“云網(wǎng)融合”背景下，光網(wǎng)絡(luò)的趨勢和機會

  ICC訊 2020年中國電信提出“云改數(shù)轉(zhuǎn)”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型目標，并發(fā)布《云網(wǎng)融合2030技術(shù)白皮書》。白皮書一方面是對中國電信“云改數(shù)轉(zhuǎn)”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的解讀，另一方面則全面闡述了云網(wǎng)融合的內(nèi)涵、意義、需求、特征、愿景和原則等。作為云網(wǎng)融合基礎(chǔ)設(shè)施“帶寬基石”的光網(wǎng)絡(luò)，如何使能云網(wǎng)融合，云網(wǎng)融合各個場景中光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展和演進方向是備受行業(yè)關(guān)注的內(nèi)容。

  云網(wǎng)融合背景以及對光網(wǎng)絡(luò)的需求

  十八大以來，黨和政府倡導智慧經(jīng)濟新發(fā)展理念，吸收新科技革命成果，實現(xiàn)生態(tài)化、數(shù)字化、智能化、高速化新舊動能轉(zhuǎn)換，建立現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的國家基本建設(shè)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，即“新基建”。其中“新型信息基礎(chǔ)設(shè)施”是“新基建”的重要組成部分，而云網(wǎng)融合正是中國電信在“新基建”時代順應(yīng)發(fā)展潮流提出的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型方向。

  云網(wǎng)融合是“新型信息基礎(chǔ)設(shè)施”的深刻變革，其內(nèi)涵在于將云網(wǎng)技術(shù)和生產(chǎn)組織方式進行全面深入的融合與創(chuàng)新，運營商在業(yè)務(wù)形態(tài)、商業(yè)模式、運維體系、服務(wù)模式、人員隊伍等多方面進行調(diào)整，從傳統(tǒng)的通信服務(wù)提供商轉(zhuǎn)型為智能化數(shù)字服務(wù)提供商，為社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定堅實、安全的基石。

  具體到光網(wǎng)絡(luò)，云網(wǎng)融合要求光網(wǎng)絡(luò)提供更高速、更大寬帶、更泛在、更廉價的帶寬服務(wù)，進一步夯實帶寬基礎(chǔ)。以下從云內(nèi)、云間、入云到云邊協(xié)同4個場景分別進行闡述。

  ①云內(nèi)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光網(wǎng)絡(luò)

  數(shù)據(jù)中心是近5年流量增長最快、驅(qū)動光通信技術(shù)發(fā)展最重要的動力之一。早在2018年，Cisco公司全球云指數(shù)研究就預(yù)測：到2021年全球超過85%的流量是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和中心之間的東西向流量，只有不到15%是用戶訪問數(shù)據(jù)中心的南北向流量。

  目前數(shù)據(jù)中心光模塊的速率和市場規(guī)模均已超越傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)市場。近幾年，電信網(wǎng)絡(luò)市場光模塊發(fā)展的一個重要方向是研究如何借鑒和重用數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)，借助數(shù)據(jù)中心光模塊的海量需求降低電信市場光模塊的成本。例如4G/5G前傳的10Gbit/s和25Gbit/s光模塊相當一部分重用了數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)，電信設(shè)備的100GE和未來400GE光模塊的技術(shù)要求也越來越與數(shù)據(jù)中心要求趨同，例如400GE光模塊可能傾向于采用數(shù)據(jù)中心使用的2km短距光模塊。

  數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光通信發(fā)展近期的熱點是板上光通信，包括板上光子聯(lián)合體(COBO)、光電合封(CPO)等，板上光通信技術(shù)對設(shè)備形態(tài)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)帶來革命性變化，值得整個產(chǎn)業(yè)鏈高度關(guān)注。

  ②云間數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)光網(wǎng)絡(luò)

  隨著云計算和數(shù)據(jù)中心流量的快速增長，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的帶寬增長超過傳統(tǒng)運營商，Google、Facebook等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模和水平直逼傳統(tǒng)電信運營商。隨著帶寬需求的持續(xù)增長，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和電信運營商在數(shù)據(jù)中心之間(DCI)組網(wǎng)的技術(shù)路線開始趨同，均走向了以L1層波分復(fù)用(WDM)技術(shù)為主的方案。而且隨著DCI業(yè)務(wù)流量的快速增長，如何在單根光纖實現(xiàn)傳輸容量的最大化，成為DCI光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

  (1)提升單波速率。我國已經(jīng)全面部署基于相干光通信技術(shù)的80×100Gbit/s WDM系統(tǒng)，近幾年運營商開始關(guān)注和部署單波長200Gbit/s和400Gbit/s的WDM系統(tǒng)，例如基于PM-16QAM調(diào)制的80×200Gbit/s WDM系統(tǒng)已經(jīng)在部分城域網(wǎng)少量干線有所部署，面向長距離傳輸單波長200Gbit/s和400Gbit/s WDM技術(shù)也已經(jīng)有了大量1000km以上長距離現(xiàn)網(wǎng)試點報道，即將進入商用。單波長600Gbit/s和800Gbit/s的相干光通信技術(shù)也已提上了日程，但目前傳輸距離等性能都存在很大不足，只能局限在短距離應(yīng)用，距離商用還有較大差距。

  (2)增加可用波長。我國全面部署的WDM系統(tǒng)主要制式是C波段80×50GHz(4THz)。過去幾年已經(jīng)有少量系統(tǒng)采用C波段96×50GHz(4.8THz)，增加了20%的可用波長。進入單波長200Gbit/s時代，為了實現(xiàn)距離相當前提下容量翻番的目標，運營商提出了80×75GHz(6THz頻譜)的擴展C波段WDM系統(tǒng)需求，目前已經(jīng)成熟并開始商用部署。至此，擴展C波段的可用頻譜提升了50%。運營商的下一步目標是單波長400Gbit/s時代在繼續(xù)保持距離前提下的容量翻番，擴展對象是L波段。在過去十年，歐美國家已經(jīng)部署了相當規(guī)模的C+L波段WDM系統(tǒng)，其總頻譜大約是9.6THz，還不足以實現(xiàn)總?cè)萘糠哪繕恕Ｄ壳耙試鴥?nèi)產(chǎn)業(yè)鏈為主體，正在研究擴展C+L的技術(shù)路線和方案，預(yù)計可用頻譜大約在11THz~12THz左右。學術(shù)界還在研究拉通O、E、S、C、L、U各個波段的全波段光放大技術(shù)，這是更遠期的研究目標。單模光纖可用波段示意圖，如圖1所示。

圖1 單模光纖可用波段

  ③高品質(zhì)入云光網(wǎng)絡(luò)

  隨著“新基建”戰(zhàn)略的推進，云計算進入普惠發(fā)展期，政務(wù)、金融、交通、物流、教育、娛樂等行業(yè)加速上云。企業(yè)用戶對入云(或者說上云)服務(wù)的需求是多樣化的，例如帶寬的需求可能是從幾Mbit/s到幾十Tbit/s，連接方式也有點到點、點到多點、多點到多點等需求，對服務(wù)品質(zhì)的要求更是千差萬別，因此很難用單一技術(shù)方案來解決所有用戶的入云需求。

  (1)提升入云服務(wù)品質(zhì)。目前，企業(yè)對于云網(wǎng)融合產(chǎn)品及服務(wù)的訴求不斷提升，尤其是政務(wù)、金融、醫(yī)療、工業(yè)園區(qū)等高價值行業(yè)用戶對云的安全性，以及網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延、可靠性、安全性、自管理等提出了明確的指標要求，這對運營商現(xiàn)有的云網(wǎng)融合產(chǎn)品及服務(wù)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

  對于高品質(zhì)的企業(yè)入云服務(wù)需求，光傳送網(wǎng)(OTN)技術(shù)無疑是最佳的解決方案。OTN技術(shù)可以提供滿足安全度、可靠度、便捷度、響應(yīng)度、感知度5個維度要求的高品質(zhì)云網(wǎng)融合服務(wù)，全面適配不同行業(yè)用戶在辦公系統(tǒng)云化、生產(chǎn)系統(tǒng)云化、核心系統(tǒng)云化的需求。

  (2)增加入云服務(wù)靈活性。OTN技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展已有20余年，其剛性管道和高品質(zhì)優(yōu)勢廣為人知，但是其以Gbit/s為單位的粗放帶寬顆粒度極大地提高了準入門檻，將一大批中小企業(yè)用戶擋在了門外。為此，中國電信聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈推出了城域優(yōu)化OTN(M-OTN)的概念，通過技術(shù)創(chuàng)新，引入了最低可達2Mbit/s顆粒度的光業(yè)務(wù)單元(OSU)技術(shù)，實現(xiàn)了“一業(yè)務(wù)一管道”的精細化服務(wù)，從而很好地在OTN技術(shù)的高品質(zhì)和業(yè)務(wù)的精細顆粒需求之間達成了平衡，一躍成為業(yè)界矚目的焦點。

  OSU作為一種創(chuàng)新的低階容器，能夠承載2Mbit/s到100Gbit/s的多顆?？蛻魝?cè)業(yè)務(wù)接入;同時基于硬管道安全隔離的屬性，提供穩(wěn)定的低時延、靈活可調(diào)可控能力，可以有效地匹配高品質(zhì)專線入云業(yè)務(wù)的差異化需求;更重要的是，OSU支持快捷的無損帶寬調(diào)整能力，是面向高品質(zhì)云網(wǎng)融合應(yīng)用的最佳承載技術(shù)。同時，OSU很好地兼容了現(xiàn)有OTN網(wǎng)絡(luò)成熟的ODUk/ODUCn技術(shù)體系，支持平滑升級，可以保護現(xiàn)有OTN網(wǎng)絡(luò)投資，因此得到了運營商的一致認可。OSU業(yè)務(wù)封裝及復(fù)用結(jié)構(gòu)如2所示。

圖2 OSU業(yè)務(wù)封裝及復(fù)用結(jié)構(gòu)

  ④云邊協(xié)同城域邊緣光網(wǎng)絡(luò)

  隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展、數(shù)據(jù)的不斷增加，基于云的物聯(lián)網(wǎng)解決方案漸漸無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，越來越多的企業(yè)開始將目光轉(zhuǎn)向邊緣計算，并將其作為云的延伸擴展，以加快數(shù)據(jù)分析的速度，便于企業(yè)更快更好地做出決策。云邊協(xié)同成為光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的又一動力，特別是面向高品質(zhì)行業(yè)應(yīng)用的云邊協(xié)同，對邊緣網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延、抖動等質(zhì)量都提出了較高要求。此外，5G前傳也對邊緣光網(wǎng)絡(luò)提出了較高的帶寬需求。諸多需求相結(jié)合，城域網(wǎng)絡(luò)邊緣層成為一個新的帶寬增長熱點，第一次將WDM技術(shù)引入到了網(wǎng)絡(luò)的邊緣層。

  邊緣光網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求不如骨干光網(wǎng)絡(luò)大，目前基本還在百G以下，同時對成本非常敏感，骨干光網(wǎng)絡(luò)已普及的高速相干光通信技術(shù)近期還難以達到成本預(yù)期。因此，在云邊協(xié)同城域光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，應(yīng)重點關(guān)注單波長100Gbit/s及以下的低成本非相干技術(shù)方案。筆者認為，O波段的密集波分復(fù)用技術(shù)值得業(yè)界重點關(guān)注。

  O波段在單模光纖中處于低色散且損耗較小的區(qū)域，如圖1所示，傳統(tǒng)上作為客戶側(cè)光信號的工作窗口，25Gbit/s和50Gbit/s信號選用O波段的主要原因是較小的色散代價，可以保證25Gbit/s NRZ及50Gbit/s PAM4信號10km甚至更長的傳輸距離，無需色散補償。但是隨著客戶側(cè)業(yè)務(wù)速率提升，行業(yè)也開始引入WDM技術(shù)，例如IEEE定義的100GE-LR4和100GE-ER4接口就采用O波段800GHz間隔的LWDM(Lan WDM)。中國電信提出將O波段800GHz間隔的LWDM(同時符合ITU-T對DWDM的定義)作為5G前傳的解決方案，并和中國移動及眾多國內(nèi)外合作伙伴共同在ITU-T推動了聚焦O波段WDM技術(shù)標準化的G.owdm標準的立項。

  隨著DSP技術(shù)的成熟，業(yè)內(nèi)還有一種將O波段WDM系統(tǒng)的單波長提升到100Gbit/s的方案。例如100G Lambda MSA組織正在研究的400GE-LR4/LR方案，就計劃采用4波長、800GHz間隔的O波段WDM技術(shù)通過4×100Gbit/s PAM4信號實現(xiàn)400GE業(yè)務(wù)接口。因此面向云邊協(xié)同，在光網(wǎng)絡(luò)的接入層和城域邊緣層，O波段WDM技術(shù)是一種非常值得關(guān)注的高性價比方案。

  結(jié)語與展望

  隨著“新基建”理念深入人心和千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入推進，云網(wǎng)融合已成為電信運營商的共識。中國電信云網(wǎng)融合的愿景目標是通過實施虛擬化、云化和服務(wù)化，形成一體化的融合技術(shù)架構(gòu)，最終實現(xiàn)簡潔、敏捷、開放、融合、安全、智能的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的資源供給。作為云網(wǎng)融合基礎(chǔ)設(shè)施的“帶寬基石”，光網(wǎng)絡(luò)將責無旁貸地承擔起為云網(wǎng)融合業(yè)務(wù)發(fā)展提供更高速、更寬帶、更泛在、更廉價的帶寬服務(wù)職責。

  針對云內(nèi)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心已成為光模塊市場發(fā)展和技術(shù)進步的第一推動力，目前400Gbit/s光模塊開始普及，800Gbit/s也已經(jīng)開始出現(xiàn);未來發(fā)展趨勢是電信設(shè)備光模塊借鑒和重用數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù);板上光通信是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光網(wǎng)絡(luò)下一個發(fā)展熱點，值得整個行業(yè)高度關(guān)注。

  針對云間數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)光網(wǎng)絡(luò)，電信運營商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)將DCI技術(shù)路線統(tǒng)一到L1層的WDM技術(shù)上來;適合數(shù)據(jù)中心機房部署、面向DCI的專用盒式傳輸設(shè)備形態(tài)已經(jīng)得到業(yè)界高度認同;單波長400Gbit/s WDM系統(tǒng)已在DCI場景廣泛部署，下一步正在研究800Gbit/s甚至更高速率的WDM技術(shù);進一步提升單波長速率、擴展波段范圍是DCI WDM系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，需要業(yè)界共同努力推進擴展C和C+L等新型WDM技術(shù)的成熟和商用。

  針對高品質(zhì)入云光網(wǎng)絡(luò)，面向高品質(zhì)的企業(yè)入云服務(wù)需求，OTN技術(shù)可以提供安全度、可靠度、便捷度、響應(yīng)度、感知度5個維度高品質(zhì)云網(wǎng)融合服務(wù)，是最佳解決方案;M-OTN引入了新的OSU低階容器，克服了傳統(tǒng)OTN業(yè)務(wù)顆粒過于粗放的缺點，實現(xiàn)了2Mbit/s顆粒度起、“一業(yè)務(wù)一管道”的精細化高品質(zhì)服務(wù)，未來將在高品質(zhì)入云服務(wù)中扮演重要角色。

  針對云邊協(xié)同邊緣光網(wǎng)絡(luò)，5G前傳和邊緣計算的興起帶來的海量帶寬需求第一次將WDM技術(shù)引入到了網(wǎng)絡(luò)的邊緣層;基于性價比優(yōu)勢，單波長100Gbit/s及以下速率的非相干光通信技術(shù)將是現(xiàn)在和未來相當長一段時間內(nèi)邊緣光網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)形態(tài);此外，O波段WDM技術(shù)是一項非常值得關(guān)注的新興技術(shù)，希望產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，盡快選擇合理技術(shù)路線在ITU-T完成G.owdm標準的制定工作。[李俊杰,霍曉莉,閆飛,武曉峰.光網(wǎng)絡(luò)如何使能云網(wǎng)融合[J].通信世界,2021(09):30-32.]