摘要：未來，400G光傳輸系統將在100G的基礎上進一步提升網絡容量、降低每比特光傳輸成本和功耗，有效地緩解運營商面臨的業務流量及網絡帶寬持續增長的壓力。作為承載網絡流量最大的管道，傳送網需要提供更大的400G單波速率來滿足業務的需求。400G QPSK預計將成為干線長距傳輸的主要碼型，配合C+L光系統、C+L一體化光交叉，構筑超大容量、靈活智能的400G網絡。

0引言

近10年互聯網快速發展，流量年均增長率在40%以上，隨著數字新基建的啟動，5G、數據中心等新型基礎設施的建設以及數字化辦公、遠程醫療、遠程教育的發展，網絡容量的增長速度加快。業務流量增長推動了骨干網發展，預計骨干網絡的容量、單節點的容量增長率均將保持在20%以上。

骨干網絡需要滿足線路超大帶寬、節點大容量、靈活調度等需求，同時提升網絡性能，實現低時延、低抖動、低丟包、高可靠、高安全，以支撐數字經濟時代千行百業上云、工業智造的發展需求。為實現這些業務目標，骨干網需要在技術和架構上持續創新，引入400 Gbit/s高速線路、OXC(Optical Cross-Connect)設備、光電協同、智能化管控等先進技術。

運營商希望在滿足上述需求的同時，能夠通過技術進步實現頻譜和成本效率最大化，盡可能減少物理空間占用。本文對400G WDM傳輸系統的關鍵技術進行分析，探索400G WDM傳輸系統發展趨勢，結合400G WDM在干線和城域的試點情況探討400G應用情況。

1400G傳輸系統關鍵技術

400G WDM傳輸完成400Gbps數據的端到端傳送，包括客戶側、400G OTN封裝映射和400G線路側光傳輸的關鍵技術。

1.1 400G客戶側技術

在IEEE 802.3標準中規定了400G客戶側技術。400G客戶側光模塊在傳輸距離上主要包括100 m、500 m、2 km、6 km和10 km等規格。其中10 km傳輸距離是電信級運營商的主要應用，在技術方案上，目前主要有8×50G PAM4和4×100G PAM4 2種。8x50G PAM4方案可以滿足10 km傳輸要求,4×100G PAM4可滿足6 km傳輸要求。

1.2 400G OTN封裝映射技術

400G OTN主要由服務層和傳送層構成，如圖1所示。服務層面向客戶業務，根據業務種類和業務顆粒，映射封裝進對應的低階ODU(LO ODUk和LO ODUflex)容器，滿足任意業務承載需求。

圖1 N×B100G OTN協議棧（ITU-T G.709）

1.3 400G WDM 線路側傳輸關鍵技術

400G光系統要實現80波干線傳輸，需要突破400G線路側光模塊、光放大器、光交叉、光系統等關鍵技術。

1.3.1 400G線路側光模塊：向130G Bd的QPSK性能演進

400G線路側光模塊目前有16QAM、PCS-16QAM 和QPSK 3種調制格式，16QAM使用60G Bd,適合點到點傳輸，PCS-16QAM使用90G Bd，傳輸性能較強，適合城域、省干、中短距省際干線使用，但對于長距省際干線傳輸應用，需要采用QPSK調制格式，光電芯片的波特率要提升至130G Bd。

1.3.1.1 高速光電器件及合封技術突破帶寬限制

相干模塊采用傳統分離器件，分離模式阻抗不連續點多、阻抗不連續致整體帶寬降低較多，無法支持130G Bd波特率。如圖2所示，采用光電合封，將oDSP、調制器、驅動器、接收機等共基板合封，可消除關鍵阻抗不連續點，降低反射，提升帶寬。使用合封技術，帶寬可提升10 GHz以上，達到70 GHz，滿足130G Bd的帶寬需求。

圖2 光電合封減少連線阻抗，提升帶寬

1.3.1.2 高性能光算法補償系統損傷，逼近香農極限

光電器件指標離散性影響性能，端到端傳輸也存在一些損傷，使用常規方案實現的模塊性能一般與香農極限存在約2 dB的性能差距。通過DSP算法對損傷進行補償，實現端到端性能最優。DSP算法通過星座整形調制、器件損傷標定、非線性抑制技術來補償器件一致性指標缺陷、串擾、非線性等問題。通過器件損傷補償、非線性抑制補償等算法，性能可提升0.5 dB以上。

1.3.2 光放大器：突破材料與工藝，降低噪聲

采用130G Bd波特率的400G QPSK傳輸波道間隔需要150 GHz，長距傳輸容量需要達到80波，光纖的工作頻譜要擴展到C6T+L6T波段（C波段6 THz+L波段6 THz共12 THz頻譜寬度）。業界已商用的摻鉺光纖在波長超過1 610 nm后放大性能急劇劣化，需要進一步提升光放1 610 nm波段性能，將增益做到15~30 dB，優化噪聲系數，提升性能。為了在1 610 nm更長波段獲得更高的增益，摻鉺光纖材料也要突破。采用碲+鉺、鉍+鉺等配方，L波段放大范圍可擴展到6 THz，有效提升L波段長波長放大能力和優化噪聲系數，如圖3所示。

圖3 摻鉺光纖新元素摻雜及工藝突破提升L波段性能

1.3.3 光交叉：控制算法突破使能大帶寬低損耗WSS

波長選擇開關（Wavelength Selective Switches，WSS）模塊是實現光信號靈活交叉調度的核心器件，目前業界普遍采用基于硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）的技術實現WSS。

C6T+L6T波段意味著WSS需要在更寬的光頻譜范圍內實現更多波長的角度偏轉，這些需要WSS控制算法實現。配合更多像素點的LCoS芯片，需要多維度的創新性控制算法，使能多維度的調節，保障當LCoS芯片承載更多波長的時候，插入損耗、端口串擾和濾波損傷等性能不會有太大的劣化。

WSS的濾波帶寬由LCoS橫向分配給單位波長間隔的像素點數量決定，C6T+L6T波段需要LCoS的像素點達到2.4K以上。如圖4所示，C6T+L6T波段的WSS有分離和一體化2種架構。分離架構的L波段WSS可分批部署，減少初期成本，但C波段和L波段實際上是分成2個平面進行交換，調度靈活性受限；一體化架構連纖更簡潔，運維更簡單，支持統一C+L光平面調度。

圖4 C6T/L6T WSS分離及一體架構差異

C+L一體化光交叉的優勢為：C6T+L6T一體化光交叉比C6T WSS+ L6T分離式集成度提升一倍，可支持C6T+L6T全波段無阻塞調度，光支路側可支持全波段波長無關，安裝部署簡單。預計1~2年后可有一體化調度WSS的商用。

1.3.4 光系統：抑制受激拉曼散射影響，性能最優化

受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）會引起短波能量向長波轉移，SRS效應大小和波長數量、波長位置、功率強相關。在C6T+L6T系統中，400G波長數量增加1倍，SRS影響變為4倍，SRS效應導致的功率、OSNR、非線性變化更明顯。業界普遍采用填充光應對SRS效應對信號光的影響，該方案的優點如下。

a） 系統性能穩定。填充后系統工作在滿波，功率基本不變，性能穩定，網絡更安全。

b） 運維效率高。填充后，提前打通鏈路，全場景可預測，擴容或波長調度只是簡單的真假波替換過程，不需要耗時的反饋調測，效率高。

c） L波段性能提升，實現端到端性能和C波段相當。填充后，C和L波段都處于滿波狀態，L波段通過SRS效應可從C波段持續抽取能量，等效功率提升約2 dB，這個性能收益可以彌補L波段光放噪聲系數劣勢。

2400G傳輸系統發展趨勢

2.1 擴展可利用的新頻譜空間

傳輸技術的發展使得光傳輸系統的能力越來越接近于理論極限，新型高頻器件制造工藝的難度也越來越大，單波提速技術面臨巨大挑戰，開拓光纖傳輸系統新的可用頻譜，成為光網絡行業實現傳輸容量擴展的創新方向。拓展新波段光纖通信系統最關鍵的技術基礎在于開發能夠滿足新光譜應用的光纖放大器。目前，已有支持基于C6T+L6T波段的光纖放大器。

2.2 突破非線性影響

在WDM傳輸系統中，受限于光纖的有效面積，即使較小的入射光信號功率也會在光纖中產生光信號與物理信道以及不同信號通道之間的失真等非線性效應。

隨著傳輸速率及器件帶寬的提升，信號對非線性失真更加敏感；另一方面，光系統正在占用更寬的頻譜（如C+L），意味著其入纖總光功率相較于僅采用C波段的光系統更大，由此帶來的信號非線性失真效應也將更強。因此，信道的非線性補償算法，將是影響下一代光傳輸系統容量進一步提升的關鍵因素。克服光信道非線性信號失真的主要研發方向包括接近實際信道的非線性理論模型及準確且簡潔的非線性補償算法，這也是未來進一步提升光纖容量需重點研究的技術方向。

2.3 網絡靈活調度技術

未來，面向數據中心間的協同計算，需要考慮T級別大帶寬動態調度需求，東西部間傳輸距離遠，除了光交叉的波長級調度外，還需從多個維度提升網絡靈活調度能力。

在全光交叉的基礎上，引入OTN電調度技術，讓節點具備兩層調度能力，實現調度、中繼、匯聚多種功能。波長資源、OTU線路端口池化部署，管控系統可根據業務需求，按需調度光電資源。

光電跨層調度開通如圖5所示。當光和電跨層打通業務時，需從算路、交叉創建、調測等維度考慮，實現業務一鍵式快速開通。

圖5 光電跨層調度開通

a） 光電兩層算路。綜合考慮已有的OCH資源、空閑OTU端口資源、業務SLA屬性等，使用光電層路由協同算法，計算出業務路由、資源需求和需要創建的OCH。

b） 自動選擇中繼。在光層算路時，需同步考慮傳輸性能和中繼選擇，通過對光層光參的數字化建模、精確評估系統收端OSNR、傳輸代價，自動選擇最佳中繼站點，確定中繼端口和波長分配。

c） 交叉創建。完成光電聯動算路后，把需要創建的光電交叉配置下發到設備，使設備完成光電交叉創建。

d） 自動調測。完成光交叉創建后，自動完成OCH波長的光功率調測，實現業務自動打通。

2.4 數字孿生和AI使能網絡運維智能化和自動化

400G WDM高速光系統更加復雜，運維體系也需要創新，實現運維智能化和自動化，同時變被動運維為主動防護，使光網絡的可靠性進一步提升。光網絡的智能運維系統在400G系統上已經具備一定的智能化和自動化，整體可采用如圖6所示的架構，并逐步演進完善。

圖6 智能運維系統架構

物理光網的數據底座和AI算法是實現運維智能化和自動化的關鍵。基于對網絡的感知，將物理光網數字化，建立數字孿生系統和各種物理模型，通過模擬仿真、實時預測，并結合大數據分析和AI算法，跟蹤過去，預測未來。

數字孿生主要的關鍵技術如下。

a） 光感知打造數據底座。通過鏈路、信道、光部件、業務4層光感知體系打造數字孿生數據底座。為了更快、更全面地進行故障預測、快速調測、同纜檢測等，除了采集傳統的功率、光信噪比、誤碼率、插損信息外，還需要光系統信息，如鏈路偏振態、偏振相關插損、濾波代價、非線性、時延、資源狀態、業務質量等。

b） 模擬仿真，實時同步。在網絡的運行階段，其狀態會隨著外界環境參數如光纖插損、SOP、業務調度、頻偏等實時變化，而數字孿生模型需要將這些變化實時地在數字空間內進行同步模擬仿真和計算。

c） 數據分析，智能預測。光物理網絡中會實時產生大量的數據，通過機器學習、AI等對這些數據進行分析，并結合經驗知識實現主動異常檢測、預測性維護，實現網絡運維的智能化和自動化。

在光網絡中應根據不同的場景選取合適的AI算法，并針對性地進行改進和適配，典型的AI算法包括神經網絡算法、時間序列預測算法、聚類算法和邏輯回歸算法等。

3試點成果

筆者參與了同省跨地（市）、跨省的400G WDM試驗網絡的驗證，結果表明400G WDM技術已經逐步成熟，試點驗證了400GE業務接入、400G OTN封裝能力均可以滿足業務需求，400G線路PCS-16QAM傳輸性能可滿足城域、省干、中短距省際干線應用要求，QPSK傳輸性能可滿足長距省際干線傳輸應用要求，光層系統的光放、WSS器件在C6T+L6T的能力還需要進一步的提升。

3.1 打造區域首張400G全光運力網絡

2022年打造某區域首張400G全光運力網絡，部署分離式全光交叉OXC，采用400G PCS-16QAM和400G QPSK 2種調制格式，開啟自動交換光網絡（ASON），接入100GE、400GE等多種業務，實現超低時延、超大帶寬、超高可靠、超強智慧、綠色低碳的高品質運力，助力東數西算樞紐節點的超強算力輻射該區域，實現“以算興業”，支撐該區域數字經濟高質量發展。

3.2 骨干網400G系統試商用

2021年，某運營商采用130 μm2大有效面積光纖的G.654.E光纖骨干光纜工程竣工。2022年，該光纜上建設了400G WDM系統，在互聯網骨干網核心節點間開通了400GE IP電路，路由器與WDM間使用10 km（LR8）客戶側模塊互聯，線路側使用PCS-16QAM調制格式，充分驗證了400GE IP+光的部署可行性和多廠家協同能力，為后續廣域網大規模部署400GE提供了經驗。400GE高速端口引入后，光纖資源節省75%，減少路由間互聯電路的繞轉，可顯著改善骨干互聯網時延性能。試商用網絡中，骨干互聯網節點間的距離超過2 000 km，為400G WDM商用部署和路由器400GE接口的應用積累了豐富的經驗。

4結束語

隨著云網融合、東數西算戰略的推進，千行百業上云帶來的流量快速增長，促進400G WDN技術在QPSK線路側、C+L光系統、一體化WSS光交叉、智能化運維等領域持續突破和提升性能，隨著400G WDM產品的逐漸成熟，骨干傳輸網絡將開始采用400G WDM傳輸演進和升級。

作者簡介：

閆飛，碩士，長期從事光傳輸、IP承載網、移動網絡的規劃建設工作，主導了中國電信FTTH/10GPON、政企OTN專網、ROADM網絡、163/CN2網絡、城域云網、DCI網絡、四區六軸骨干光纜網、5GC、IMS、無線網等網絡的規劃建設。

審核編輯：湯梓紅