān)PAUL MOMTAHAN。

  原文鏈接：800G Generation Coherent and the New Normal | Lightwave | https://www.lightwaveonline.com/network-design/high-speed-networks/article/14207812/800g-generation-coherent-and-the-new-normal

  Infinera完整白皮書下載鏈接：Maximizing the CapacityReach of 800G Generation Coherent: Baud Rates, Features, and Modem SNR | https://www.infinera.com/wp-content/uploads/Maximizing-the-Capacity-Reach-of-800G-Generation-Coherent-0271-WP-RevA-0920.pdf