长文干货:光通信的最新技术趋势

2021/5/16 21:26:33 来源:鲜枣课堂 作者:小枣君 责编:姜戈

大家好,我是小枣君。

上周,我参加了“2021 中国光通信高质量发展论坛”,有一些收获与思考。特此撰文,与大家分享。

光通信的发展现状

1966 年,华裔科学家高锟博士发表了那篇划时代的经典论文 ——《光频率介质纤维表面波导》,奠定了光纤通信的理论基础,也开启了伟大的光通信时代。

▲ 高锟(1933-2018)

如今,光纤通信已经走过了半个多世纪的发展历程。它彻底改变了人类通信技术的发展轨迹,也改变了我们每一个人的生活。

我们现在之所以能够享受高速且低价的网络连接服务,很大程度上要归功于光纤通信的贡献。

▲ 光纤(光导纤维)

如今,光纤通信已然成为整个通信网络的支柱和底座。全网超过 98% 以上的信息,都是通过光纤通信传递的。

▲ 《光纤通信 55 年的发展》,毛谦,中国信科

在产业方面,光通信作为承载网(传送网)和数据中心的关键技术,支撑了规模庞大的产业链。根据研究机构的数据,2020 年全球光通信下游市场收入规模达到 1.4 万亿元。

中国企业在光通信产业链中,占据较高的比例:

▲ 《光纤通信 55 年的发展》,毛谦,中国信科

面向未来的光通信,还有很大的发展空间。现网中的数据流量,正在按照每年 30%~40% 的速度增长。从整体来看,技术变革仍然跟不上业务流量的增长速度

▲ 流量增长>单光纤流量>端口速率>电子波特率,需要新技术《超 100G 高速智能光网络关键技术探讨》,张德朝,中国移动

在“云 - 管 - 端”架构下,光通信的业务流量压力,一方面来自用户端,另一方面来自云端

用户端这边很明显。随着 5G(蜂窝 5G)、F5G(固网 5G)的持续发展,4K/8K 超高清视频的普及,用户侧终端的带宽在不断增加,承载网(传送网)的带宽也必须紧密跟进。

云端的带宽增长需求,更多是来自云业务的增长

云业务具有横向流量(东西向流量)大的特点,分布式部署的方式,也加剧了这一类型的流量。

云业务、云服务的增长,刺激了数据中心(DC,Data Center)的建设热潮。

▲ 《高速光模块发展机遇与挑战》,张金双,新易盛

数据中心之间的连接 ——DCI(DC Interconnect,数据中心互联),带宽需求明显增加,成为一个重要的增长点。

光通信的技术发展路线

如何才能解决光通信网络带宽不足的问题呢?

从总体来看,还是两个思路。

  • 一,是通过更先进的技术,把传输网网络的物理带宽变得更大。

  • 二,是加强网络的调度能力,提升效率。

这就好比是我们的城市交通。一方面,要把路修得更宽,单车道变双车道、四车道甚至八车道。另一方面,设立更多、更智能的红绿灯,安排更多的交警,进行合理调度。

我们先看看底层的带宽提升技术。

目前,光纤通信的单波 100G 已经广泛商用。200G、400G 的光模块光通道,基本上都是基于单波 100G。

▲ 单波:100G > 200G;光口:400G > 800G > 1.2T > 1.6T《高速光模块发展机遇与挑战》,张金双,新易盛

400G 光模块在 2019 年左右就已经成熟商用,主要是国外 Google、Facebook 等公司的数据中心在普及。国内并没有广泛采用 400G,一方面是因为要循序渐进(考虑成本),另一方面是基于网络架构的需求。也就是说,如果运营商的网络架构,设计接口是需要 200G,那就是用 200G,没有必要强行上 400G。

未来,单波 400G 将是下一代 OTN 技术的基础传输速率

从底层技术来看,提升带宽的主要手段,还是离不开最基础的通信原理。

方法一,采用更先进的调制技术

▲ 《超 100G 高速智能光网络关键技术探讨》,张德朝,中国移动

方法二,使用更大的频谱带宽

一般情况下,波道采用 C 波段,频谱资源是 4THz。扩展为 CE 波段后,频谱资源增加 20%,为 4.8THz。如果采用 C++ 波段,是 6THz。如果采用 C+L 波段,是 11THz,相比 C 波段提升了 175%。

▲ 《智能新光网,铸就 5G 新基建》,刘哲,中兴通讯

毫无疑问,这可以显著提升光纤资源的利用率。

方法三,在芯片和算法上做文章

▲ 《超 100G 高速智能光网络关键技术探讨》,张德朝,中国移动

方法四,研发新型光纤,提高单根光纤中的纤芯数,或引入材料学技术,降低光纤传输过程中的损耗。

▲ 新型光纤《超 100G 高速智能光网络关键技术探讨》,张德朝,中国移动

除了载波带宽之外,节点的能力提升也是光网络的关注重点

通过 ROADM、OXC 等技术,将节点全光化,避免光电交叉转换,减少环节,提升带宽,降低时延。

▲ OXC《超 100G 高速智能光网络关键技术探讨》,张德朝,中国移动

目前,骨干网的全光化已经很大程度完成。后续就是城域网(先城域核心,再汇聚、接入)的全光化。

OTN/WDM 的下沉,也是专家们关注的重点,一方面可以支撑带宽增长需求,另一方面可以大幅节约光纤资源。

▲ 《加速千兆光网建设,打造全光智慧城市》,王金辉,华为

看完物理带宽的提升,我们再重点看看网络调度的演进。

这条路线,目前仍然是集中在 SDN 思路上。简而言之,还是开放和解耦

运营商希望光通信网络进一步解耦,控制平面和数据平台进一步分离,厂商将控制面开放给运营商,运营商自己开发平台,对整个网络进行调度和管理。

▲ 《光网络的开放与解耦》,张成良,中国电信

毫无疑问,设备商是不太愿意这么做的。(会场上,能明显感觉到运营商对设备商的抱怨和不满。)

不愿意也没办法,开放是大势所趋。如果不能做到一步到位的开放,那么就一步一步开放。

▲ 《智能时代的开放光网络》,张寒峥,上海诺基亚贝尔

目前,在黑盒和白盒之间,有一个灰盒过渡,也就是“部分解耦”。

▲ 《光网络的开放与解耦》,张成良,中国电信

总之,运营商对于解耦的需求是非常迫切的。目前通信行业市场的寡头格局,对于运营商来说越来越不利。如果不通过解耦进一步推动技术开放,那么以后运营商的局面会变得更加被动。

在加强网络调度方面,还有一个概念被参会专家们反复提及,那就是 OSU。这个概念后续小枣君会专门开专题介绍。

▲ OSU《超 100G 高速智能光网络关键技术探讨》,张德朝,中国移动

最后说一下人工智能(AI)。

人工智能是全行业关注的重点,通信行业也不例外。会场上,多位专家针对人工智能与通信的结合落地,发表了观点。

总的来说,大部分专家都比较谨慎和务实,没有瞎吹。

人工智能如何改变通信,是一个非常庞大且长期的话题。

有的专家认为,人工智能 + 通信,目前还处于早期的阶段,不能指望短期内 AI 可以接管通信网络的运维工作。也有的专家认为,人工智能赋能通信网络,究竟是以平台的方式,还是以模块的方式,尚未确定

很多专家都提到了数据的问题。人工智能离不开算法和算力,算力还好说,算法模型比较麻烦。

一方面,现有的人工智能算法模型,基本上都不适合通信领域的场景。另一方面,想要做到算法模型,就需要大量的数据。目前数据只掌握在运营商手里,即便是主流设备商,也无法掌握足够的数据。

研究算法模型,对数据也是有要求的。常规的数据(正常运行的数据,也可以称为“负样本”)并没有多大价值,异常情况(特殊情况)发生时的数据(也可以称为“正样本”)才有真正的价值。而这样的数据,往往更加敏感,客户更不愿意开放。

▲ 没有数据,连第一步都难《智能时代的开放光网络》,张寒峥,上海诺基亚贝尔

数据的获取、清洗问题(技术上或法律上),将会持续困扰人工智能与通信技术的结合

不过,目前仍有设备商和运营商,开发出了少量的算法模型和场景,并进行了验证。千里之行,始于足下。

▲ 《智能时代的开放光网络》,张寒峥,上海诺基亚贝尔

好了,以上就是今天文章的全部内容,感谢大家的耐心观看。

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关键词:光通信运营商通信光纤网络

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