通信行业：光通信技术及未来发展展望

光通信技术及未来发展展望 6631班（1993级） 李允博 中国移动研究院2023年10月14日@西安 目录 1算力网络需求与发展趋势 2光通信技术发展及预测 2 3 “东数西算”工程 推动数据中心与网络高效供给对接和协同发展 优化网络结构 集约化 建设高速数据传输网络 算力基础设施 网络基础设施 促进多方流量互联互通 规模化绿色化 扩展网带宽 减少绕转时延 “东数西算”工程正式全面启动 2022年2月17日，国家发改委、中央网信办、工信部、国家能源局四部门联合印发文件，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、 成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点，并规划10个国家数据中心集群。至此，全国一体化大数据中心 体系完成总体布局设计，“东数西算”工程正式全面启动。 —《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》 超算/AI算力 超算/AI算力+P级数据搬移 制药、气象、基因、航空、自动驾驶、质检、遥感等 •算力以核时为量纲 •网络提供10G或100G光专线 东数西存 西部存储+错峰带宽异地备份容灾、云盘等 •以存储能力（xxxT）为量纲 通用算力 弹性算力+灵活带宽云电脑、行业入云（医疗 云、政务云）等 •算力以核时为量纲，算力灵活可调 边缘算力 实时算力+ms入算 制造、安防、VR、元宇宙等实时性要求高的场景 •算力以核时为量纲，算力灵活可调 任务式算力 应用累计分发量 AI训练等 •大数据处理能力 •图片训练 •P或者百T级别大数据的搬运 •利用网络带宽潮汐的 •OTN专线提供基础带宽（百M）•入网即入算，<1ms入算 •视频渲染 算力网络典型场景 算力网络是推动国家“东数西算”纵深发展的重要基础，“东数西算”将带来数据、算力跨域流动，实现产业跃升、平衡区域发展， 同时每年节约用电120亿度，消纳弃光弃风，节能减排，助力“双碳”目标实现 •按月/周/天/时收费 情况，将低谷期的带宽释放给东数西存 •按时长收费 以及增值包（带宽灵活可调） •提供算力/带宽加速包 •提供算力加速包 •定制时延额外收费 •图像训练 •图像渲染 •基于任务定价 算力网络给光网络带来挑战 算力网络是推动国家“东数西算”纵深发展的重要基础，“东数西算”将带来数据、算力跨域流动，实现产业跃升、平衡区域发展，同时每年节约用电120亿度，消纳弃光弃风，节能减排，助力“双碳”目标实现 架构 数据中心东西互访： 流量流向相对集中，需优化网络架 构和组网方案，一跳直达连接，降 内蒙古枢纽 宁夏枢纽 银川 兰州 甘肃枢纽 呼和浩特 京津冀枢纽 北京 天津 石家庄 南京 长三角枢纽 业务 业务实时性要求高： 算和网之间的资源快速联动，光传 送网需要智能化感知业务时延、带 低传输时延。 带宽 成渝枢纽 成都重庆 贵州枢纽 贵阳 东、西部枢纽间全互联 合肥 芜湖集群 苏州/无锡 杭州 宁波/金华 宽、QoS等需求提供端到端服务。 时延 流量急剧上升： 以上网日志数据为例，全国日生成1-5-20ms稳定低时延 数据预计达到12PB，100G链路传 粤港澳枢纽 广州 香港 澳门 时延要求： 构建骨干（枢纽节点之间）20ms、 输需要11天，需要采用更高速传输链路 5个9超高可靠 T级超大带宽管道 按需快速拆建 省域/区域5ms、城市1ms三级时 延圈 5 大带宽-400G，光传输网的5G SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 1989 1996 20032013 2023 400G是指单波长能够承载400G类型业务的传输技术 16QAM 16QAM-PCS QPSK 调 波制 特阶 率数 概率星座整形 PCS映射机制 偏振 调 波制 特阶偏 率数振 67×4×2134×2×2 =536𝐺𝑏/�=536𝐺𝑏/� •波特率：~67GBd •波道间隔：75GHz，总谱宽6THz •传输距离<600km •概率星座整形(PCS)算法→波特率↑~91GBd •波道间隔：100GHz，总谱宽8THz •传输距离达~1000km •采用QPSK，波特率：~130GBd •波道间隔：150GHz，总谱宽12THz •传输距离可达>1500km 6 大带宽-三大技术变革构建400G高速全光网 面对超高速率、超宽频谱、新型损伤3大技术挑战，主导400G端到端系统级创新，拉动器件、技术、产业全面成熟，力争今年实现400G全光骨干网首次规模商用 符号率：~30GBd→~130GBd，提升四倍 C波段→C+L波段，扩展三倍SRS转移：100G<1dB→400G~7dB，增加6dB 1超高速光器件 2超宽谱有源模块 3超宽带光系统架构 4THz12THz 光电合封、高性能DSP、先进工艺共同推动符号率从~30GBd提升到~130GBd 优化器件设计与材料工艺，减小EDFA、WSS在C/L波段性能差异，向C+L一体化演进 自适应SRS均衡，破解动态网络运维难题，力争功率平坦度<±0.5dB 7 大带宽-世界最长距离400G光传输技术试验网络 世界首个现网5616km极限传输和实验室7000km的先导试验基础上，与业界联合进一步完成面向经典商用场景的1673km传输 400G SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 光传输网的5G 现网极限能力实验 1989 1996 20032013 实验室传输纪录 2023 面向经典商用场景的现网试点 宁波←→贵安现网试点路由 目标：现网400GQPSK极限传输能力 配置：G.652.D光纤+EDFA/部分拉曼放大 C6T+L6T400GQPSK环路传输系统 目标：实验室400GQPSK极限传输能力 配置：G.654.E光纤+纯EDFA 贵安←→隆回现网试点路由 目标：400GQPSK的商用网络部署能力 配置：G.652.D光纤+纯EDFA 8 新光纤-空芯光纤 空芯光纤有望突破现有实芯单模光纤的固有时延极限和非线性香农极限，对光纤、光器件和光网络系统形成全面的、变革 性的创新 实芯单模光纤反谐振空芯光纤 损耗 衰减已达0.142dB/km理论极限 带宽 可用频谱15~18THz，当前已用12THz 非线性 非线性影响彻底凸显，不能依靠增加功率增加传输距离，单波入纤功率需 ≤6dBm 介质光速 SiO2折射率约为1.46 介质光速≈真空光速/1.46 预期衰减极限<0.1dB/km 可用频谱超100THz 非线性系数低3-4个数量级，非线性效应可忽略，单波入纤功率可增加1000倍以上 介质光速≈空气光速/真空光速光纤时延降低1/3 面向东数西算推进空芯光纤产业发展，充分保障《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》所要求的算力枢纽节点之间20ms覆盖，还可以实现对全国范围的20ms时延圈覆盖，真正构建出国土全覆盖低时延通信能力。 9 基于新型光纤的高速光通信系统 中国移动联合高校和产业从光纤设计与拉制、面向空芯光纤的光通信系统攻关、产业生态和标准化等方面深度合作，联合推进空芯光纤及其光传输系统技术发展。 光纤设计与拉制 系统技术攻关 产业生态与标准 •深入研究空芯光纤损耗物理损伤机制，以及公里级拉制中微纳精度复杂结构调控 •当前进展：实现0.28dB/km@1290nm的损耗，单次拉制长度可≥5km，居全球第一阵营 •从反谐振空芯光纤的全新关键参数特性出发，自底向上重构信道模型，开展信道容量极限估计、新物理维度的系统架构、关键光器件等关键方向研究 •当前进展： ①首个空芯光纤非线性系数上限测量 ②首个超高功率入纤功率28dBm的40×800G实时传输实验 •凝聚产业共识，通过学术和产业组织，协同全产业共同突破反谐振空芯光纤大规模工业化制备难题，通过标准化进程，引导方案归一，加快应用进展 •当前进展： ①推动空芯光纤成为中国光学工程学会5大产业难题 ②在CCSA牵头和联合牵头立项3项空芯光纤研究课题 10 智能化-意义 •血管有一千多亿条，总长度96000公里 •人体细胞约有40万亿—60万亿个 •至少六千二百八十四次((英国每日邮报) 。。。。。。。 •光缆总长超过6000万公里 •光网络设备超过3亿端 •每年约30万次光缆故障 。。。。。。 人（网络）的数字孪生，采集、分析从出生到成长（规划到运行）过程中的所有数据，结合其父母遗传/自身体检数据（网络历史故障/现行运行状态）等信息建立数字虚拟模型，全生命周期相映射，同步更新人体（网络）各项变化，病因（故障）定位，推演未来健康进而提前干预 11 智能化-对于光网络的挑战与关键技术 面向算力网络发展，光网络规模持续增加、技术体系多样、新业务需求提高，对运维提出了更大挑战，光网络的智能化可有效提升运维效率和业务满足度，进入高速发展时间窗口期。 网络规模大业务需求高运维难度大 5G1010 VR 01101 8K •光缆总长超过3000万皮长公里 •光网络设备超2亿端 •技术多样（OTN、PON、SPN...） •时延要求：百毫秒→十毫秒量级 •业务响应：天级→分钟级 •调度机制：面向链路→面向业务 •光网络结构复杂，自智难度大 •运维、调度时间周期长 •故障处理慢，导致每年业务中断约300小时 •针对智能化能力进行统一的模型和参数定义 –多种技术统一抽象建模 –数据精准标注，提升信息密度 •从设备/板卡级→芯片级延伸 •DSP芯片毫秒级提供关键参数感知能力 •模块计算+系统测量拟合感知，提升建模精准度 •跨层：光层OAM拉通光电协同感知调度 •跨域：统一标准Telemetry数据同步 •跨界：层次化智能检测实现算力与网络联动 12 全生命周期管理 网络规划网络建设网络维护网络优化网络运营 •实时感知光纤静态特征参量（长度、衰减、熔接点）和动态特征（车辆、施工等引发的振动）参量 •对现网4297对同路由光纤采用随机森林模型自动识别，准确识别4122对，准确率95.93% •基于光学机理（芯片、器件、模块、光纤等）进行计算与仿真，同时对实际网络参数（光功率、OSNR、误码率等）进行实测，二者进行联合拟合评估，确立研判标准 •对现网1500个OSNR监测点、250个EDFA监测研判准确率为99%。 光网络智能化典型场景与实践 13 光通信未来关键技术挑战 1Capacity：长途光系统单纤容量能超过100T吗？2 Spectrum：C波段之外，可以利用的新频谱 3NGFiber:G.652之后，下一代主流光纤是 2010 ~8T/Fiber 2030 百T/Fiber 空间有多大？•C+L光谱vs光纤可用光谱400nm 什么？ •SDM（少模/多芯） 速率•100G@SE=21.6T@SE挑战4 频谱•C波段4THzC+L+S+x@25THz+ •HollowCore(空芯) 跨距•80km/Span40km/Span 4Algorithm:光信道算法能够突破非线性难题吗？ •单波单偏振传输数学模型：非线性薛定谔方程 5Network:超大规模网络规划能够找到最优解吗？ 法 6OXC:能够实现超低损128维+波长交换吗？ •128高维、11Deg大转角光学设计、超材料突破 衰减色散 克尔SPM效应 数学建模算力平台 8SatelliteON:能否构建高动态、大带宽、9 大规模光网络？ •空间数字相干技术，数百G星间链路 •空间动态管控，航天级ASON网络 •高集成插卡式，轻量化光通信 一流的科技人才队伍，专业化的团队，工作氛围良好 基础电信企业首个院士工作站 研究院的人才比例构成 员工1700+，平均年龄34岁 1400 国家高层次人才9人 享受国务院特殊津贴9人教授级高工19人 国际行业和标准化组织领导30余人集团及以上劳模6人 集团级首席专家3人院领军人才14人 1200 1000 800 600 400 200 0 20162017201820192020