李晗：算力网络和5G对光通信的需求和挑战

算力网络和5G对光通信的需求和挑战 李晗 中国移动集团级首席专家 1/20 中国移动研究院基础网络技术研究所所长2023年11月3日@西安 目录 光通信产业发展和机遇 1 光通信核心技术发展 2 2/20 2 国家发布多项政策推进光通信发展 “核心技术靠化缘是要不来的，必须靠自力更生。” —2015年2月习总书记考察中科院西安光机所 “光电子信息产业是应用广泛的战略高技术产业，也是我国有条件率先实现突破 的高技术产业。” —2022年6月习总书记考察武汉光谷 光通信是通信网络的“承重墙”：95%以上全球信息流量通过光纤承载，是无线、宽带、数据中心、物联网等所有通信设施的承载底座 光通信是算力网络的“基石”：算力枢纽节点互联的“大动脉”，泛在入算的“毛细血管” 中国社会科学院：千兆宽带将带动GDP0.3%、新增500万就业岗位 ITU-T：宽带提速一倍可推动GDP增长0.3% THEWORLDBANK：每10%FBB渗 透率可拉动1.21%~1.38%GDP 《政府工作报告》 2021年3月5日 加大5G网络和千兆光网建设力度， 丰富应用场景 国家“十四五”规划 2021年3月11日 加快建设新型基础设施：推广升级千兆光 纤网络 “十四五”数字经济发展规划 2022年1月12日 有序推进骨干网扩容，协同推进千兆光纤 网络和5G网络基础设施建设 “数字中国”建设布局规划 2023年3月22日 加快5G网络与千兆光网协同建设，…系统 优化算力基础设施布局 3/20 结合国家政策和产业需求，推动光通信硬核技术研究和产业发展 3 中国移动已建设全球规模最大、技术最先进的光通信网络，为数字经济转型提供有力保障，面向千兆光宽带、5G/6G回传+前传、东数西算全光底座、数据中心光互联等新的需求，光通信技术成为新的高科技术比拼高点 中国移动具有全球最大光通信基础设施 企业 FTTX 家庭 5G 4G 枢纽算力 前传 甘 宁 黔 成渝 长三角 党政军金融 接入 城域 骨干 数据中心 粤港澳 京津冀 能力下沉：城区OLT100%，乡村89%具备千兆能力 容量最大：骨干传送网承载业务带宽能力超过800T 接入升级：加快10GPON部署，千兆覆盖超3亿户 覆盖最广：~160万端PTN+~40万端SPN，覆盖 全国337+城市 覆盖最广：光缆线路超3000万皮长公里，稳居全球第一 全球规模最大千兆光网 构建全球技术领先的SPN光网络 部署全球规模最大的OTN光网络 4/20 4 •千兆光网是新型基础设施的重要构成，我国大力推动千兆光纤网络发展部署，如“千城千兆”等 •中国产业经历从GPON跟随、10GPON并跑到50GPON引领，当前已建成全球最大光宽带网络，并逐步实现从技术标准、核心光电器件和系统研发到部署应用的技术产业创新闭环 网络规模 50GPON 光使能千兆宽带：从FTTH到FTTR •中国移动目前已经成为全球最大的固网运营商 •目前中国移动FTTH占比99% •2021年起，全面转向10G GPON，奠定千兆光网重要基础 代际引领 •首次实现中国产业对PON代际标准的引领，在50GPON阶段实现技术制式的统一 •中国产业率先提出FTTR技术发展演进方向，并引领技术产业和应用发展 •提出面向转控分离的虚拟化vOLT架构 •推动研发10G突发TIA等核心芯片，实现三模Combo 当前50GPON产业链尚不成熟，需重点攻关核心光电器件技术 大带宽高功率预算光收发器：EML+SOA,APD 25/50G突发电器件：BM-TIA,BM-Driver NRZReceiverDSP Errorcounting FEC decoding Filtering Equalization ClockRecovery Down-sampling 多模自适应oDSP芯片 5/20 MLSE 5 光使能5G：5G需求驱动5G传输网的革新和重构 5G前回传光网络是5G基础设施的重要构成。 通过大带宽、低时延的前回传网络使能绿色5G，实现数百万基站的灵活连接和性能保障。 RRU … DU/CUPool RRU RRU 前传网络 DU/CUPool 回传网络 5G核心网 5G基站 RRU RRU DU/CUPool … RRU 前传：实现AAU拉远到集中BBU的连接 通过前传传输换取机房和频谱资源 C-RAN占比超过70% 涉及千万级别光模块 回传：实现百万基站与核心网元的连接 支持每个基站10GE以上的流量回传 回传网单域规模达到数万节点 6/20 前回传网络对于5G网络发展意义重大，由于其网络规模巨大，也成为光通信领域技术竞争的焦点 6 光使能5G：回传SPN成为新一代国际标准技术体系 SPN是中国系统性原创性技术，成为ITU-T新一代传送网技术体系，性能指标国际领先 切片能力 业界唯一既支持硬切片又支持软切片的5G承载技术 确定性低时延 单节点时延低至5us以内，0抖动，性能业界领先 超高精度同步 单节点时间同步精度优于5ns，是业界最高精度水平 SDH OTN MTN 198919992019 接口 架构 管理 设备 保护 演进 同步 小颗粒 G.707G.803G.784G.783 G.841 G.709G.872G.874G.798 G.873.1 G.8312G.8310G.8350G.8321G.8331 G.Suppl.69G.mtn-syncG.fgMTN 已发布(2020年12月) 已发布(2020年12月) 已发布(2022年11月) 已发布(2022年11月) 已发布(2022年2月) 已发布(2020年10月) 计划2024年报批计划2023年底报批 7/20 中国在光通信领域首次以成体系的技术主导国际标准 在ITU-TMTN系列标准的基础性技术方案中，中国原创性占比超过70% 已有6项MTN国际标准发布，标志着SPN/MTN国际标准体系基本完成 7 光使能5G：SPN推进自主可控产业链 SPN通过自主原创帮助确立了国内产业的先发优势，形成近千亿的产业规模 自主化光模块 通过SPN大规模应用，带动国内高速率 50G/100GPAM4光模块产业自主突破 系列化设备 SPN自研设备从640G到32T 全系列产品覆盖接入、汇聚及核心 芯片突破 SPN核心芯片包括高端Framer、交换Fabric等均自主研发，国产芯片相比国外提前1年推出 5G网络先行 垂直行业应用 SPN设备40万端电力、矿山、铁路、媒资...... 中国市场先行国际广泛应用 中国移动、国网、南网、铁路5G-R......欧洲、日本、巴基斯坦...... 8/20 SPN在5G网络的成功应用形成先发优势，为未来行业和国际广泛应用奠定基础 8 光使能5G：Open-WDM成为新一代5G前传技术体系 Open-WDM技术体系是中国移动面向5GC-RAN提出的原创技术，破解前传哑资源和光纤资源紧张双难题 全新半有源技术架构新型MWDM技术 突破传统通信架构两端均为设备的理念 MWDM为中国产业链前传WDM最优解得到国内产业链广泛支持 AAU*3 光模块 轻量级OAM 多载频调幅单载频调幅 DU+CU 无源设备，灵活部署 有源设备，支持管控 无线与传输管理界面清晰 转发面、管控面双解耦 低成本实现轻量级管控 故障快速定界 重用国内成熟产业链，自主可控 25G12波全DML+PIN，成本低 非等间距波长间隔，避免FWM 具备TEC，可靠性高 在ITU-T（3项）、O-RAN（9项）、CCSA（4项）构建完善标准体系，核心方案写入标准，成为国际国内主流技术 打造涵盖芯片、模块、设备的完善开放产业链，核心芯片自主可控 9/20 6G前回传技术将重点攻克6G超高速宽带、确定性网络、超低时延、高可靠、灵活通感、全域覆盖等新需求，具有广阔前景。 9 光使能东数西算：信息基础设施承重墙 在东数西算等算力网络新业态的驱动下，已迎来以400G超宽谱传输为标志的第五次重大技术变革，以实现Pbit级上千公里的传送，并将在2023年全球最大规模部署，开启400G商用元年 SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 1989 1996 20032013 2023 1ms时延圈 5ms时延圈 20ms时延圈 “西算” “东数” 接入 OTN OTN/OXC OTN/OXC OTN/OXC 甘肃 宁夏 京津冀 OTN 成渝 长三角 内蒙 400G 贵州 大湾区 地市 省域/区域 省际骨干 东数西算架构示意图基于400G+OXC的新型全光网 10/20 东数西算作为国家重大战略工程，在超大带宽、超长距离、低时延方面提出更高要求，光网络亟需转型升级构建承载算力的光底座 超大带宽：骨干网由100G向400G演进，开启宽谱光通信时代 超低时延：以算力为中心打造骨干(20ms)、省域(5ms)、地市(1ms)三级时延圈 10 超高速 超宽谱 光使能东数西算：光电子产业是骨干全光网技术发展的基石 400G+OXC的骨干网技术革新是算力时代光网络的最大发展机遇与科技竞争最前沿，应加快我国光电子产业培育，推动使能400G的高速光管芯、高性能oDSP芯片、超宽谱有源器件等硬核“卡脖子”技术全面突破 C6T C6T+L6T oDSP 光电合封 先进oDSP算法 先进制程（5/7nm） C6T+L6TEDFA 宽谱ITLA 高维度一体化WSS 基于现网G.652.D光纤实现C6T波段400GQPSK5616km传输，创现网传输世界纪录 基于G.654.E实现C6T+L6T波段400GQPSK7000km传输，是实验室测试的最高水平 完成全球最长距离的纯EDFA经典商用场景80×400GQPSK1673km 现网试验 ~30GBd 符号速率 ~130GBd 11/20 中国移动拉动我国产业在400G时代从跟随到引领，实现超高速调制/解调器、宽谱EDFA、ITLA、WSS等硬核技术突破，推动400GQPSK技术成熟，完成400G长距传输3大世界纪录，并在2023年启动全球首次400GQPSK规模商用集采 11 12/20 空芯光纤 2002年 首个反谐振空芯光纤，损耗500dB/km2010年 损耗降低46个数量级至40dB/km 2017年 损耗首次<10dB/km 2018年 首次进入低损耗区间（2dB/km） 2022年 论文0.174dB/km，口头0.138dB/km •空芯光纤基于全新的空气导光机理，带宽、时延、损耗均已优于实芯光纤，具有重塑下一个50年光通信产 业的巨大潜力，相关光传输系统研究也在快速推进，国内外基本处于同一起跑线 •当前空芯光纤损耗已达可用水平（<0.15dB/km），需基于产学研协同，通过标准化收敛结构设计，加快 技术应用落地12 单波800G/B800G •中国移动已完成基于G.654E光纤和纯拉曼放大的2018公里800G纪录性传输 •800G/B800G存在多种调制码型、器件速率、光纤类型等潜在路线，需从系统层面统筹研究并明确技术方案 光使能东数西算：紧盯下一代光通信前沿布局 面向未来骨干光传送网技术演进，一方面应进一步提升单通道信号速率，开启单波800G、1.2T、1.6T系统架构、损伤机制等关键技术攻关，另一方面应瞄准基于空芯光纤的高速光传输系统等颠覆性超前技术研究 光使能数据中心：光互连 数据中心是新技术竞争的焦点，技术换代极端活跃；我国数据中心光接口速率相较海外头部公司晚1-1.5代，但随着智算中心的来临，全新的应用需求为弯道超车带来了机遇。 挑战：数据中心内的线缆连接数巨大 趋势：数据中心内互连速率飞速增长 1通道 单芯光纤 4+通道 多芯光纤