400G OTN/WDM的技术方案及应用部署建议

随着超大规模数据中心对带宽需求的日益提升，数据中心快速增长，产品迭代加速，应对市场需求对于供应商的技术、工艺挑战愈发明显，光传输技术已朝向超高速、超大容量方向发展。当前，各大企业及运营商正在积极推进400G技术的应用部署。接下来，本文着重为大家介绍400G OTN/WDM 技术发展，详细的分析400G 的应用场景和技术方案考虑。

400G 国际标准主要由ITU-T、IEEE 和OIF 3 个组织制定，各有侧重。国内由CCSA TC6 制定相应行业标准。

ITU- T SG15 负责制订光传送网络相关标准规范。在2016 年9 月修订完成的G.709 标准中，定义了以 5G 时隙为最小粒度并加入复用段映射结构的OTUCn 帧格式，为超100G 大带宽业务确定了承载方式。在2017 年6 月完成发布了采用RS-FEC 的短距FlexO-SR 标准（G.709.1），2018 年2 月完成发布了采用SC-FEC 的长距FlexO-LR 标准（G.709.3）。G.698.2 标准主要规范线路侧光接口指标，在即将完成的100G 接口标准基础上，2018 年2 月启动了针对200G/400G 接口的标准化工作。为满足陆地100G 及以上高速系统传输，在中国联通等单位提交现网测试数据基础上，2016 年9 月修订完成了G.654 光纤标准，针对陆地应用，新增了G.654.E 子类，与G.652 光纤相比有更大的有效面积和相同的宏弯损耗。

IEEE802.3 工作组主要负责400GE 接口标准化，IEEE802.3bs 标准已于2017 年12 月正式发布，重点规范了基于PAM4 调制编码方式的8 通路波分复用2 km/ 10 km 单模光纤应用（400GBASE-FR8/LR8）等。该标准的正式发布更好地解决了数据中心和运营商网络速率更高、容量更大的应用需求。

OIF 主要负责物理链路层（PLL）的光电模块和高速接口等标准化。2015 年7 月发布了《400G 技术选择白皮书》，围绕调制格式、应用场景、频谱间隔、载波数量等进行分析，梳理400G 高速传输关键技术，并针对城域、长距和超长距等不同应用场景提出解决方案。 2017 年8 月发布了《灵活相干DWDM 传输框架》，规范了骨干长距（1 000~1 500 km）、城域（100~1 000 km）和数据中心互联（50~100 km）等应用场景的灵活相干 DWDM 传输技术，为模块、器件及设备商提供技术指导，并根据应用场景给出了调制方式建议。同时还发布了发射机和接收相关标准，包括规范支持20/30/40GHz 带宽的集成内差探测相干接收机（u-ICR）和支持 64G 波特率的高带宽偏振复用调制器（HB-PMQ）等IA文件。OIF 同时正在制定面向城域应用（80~120 km）的400G-ZR 标准。

2017 年12 月完成了《N×400G WDM 系统技术要求》行业标准送审稿的讨论，即将报批。该标准对应用于骨干网的不同400G WDM 技术在不同光纤上的传输能力进行了明确规范。结合ITU-T G.654 标准的修订完成，以及中国联通开展的G.654 现网试点工作， 2017 年4 月完成了国内G.654.E 光纤行业标准，已报 批，即将正式发布。

相比于技术归一化的100G 技术，400G 技术实现方式多样化，引入了高阶调制、灵活栅格、频谱整形和多子载波等技术，且需要用到比100G 时代更窄线宽的激光器，约100 kHz。

不同应用场景可有不同400G 技术实现，对城域应用，主要是单载波16QAM 为主；对骨干网应用，主要是双载波16QAM、双载波8QAM 和双载波QPSK 这3 种 实现方式，三者主要比较如下表所示。

从图表中可以看出，双载波QPSK 技术需要用到高波特率器件，对DAC/ADC 提出了很大挑战，从当前技术成熟度和光器件发展水平，双载波16QAM 和双载波8QAM 是骨干网应用较为成熟的技术。

通常正交幅度调制（QAM）格式下所有星座点都有相同的使用概率，为了进一步提升系统传输能力，业内提出了概率星座整形（PCS——Probabilistic Con⁃ stellation Shaping）技术。该技术对不同位置星座点的使用概率进行调整，以小振幅星座点使用概率更大，大振幅星座点使用概率更小的方式来传输信号，这样将对噪声和其他非线性损伤具有更大容忍度和适应性，从而能对传输速率进行调整以更好地适应传输信道，提升容量，使光纤网络传输容量更接近香农极限。 线性传输通道PCS 技术理论上有最大1.53 dB 的性能提升，非线性通道性能提升量将会更大。PCS 技术已成为高阶调制系统中非常有效的传输能力提升手段，正在逐步走向实用。

ITU-T G.694.1 标准规范了灵活栅格技术，中心频率以193.1 THz 为基准，以6.25 GHz 的整数倍为步长增减频率，频率栅格宽度按照12.5 GHz 的整数倍增加。引入灵活栅格技术，可以实现频谱的精细管理和高效利用，获得更大的频率效率。但是相比于当前基于50 GHz 固定间隔进行系统设计和工程部署，灵活栅格的400G 技术在应用时也存在以下问题需考虑。

①OTU 需要支持灵活栅格，合分波和ROADM 也必须支持灵活栅格，才可实现端到端的灵活栅格。

②需要考虑传输距离与传输容量（频谱效率）间的平衡，灵活栅格通常会带有频率整形，而频谱整形在一定程度上会降低传输能力。

③需要频率和波长分配管理，对于点到点应用，灵活栅格可以简洁有效提高频谱效率，增加系统容量，但对ROADM 复杂组网中，需要全程端到端的波长分配和频率管理，否则不同节点带来的频谱碎片可能会导致频谱利用率低，系统总容量比固定栅格更低。

OSNR 仍然作为WDM 系统的关键性能参数，但是在多子载波超级通道的400G 系统中，传统50 GHz 间隔单载波OSNR 的定义和测试方法不再适用，需要分别对每个子载波进行测试，然后考虑超级通道的OSNR 指标。

ITU-T G.698.2 中针对高阶矢量调制信号引入了误差矢量幅度（EVM——Error Vector Magnitude）参数，表征信号星座图偏离理想星座点的误差，成为高阶调 制信号质量评价和系统性能监测评估的重要参数，也将在400G 系统中继续应用。

400G 发射机均支持灵活速率和调制方式可编辑，单载波可同时支持QPSK 调制的100G 和不同调制格式的200G。因此400G 系统支持与100G 系统的混传部署，且不需要保护带。但在混传时，需注意各自的传输能力差异。

中国联通在济南—青岛开展的多厂家400G 系统现网试点，测试了G.654.E 光纤和G.652 光纤上的传输能力，充分验证了G.654.E 光纤对400G 传输能力的提 升。

目前中国运营商光缆网络中建设了大量G.652 光纤，加上存量G.655 光纤，以及即将部署的G.654.E 光纤，网络将在一段时期内同时存在3 种光纤。

3 种光纤有效面积存在较大差异，如下图所示。非线性效应与光纤有效面积和光纤功率密度相关，光纤有效面积越大，相同功率密度下可入射光功率越高，同种调制格式（16QAM 为例）下，G.655 光纤入纤功率最小，约0 dBm，而G.654.E 光纤可达2.5 dBm。

因此在现网部署400G 技术时，优先考虑部署在G.654.E 和G.652 光纤中，尽量避免应用G.655 光纤，其无电中继距离较短。

中国联通骨干传输网普遍部署光复用段保护（OMSP）来提高骨干网业务可靠性。在OMSP 配置中，对于多速率灵活设置和多光纤链路选择等应用场景需考虑以下几个问题，尽量保证主备用路由的性能，否则会存在采用不同光纤路由切换后系统无法工作的风险。

①不同速率混传（100G 与400G）时，需考虑不同速率时的无电中继传输能力差异。

②相同速率不同调制方式（双载波 16QAM 与 8QAM 等）时，需考虑不同调制格式传输能力差异。

③主备用不同光纤类型时，需要考虑不同光纤上400G 系统传输能力差异。

随着光通信产业的发展，市场的痛并快乐着的局面总是在不断推进产业的兼并整合进程。随着400G OTN/WDM技术的成熟和标准化完成，400G 技术将逐步在骨干网和城域网中应用。