400G集成相干光接收机技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究报告要点 本研究课题主要研究 400G 集成相干光接收机所涉及的关键技术，内容包括： 400G 相干光通信应用需求、标准进展以及实现方案 ； 400G 集成相干光接收机 国际标准 ； 400G 集成相干光接收机 技术实现方案 ； 400G 集成相干光接收机 市场情况 。 （传送网与接入网技术工作委员会光器件工作组） 研究单位： 烽火科技集团有限公司、中国信息通信研究院、深圳新飞通光电子技术有限公司、中兴通讯股份有限公司。 项目负责人： 马卫东、胡毅、 梁雪瑞、 江毅。 项目参加人：赵文玉 、武成宾、陈悦。 完成日期： 2017 年 3 月 31 日 目 录 1 引言 . 1 2 缩略语 . 2 3 400G 概述 . 3 3.1 400G 应用需求 . 3 3.2 400G 标准进展 . 4 3.3 400G 线路侧技术方案 . 6 4 400G 集成相干光接收机 . 8 4.1 集成相干光接收机技术发展趋势 . 8 4.2 集成相干光接收机标准进展 . 9 4.3 400G 集成相干光接收机实现方案 . 12 4.4 市场概况 . 14 5 结论和建议 . 17 参考资料 . 18 1 400G 集成相干光接收机 技术研究 1 引言 随着云计算、物联网、大数据、移动互联网、高清视频等新兴业务持续爆炸性的增长，运营商网络的传输带宽需求呈不断上升趋势。 2013 年 100G 开始大规模部署并成为骨干网主导，与此同时业界的关注点也已经开始转向 400G， 2017 年 400G 已 出现 市场 需求， 2018 年有望实现规模商用部署。 经过数年发展， 400G 技术已趋成熟。 400G 国际、国内标准正陆续发布， 400G 相关国际标准主要在 ITU-T、 IEEE 和 OIF 三大国际标准组织进行， ITU-T 主要对于 400G 物理层和400G OTN 开展标准化； IEEE 主要规范 400GE 和 200GE 等客户侧接口； OIF 针对互联互通和有关光电接口和接收机等展开研究。 本课题主要研究线路侧 400G 集成相干光接收机技术实现方案、国际国内标准进展以及市场情况。 2 2 缩略语 下列缩略语适用于本文件。 ACO 模拟相干光模块（ Analogue Coherent Optics） CEI 通用电气接口（ Common Electrical Interface） CFP 100 吉比特可插拔光收发合一模块（ Centum Form Factor Pluggable） DCO 数字相干光模块（ Digital Coherent Optics） DSP 数字信号处理器（ Digital Signal Processor） DWDM 密集型光波复用（ Dense Wavelength Division Multiplexing） EDFA 掺铒光纤放大器（ Erbium Doped Fiber Amplifier） FEC 前向纠错码 (Forward Error Correction) HB ICR 高带宽 集成相干光接收机 (High Bandwidth Integrated Coherent Receiver ) ICR 集成相干光接收机（ Integrated Coherent Receiver） ITLA 可调谐激光器（ Integrable Tunable Laser Assembly） LO 本 振光源（ Local Oscillator） NRZ 非归零码（ Non Return to Zero） OSNR 光信噪比 （ Optical Signal Noise Ratio） OTN 光传送网（ Optical Transport Network ） PAM4 4 电平脉冲幅度调制 （ 4 level Pulse Amplitude Modulation） PDM 偏振分割复用（ Polarization Division Multiplexing） QAM 正交振幅 调制 Quadrature Amplitude Modulation QPSK 正交相移键控（ Quadrature Phase-shift-keying） ROADM 可重构光分插复用器 (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) SPI 串行外设接口（ Serial Peripheral Interface） TIA 跨阻放大器（ Trans impedance Amplifier） 3 3 400G 概述 3.1 400G 应用需求 目前我国三大运营商都已经大规模部署了 100G 及 OTN 交 换技术，我国 100G 设备销售额已超过了 10G/40G 设备。在骨干网建设方面，我国自 2013 年起大规模部署 100G，建成了全球规模最大的 100G 光通信网络，并开始从骨干网逐步向城域网、本地网下沉。随着云计算、物联网、大数据、移动互联等新业务需求的出现， 400G 系统的商用也在加快步伐，国内三大运营商均已启动相关的网络测试工作。中国移动早在 2015 年就进行了 400G 测试，中国联通山东济南 -青岛试点现网测试已经启动， 2016 年 9 月第一批设备安装，开始 400G系统测试。设备商在 400G 光通信系统层面也已具备规模商用的 能力，华为已经与全球 50多个客户完成现网测试和商用部署， 2017 年 OFC 期间中兴通讯在先进的补偿算法的支持下，84-Gbaud PDM-8QAM 波分信号在标准单模光纤链路上成功地传输了 2125 公里，创造了单载波 400G 最长传输距离记录。从长远看，未来 5G 通信将不仅需要光纤化，而且需要趋近 Tbit/s 级别的高容量光系统。 400G、 600G 乃至 1T 系统的商用部署将为时不远。 从目前的需求现状来看， 400Gbit/s 技术的传输需求主要来自以下几个方面：一是 IP 骨干网和干线光传送网大容量传送。根据相关预测，未来我国运营商干线网流量的年增长率依然会高达 40%左右，到 2020 年核心骨干网带宽需求将可能达到 2011 年的 20 25 倍，链路容量可能达到 100T，节点容量有可能超过 400T。二是 数据中心 互联，目前比较大的 数据中心 出口带宽可达到一百几 百 Gbit/s 以上，每年还以 50%以上的速度在增长， 2015 年已经开始出现单波长 400Gbit/s 需求， 2020 年预计出现 1Tbit/s 需求。随着云计算的发展，使得不同 数据中心 之间的物理界限日益模糊， 数据中心 互联的带宽需求将进一步提升。而行业专网如现代科学计算高速数据网络、金融网络金融系统网络的带宽需 求也在逐年增加，都在推动传输容量的进一步提升。 光网络与光器件市场研究公司 Cignal AI 指出， 2017 年部署的 WDM 波长中将有一半以上是相干 200Gbps 波长，云计算服务提供商的 DCI 应用将是市场的主力需求。 2017 年中国100G 相干市场将继续延续强劲增长，同时西方国家的市场需求将会快速提升， 200G 技术的成熟及 CFP2-ACO 部署的增多将推动这些国家市场的快速成长。 200G 及 400G 波 长部署快速增多，将占据全年城域 WDM 部署的一半以上。根据市场研究公司 CIR 预测， 20162020年期间， 400G 以太 网端口需求数量也将大幅攀升。 4 图 1 WDM 市场比例（ Cignal AI 2016 半年度报告 ） 图 2 400G 以太网端口数量预测（数据来源于 CIR） 3.2 400G 标准进展 IEEE802.3主要开展客户侧接口 400GE的标准化工作，该项目于 2014年 3月正式立项 (项目编号为 802.3bs)，工作组主要为 400Gbps 下的单模和多模光纤传输的电接口、光接口以及调制格式等作出规定， 已经确定采用基于 26G 波特率 NRZ（非归零码）的 16 芯 100m 多模光纤应用（ 400GBASE-SR16）、基于 53G 波特率 PAM4（四电平脉冲幅度调制）编码的 4 芯500m 单模光纤应用（ 400GBASE-DR4）、基于 26G 波特率 PAM4 编码的 8 通路波分复用2km/10km 单模光纤应用（ 400GBASE-FR8/LR8）等，应用代码的性能参数定义与规范以及5 各通道 FEC（前向纠错码）编码和实现方式等一些关键问题也已确定。 预计 2017 年底能够正式发布标准 1。 图 3 IEEE 802.3bs 标准制定时间计划表 ITU-TSG15 的 Q6 和 Q11 分别负责超 100G 物理层和光传送网 (OTN)逻辑层的标准化工作，其中 Q6 主要把超 100G 应用的新型物理传输技术纳入到 G.sup39 文件之中，但对于超100G 的具体物理传输参数的标准化工作尚未开展； Q11 主要研究超 100Gbit/s OTN 的标准化工作，与超 100G(包括 400G)有关的 OTN 逻辑结构在 2016 年 3 月正式通过的 G.709 的修订版中已经体现。另外，随着 IEEE 802.3 有关标准的逐步推进，与其相关的映射方式等也将在 Q11 进一步明确。 OIF(光互联论坛 )的物理链层 (PLL)工作组主要负责光电模块及高速接口等标准化工作，2015 年已经发布了“ 400G 技术选择白皮书”，对 400G 调制格式、应用场景、频率栅格、载波数量、色散容限等方面进行分析和研究，并根据城域、长距和超长距等不同应用领域分析解决方案等 。 OIF 目前还在进行的 400G 相关项目有：光接口标准化项目 (400ZR Interop)， FlexE 接口中增加 200GE 和 400GE 速率的项目 (FlexE2.0)， CEI-112G、 CEI-56G、灵活相干DWDM 传输框架、高波特率相干调制功能、高带宽集成相干接收机、 IC-TROSA、 CFP2-DCO、CFP8-ACO 等。 国内外先后成立了相关 400G MSA(multi-source agreement)联盟。 CDFP MSA 在 2013年宣布成立，是由七家领先的网络机构组成的行业联盟，专门定义可互操作的 400 Gbps 可热插拨模块的规范并推动业界的使用 。 CDFP MSA 在 OFC2015 期间公布了针对 400Gbps（ 16*25Gbps）可插拔光模块的 3.0版本规范。 2016年 13家公司联合成立了 QSFP-DD MSA（ Multi Source Agreement，多源协议）小组，旨在打造一款密度翻倍的 QSFP 光收发器。该小组计划为 QSFP 制定标准以支持 200Gbps 和 400Gbps 以太网 应用。 2016 年 11 月 49 家光6 通信行业领导共同宣布成立针对 400Gbps 光模块的 OSFP（八进制的 Small Form-factor Pluggable） MSA， OSFP MSA 致力于为最高 400Gbps（从 8X50Gbps 开始）的光模块制定规范，其目标是在 1RU 大小线路卡之内支持 32 个端口模块应用，并支持数据中心到城域网的传输距离应用。其尺寸相比 QSFP 模块将略微宽一点深一点。 国内中国通信标准化协会 CCSA TC6 的 WG1 和 WG4 开展 400Gbit/s 的标准化研究工作，与国际基本同步，早在 2012 年发布“ 400G/400GE 承载和传输技术研究 ”，正式启动国内 400G 技术的标准研究。并在 2016 年立项了多个与 400G 系统和器件有关的技术要求和测试方法，预计在 2017 年将加快研究和标准制定进程。 综上来看， 400G 有关的国际标准将逐步在 2017 年成熟完善，国内与系统设备直接相关的标准也已经进入标准研究阶段，随着有关标准的成熟推出，将为后续 400G 产业发展起到较大的推动作用。 3.3 400G 线路侧技术方案 OIF 的物理链路层（ PLL）工作组和运营商（ Carrier）工作组在 2015 年 7 月联合发布了 400G 技术选择白皮书，其中包含了对于多个 400G 线路侧可选技术方案的对比和分析，并从应用场景、组网需求和关键使能技术等不同角度，对 400G 面临的技术挑战和发展趋势进行了讨论与分析，意在分析梳理和对比收敛 400G 发展过程中出现的多种调制格式和技术方案，避免同一应用场景下出现多种码型、速率和调制格式并存而影响产业链健康发展的局面。 400G 不同技术方案比较如表 1 所示 2。 表 1 400G 不同技 术方案比较 400G 技术方案 2200G 1400G 2200G 2200G 4100G 调制格式 16QAM 16QAM 8QAM QPSK QPSK 含 FEC 的符号速率 (Gbaud) 32 64 43 64 32 载波数 2 1 2 2 4 频谱效率 (bit/s/Hz) 5.33 5.33 4 2.66 2.66 所需 OSNR（ BER=10-2） 19.5 22.5 18.5 13.4 12.5 最远传输距离 (km,采用EDFA 的 G.652 光纤 ) 500600 200 1000 1200 2000 应用场景 城域 城域 长距离 长距离 超长距离 就技术本质而言， 400G 线路侧接口技术面临的主要 问题 是传输距离和频谱效率的平衡问题 。在技术方案方面， 400G 线路技术将重用 100G 成功应用的偏振复用、基于相干的数字信号处理、相位调制等技术理念，但在具体应用时将面临两个主要制约因素：一是由于速