张德朝：面向算力网络的新型全光网技术及演进探讨

面向算力网络的新型全光网技术及演进探讨 中国移动研究院张德朝2023年11月16日 目录 算力网络驱动全光网发展 1 骨干网发展及新技术演进 2 接入网发展及新技术演进 3 2 中国移动算力网络总体策略 中国移动提出“算力网络”全新理念，从三条主线系统性推进算力网络发展，加快构建基础设施、平台服务和技术赋能三位一体的新型服务能力 主线一 面向算网基础设施构建 完善算网资源布局，夯实算力网络底座，增强设施供给能力 主线二 面向业务融合创新 实现算网高效协同，支持CHBN业务融合发展，创新平台服务能力 主线三 面向创新技术引领 实现创新技术引领，打造原创技术策源地，深化技术赋能能力 算力基础设施 边缘算力 中心算力大区算力 光网络基础设施 PON SPN OTN 推动光网络核心技术创新，打造算力网络坚实底座，构建“连接+算力+能力”的新型信息服务体系 3 West North OXC:波长级 （100G-400G） South East ODU/ MTNP ODU MTNP ODU/MTNP:通道级 （1.25G-100G/5G-200G） ODU/ MTNP ODU/ MTNP fgMTN 医疗切片 教育切片政务切片 工业切片 fgMTN fgOTN ODU fgMTN fgMTN fgOTN fgOTN/fgMTN:业务级 fgOTN （10M-1.25G/5G） fgOTN 算力网络发展下的灵活调度需求 •算力网络业务呈现多层面、多方位需求，在业务承载差异化、调度颗粒多元化、跨层协同智能化方面对传输提出更高要求 •构建满足波长级、通道级和业务级三级灵活调度的新型全光网，为算力网络提供高效一体化感知和调度能力 生命科学 气象科学 汽车电子 航空航天 波长级：工业、科研HPC仿真等业务 通道级：存储灾备、超高清类视频直播等业务 • 政府疫情重保专线 业务级：党政军、金融、大企业专线等业务 推动实现OXC+ODU/MTNP+fgOTN/fgMTN三级灵活调度机制，高效实现算力网络业务识别、跨层疏导、多层恢复和无损调整 4 面向算力网络构建新型全光底座 面向算力网络对光网络的新需求，通过两大关键技术举措，推进超大带宽、泛在接入技术创新，构建基于400G高速互联的灵活高效的新型全光网技术架构 1ms时延圈 5ms时延圈 20ms时延圈 接入 OTN OTN/OXC OTN/OXC OTN/OXC PON 400G 地市省域/区域骨干 超大带宽 400G长距技术成熟商用，分场景研究中短距技术路线 推动超800G、空芯光纤等前沿技术演进 泛在接入 50GPON代际标准确立，攻关50G突发模式光电器件，满足高功率预算 推动FTTR技术、标准和产业发展 5 目录 算力网络驱动全光网发展 1 骨干网发展及新技术演进 2 接入网发展及新技术演进 3 6 400G–光传输网的5G •光网络已迎来以400G宽谱传输为标志的第五次重大技术变革 •已启动全球最大规模集采和部署，开启400G商用元年 2018~2021.11：基于16QAM重点推动PCS2021.12至今：推动QPSK走向成熟 京津济宁现网试点 （2018.8） 调制格式：16QAM 光纤：G.654E 放大：EDFA 波段：C6T 603km(5.3dB余量) 实验室测试 （2021.8) 调制格式：16QAM-PCS 光纤：G.652D/G.654E 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C4T/C6T 1120km@G.652D(6dB余量)1700km@G.654E(7dB余量) 辽宁沈大现网试点 （2021.11） 调制格式：16QAM-PCS 光纤：G.652D/G.654E 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C4T/C6T 1077km@G.652D(6dB余量)1333km@G.654E(8.2dB余量) 实验室拟现网测试 （2022.8） 调制格式：QPSK原型机 光纤：G.652D 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C6T 3038km(4.5dB余量) 实验室测试 （2023.2） 调制格式：QPSK原型机 光纤：G.652D/G.654E 放大：EDFA 波段：C6T+L6T 7000km(2.46dB余量) 浙赣湘黔现网试点 （2023.2） 调制格式：QPSK模块 光纤：G.652D 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C6T/C6T+L6T 5616km(2.2dB余量) 构建覆盖全国的新型400G全光网：400G骨干网+400G城域网 7 400G骨干网的三大技术挑战和变革 400G系统面对超高速率、超宽频谱和新型信道损伤等全新挑战，通过光器件、有源模块和光系统架构三大技术变革实现骨干网由100G到400G的代际演进 1新器件 2新波段 3新损伤 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 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 8 构建世界最长距离400G光传输技术试验网络 发布世界最长距离400G光传输现网技术试验网络，召开3次技术发布会，推进实现400G长距传输3项试验纪录，为拉动400G加快成熟、构建算力网络的大带宽低时延全光底座打下坚实基础 5616km浙江宁波←→贵州贵安试验网7000km实验室测试系统架构1673km湖南隆回←→贵州贵安试验网 基于G.652.D光纤实现400GQPSK5616km 传输，创现网传输世界纪录 •EDFA/拉曼混合放大，光纤维护余量0.06dB/km，过系统后OSNR余量2.2dB 基于G.654.E光纤实现400GQPSK7000km 传输，是目前实验室测试的最高水平 •纯EDFA放大，C6T+L6T波段，无余量 基于G.652.D光纤实现全球最长距离的经典商用场景80×400GQPSK1673km现网试验 •纯EDFA放大，C6T+L6T波段，光纤维护余量0.06dB/km，过系统后余量6.4dB 9 400G骨干网规模商用加速产业发展 •业界首次400GQPSK技术规模商用，推动全光网进入400G时代 •将进一步推进超宽谱系统、C+L一体化、模块性能提升等技术演进 超宽谱系统 高速率模块 C+L一体化 oDSP 信号光 DummyLight光 频谱整形 优化滤波代价 非线性补偿 填充波+自适应均衡抑制SRS功率转移产生的性能劣化 模块B2BOSNR容限优化~1dBL波段EDFA噪声系数提升 目标：C+L一体化的ITLA、EDFA、WSS等核心关键器件 现状：已实现C+L一体化WSS •L6T光放大器噪声系数仍需进一步优化，力争达到与C6T差异~1dB •协同攻关EDFA、WSS、ITLA等模块和器件C+L一体化，进一步简化光层系统复杂度 10 C6T+L6T波段~12THz 传输距离>1500km C4T+L4T波段~8THz 传输距离~1000km 400G中短距技术路线：省域网络 面向省域传输场景，存在400G16QAM-PCS、QPSK两条潜在技术路线，应重点结合传输能力和部署成本综合考虑 波特率~91GBd 波特率~130GBd 16QAM-PCSQPSK 省域网络部署OLP保护引入4.5~5dB插损，16QAM-PCS传输能力难以满足全国所有省份应用需求QPSK相比16QAM-PCS整体性能提升2dB：B2BOSNR容限1dB、入纤功率1dB，可以覆盖省域所有场景 省域网络400G技术路线选择 •方案一：将16QAM-PCS、QPSK收敛至一种调制格式，所有省域场景采用统一技术 •方案二：16QAM-PCS、QPSK两种技术方案并存，面向不同省域需求选择使用 11 C6T波段/C+L波段 C6T波段~6THz 400G中短距技术路线：城域网络 面向城域传输场景，存在400G16QAM、16QAM-PCS两条潜在技术路线，应重点结合频谱效率和低成本部署综合考虑 波特率~67GBd 波特率~91GBd 16QAM16QAM-PCS 传输距离~720km （逐点OXC模型） 传输距离~240km （逐点OXC模型） 城域网络部署需考虑OXC组网和OLP保护引入代价，16QAM可以低成本满足数据中心互联及城域网部分需求16QAM-PCS相比16QAM传输性能提升4dB，可覆盖城域传输主要场景 16QAM-PCS存在C6T60波、C4T+L4T80波、C6T+L6T120波三种方案，城域网是否引入C+L仍待研究 •相比现有C波段系统，C+L引入SRS转移问题，需配置填充波长、SRS功率均衡，增加网络部署和运维管理复杂度 •C+L目前为分立式光层系统，考虑城域OXC组网对波长灵活调度需求，更需向一体化演进 12 重用130GBd产业链推进单波800G传输 •基于16QAM码型可重用400G时代130GBd产业链实现单波800G传输，在采用G.652.D光纤+纯EDFA放大+满波配置的系统模型下，具备880km（11×22dB）极限传输能力 实验架构 •C6T+L6T，2个真波+78填充波 •G.652.D光纤+纯EDFA放大 系统末端误码率与净余量vs通道 经11跨光纤传输后，C6T+L6T全波段通道性能逼近FEC纠错门限4.4×10-2，且系统末端最小 净余量（扣除通道代价）已低至0.16dB，基本不具备进一步延长传输距离的空间13 重用400G时代130GBd产业链难以满足800G骨干长距传输需求，需进一步提升800G信号波特率以提高系统性能 800G长距传输需更高速率光电器件技术突破 •800G信号符号率从130GBd提升至180GBd，传输距离可提升30%（~900km→~1200km） •800G时代G.654.E光纤相比G.652.D预计将带来较大的性能提升 •克尔非线性效应+更低的SRS功率转移 •80km传输SRS功率转移：G.654.E~3dB，G.652.D~7dB 预计180GBd及以上波特率将是超长距800G的主流符号率，需进一步推动光电器件向更高波特率突破 14 •800G时代G.652.D无法满足长距骨干需求，G.654.E成为更佳选择。 •但面对潜在的S+C+L超宽谱应用，需解决现有G.654.E光纤指标与宽谱系统间的失配问题，实现截止波长、宏弯损耗等参数性能的改善 ITU-TG.654.E截止波长定义：1530nm 向更低截止波长演进 控制长波宏弯损耗 G.654.E 消水峰 截止波长应向≤1470nm演进 实现对S/L波段光纤参数定义 消除水峰扩展G.654.E应用范围 G.654.E作为800G时代更佳选择仍需深度匹配宽谱系统需求 ITU定义：<1530nm（不满足C6T需求）企标定义：<1522nm G.654.E目前仅针对C波段定义了传输损耗、宏弯损耗等关键指标 此前缺乏宽谱应用需求，工艺上未对G.654.E水峰进行处理 15 •为探索超Tb/s单波及S+C+L波段满波配置下单模实芯光纤的信道极限，联合业界开展了单波净速率超Tb/s的S+C+L多波段满波配置超宽带实验 •在2×75kmG.654.E光纤上采用纯掺杂光纤放大的形式，实现了总容量144.67Tb/s的单波超Tb/s级满波验证 Results 单波净速率超1Tb/s的S+C+L多波段满波配置超宽带实验 •符号率115GBd，通路间隔125GHz，总谱宽19.5THz（15