800G 光通信新進展概述

幾家光纖網絡供應商已準備好部署800Gbps光纖。這是核心和接入網絡邁出的一大步。本文將研究和分析高速光網絡的最新發展。然後，說明了這些高速系統的原理和現實情況。也對800G系統的現狀和潛能做了分析。（ICECA2020）

 

第一節    介紹

 

光通信是現代信息和通信技術（ICT）網絡的骨幹。它為Internet和其他地面通信網絡提供了巨大的帶寬。自WDM誕生以來，光網絡的容量增長非常快。凱克定律（Keck’s law）表明，光纖中數據速率的增長呈指數級增長。自上世紀七十年代末以來，光纖是長距離通信和聯網的唯一選擇。但是，光纖、光鏈路元件、節點信號處理的價格以及部署成本非常高。因此，增加光鏈路的容量是最大程度地利用它們的主要選擇。近年來，在相干信號處理和光纖技術的當代改進的支持下，800G鏈路已開始運行。它為核心網絡中的光通信開闢了一個全新的領域。

 

高速數據通信對於核心光網絡至關重要。最初，在1970年代，長距離光通信的前景是基於光纖的質量和中繼器中信號重建的質量。然後，光放大器的到來改變了場景，光纖成為長距離通信的唯一選擇。波分復用（WDM）系統的到來確保了光通信數據速率可以比以前假定的更高。開發了密集WDM（DWDM）和超密集WDM（UDWDM）系統，並且光網絡在核心和區域網絡中無處不在。40G和更高的數據速率在2008年成為核心網絡中的普遍現象。高速光乙太網也變得很流行。隨著100G光鏈路的發展，核心網絡中正在分析更高的數據速率。在[2]中，已經提出了用於800G通信的數位訊號處理（DSP），其中以高速專用集成電路（ASIC）設計為中心。在此設計中，DSP的主要基礎是概率整形和數字子載波復用（DSCM）。在[3]中，已經研究了高速通信鏈路的一些基本要求。它表明，高速光通信的電子轉換器（EC）會有一些額外的損失。在[4]中，已經分析了800G系統在1000 km長的鏈路上的性能。發現800G光鏈路非常有能力在傳輸中提供高數據速率和更好的能源效率。自1970年代以來，正在研究光纖的數據速率趨勢。它遵循通常被稱為凱克定律的趨勢。在[5]，研究了與凱克定律的實際偏差。在這項工作中，解釋了偏差背後的原因，並預測了數據速率的進一步提高。[6]中介紹了近來光通信的所有新趨勢。它表明新的趨勢非常令人鼓舞，光網絡的未來非常光明。現代通信趨勢在[7]中提出。它表明，現代消費電子產品和數據需求推動了全球通信的最新趨勢。高速光學鏈路需要光學性能監視器[8]。它們測量並提供針對不同位置所需的不同補償的基本反饋。軟體定義網絡（SDN）現在是現代光網絡的重要組成部分。在[9]中，已經研究了用於光網絡的SDN方法。近年來，SDN成為核心網絡和訪問網絡不可或缺的一部分。它在資源管理和與網絡相關的操作中提供了多個優勢。在[10]和[11]中，已經研究了幾種高速光網絡。這些網絡通常是環網和網狀拓撲，承載著國家和大陸的流量。這些網絡顯示了現代光學網絡必不可少的規模和程度。在[12]，研究了數據創建和使用的最新趨勢。在[13]和[14]中，介紹了800G的最新發展。(筆者注，後面會對這幾篇文章進行推送)

 

本文介紹了800G光通信的基本特徵。給出了這種高速系統的動力。此外，研究工作將展示其物理原理和最新技術。最後，將討論其長期潛力。

 

本文的其餘部分分為四個不同的部分。第二部分概述了800G光學系統。此外，第三節介紹了800G系統的原理，機制和通用的最新技術水平，第四節介紹了這些系統的長期潛力和應用。第五部分總結了本文的研究要點。

 

第二節    800G光網絡

 

在全球範圍內，光網絡充當骨幹網絡流量的核心網絡。如今，幾乎所有的洲際數據流量都通過光網絡。每年網絡數據和流量都在增加，對帶寬的需求也在飛速增長。這是由於來自移動網際網路的視頻，音頻，文本和其他數據類型的迅速增加。除此以外，企業和雲數據還增加了繁重的Internet流量。這種對帶寬的高要求只能由光網絡來處理。

 

為了獲得更大的網絡容量，更高的速度和更高的頻譜效率，必須改進光纖。除此之外，還必須增加單個連結的容量。現在，使用最新的技術，可以在短距離和中距離範圍內傳輸每個波長800G。在這個新系統中，接入，城域，區域和遠程網絡中出現了一些新的前景。該800G系統可以直接部署為在接入網，城域網和區域網絡中進行點對點傳輸。但是，對於長途運輸，必須在接收端甚至兩端都提供補償。對於超長距離和海底鏈路，由於要恢復信號需要很高的補償成本，因此400G比800G更可取。800G也被普遍稱為雙400G，因為相同或者不同的波長可以整合到一個光路中實現800G。

 

這些光網絡旨在承載每個波長800G的高容量數據速率。800G光網絡使用下一代光收發器進行傳輸和接收。結果，成本以及功耗將顯著降低。它採用的光子集成電路（PIC）涉及光子器件，高級光收發器和光耦合器。該技術的目標是在800G鏈路中使用大約20 W的功率。800G中使用的調製是16QAM，這對於120GBaud的調製速率是可行的。ASIC在5 nm技術下支持130GBaud的波特率。預期使用八進位小格式可插拔模塊為數據或任何其他信息的傳輸所需的網絡接口模塊提供服務。這些模塊當前在400G網絡中使用。相干可插拔光學器件更能體現800G的優勢。預計可插拔光學器件可以代替直接檢測光學器件。而且，發現它具有更好的功率效率。800G的傳輸需要容錯模塊化系統，在該系統中，高級DSP，高級PIC，高效的模擬電子設備和強大的封裝技術的組合將發揮重要作用。這樣的系統之一就是Infinera開發的第六代無限容量引擎（ICE6）。它使用7 nm工藝節點DSP和磷化銦PIC。最近，已經使用ICE6在一條1000公裡的光纖線路上測試了800G的性能，該線路有兩個獨立可編程的波長，每個波長分別承載800G。ICE6的功耗低於0.2 W/ Gbps。這具有一些所需的現代功能，例如動態帶寬分配，長碼字概率星座圖整形。對於使用第三方線路系統的北美網絡，使用ICE6在950公裡以上進行了800G的一項現場試驗。800G ICE6系統也已經在730公裡的鏈路上進行了測試，性能令人印象深刻。這個800G波長可以在730公裡的距離上提供兩項400G乙太網服務或八項100G乙太網服務。Verizon網絡還測試了使用ICE6的800G系統以及長度為667 km的G.655大有效面積光纖。Ciena還開發了自己的800G系統。它使用其集成模塊在一條波長上將兩條400G線路合併為一個800G。這些800G系統經過多路復用後，可在單個鏈路上提供多Tbps的容量。

 

幾家運營商已計劃為其城域和區域網絡部署800G。800G是利用現有光纖而不是部署新光纖的正確選擇。在接入網中，800G也是一個流行的選擇。可用作高速800G乙太網的有線介質。對於企業和實時應用程式，它無疑是首選。對於觸覺網際網路（tactile  Internet）和5G，它可以是最後一英裡無線的有線連接。一些新興應用程式也在尋找800G系統。但是，對於長距離和超長距離鏈路來說，這不是一個不錯的選擇。

 

第三節    800G光網絡的原理，機制和最新技術

 

800G是高速光網絡家族的新成員。它是從相干光通信系統家族發展而來的。它使用了現代光纖的最新技術，相干數位訊號處理（CDSP）和頻譜效率方面的新進展。本節介紹了800G的主要原理，機制和相關技術。

 

A.  原理

光網絡的部署成本很高。但是，數據需求的增長要比新光纖的部署快得多。因此，增加光纖的容量可以處理數據需求，而無需進行昂貴的新部署。800G是現有光網絡升級的一個示例，可以幫助降低每位的總成本。基本上，800G系統是將兩個400G系統在單個光路中的單個波長上合併。就像400G系統一樣，800G也使用CDSP進行信息恢復。因此，它是一種先進的相干光通信系統。800G為運營商帶來了兩個主要好處，如下所示：

 

1. 更高的容量（每個波長更大的容量）

2. 降低成本（降低服務價格和運營成本）

 

800G系統的容量肯定比以前的光學技術要高。它是以前的400G系統容量的兩倍。但是，在基於容量和成本的總體性能方面，並不是所有類型的光網絡都一樣。例如，它非常適合接入網，城域網和區域網絡。但是，對於長距離和超長距離網絡，所需的成本和補償很高。因此，800G對於很長的連結沒有吸引力。同樣，對於中短距離，成本因素也很低。在某些情況下，如果中間節點提供信號的多次重構，則遠程範圍很好。否則，長鏈路的成本因素要比400G系統高得多。因此，值得注意的是，當連結不太長時，800G網絡的OPEX較低。另一個問題是，多次重建使網絡非常透明。近年來，需要透明性。因此，遠程800G系統非常不透明和不透明。

 

B.  機制

800G光通信系統使用更高的波特率（即每秒傳輸的位數）和更大的調製星座圖來提供更快的數據速率。800G乙太網標準引入了新的媒介訪問控制（media access control，MAC）和物理編碼子層（physical coding sub-layer，PCS）方法。PCS負責800G系統引入的新更改。這些功能採用當前邏輯，並對其進行更改，以允許通過八個通道以106.25 Gbps的單個速度傳輸數據。高階調製和改進的波特率的組合可能會被用來適應每通道更高的數據速率和更高的數據吞吐量。

 

25G和50G聯盟的最初動機是填補802.3所採用的現有覆蓋範圍中的主要空白，以採用這種新的可達到的速度。25G和50G乙太網使用機架和刀片網絡基礎架構來分別容納10G和20G以上的通信速度。10G之後，假定的下一個更快的速度是40G，它在端點使用四個通道在它們之間建立連接。25G和50G乙太網專為高速聯網目的而設計。100G甚至400G乙太網都可用於800G系統。該機制在以下段落中介紹。

 

圖1. 使用兩個400G的800G MAC層接口的框圖

 

800G乙太網基礎結構是一種改進的接口。8條線（每條線106G）連接到單個MAC，以使其以800G的速度運行。兩條400G線可用於成形800G接口。該架構可視化為兩個400G模塊。該體系結構同時支持八個106.25G和十六個53.125G接口。400G IEEE 802.3協議結合了多線分布，可從單個MAC接口通過16條PCS線傳輸數據。為了驅動8條100G線路，此800G標準必須使用可擴展至800G的MAC和經過某些修改的2個400G PCS。800G MAC以最小的數據包間距離繼承了所有400G MAC特性。800G的帶寬通過使用兩條400G PCS和32條PCS線（每條25G）來提供。

 

C.  最新技術

在[13]，已經說明了400G系統的基本功能。CDSP系統已用於將數據速率提高到400G以上。還討論了乙太網優化傳輸網絡對信噪比要求的改進。相干技術的設計取決於不同的網絡應用。相干傳輸是在城域網和遠程網絡以及數據中心間應用中高數據速率傳輸所遵循的標準方法。不同的應用具有不同的光信噪比（OSNR）容限。始終需要優化運輸設備的OSNR容限。光纖容量是光網絡系統利用的重要方面。網際網路數據增長迅速。由於大量數據和集中式雲應用，對光網絡的需求很高。新的相干光傳輸可以在短距離內提供比較長的傳輸（如地鐵和長途鏈路）更好的容量。數據中心互連（DCI）鏈路的要求足夠短，因此可以輕鬆滿足其SNR容限級別。通過增強用於相干調製的電光，將有可能改善波特率。提出了基於神經網絡的800G相干調製實驗中增益為0.35dB的軟解映射器設計模型。表達了前向糾錯和正交幅度調製（QAM）在實現高頻譜效率方面的重要性。基於低複雜度神經網絡的軟解映射器能夠在沒有任何先驗知識的情況下對任意信道傳輸概率進行建模。在[3]中，已經解釋了使用CDSP算法設計ASIC的機制。他們設計並演示了使用7 nm DSP ASIC和數字相干光纜在1000 km內進行的遠距離傳輸，數據傳輸速率高達1.6 Tbps，並且使用了兩次800G波。基於極化的多路復用有助於提高容量。先進的數字通信技術（如概率整形和DSCM）的實現可自適應地提供良好的數據速率，並提供抵抗色散光纖效應的魯棒性。在[3]中，模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）已用於高速光通信系統的設計。設計了一種特殊的ADC模型來模擬與頻率有關的有效位數（ENoB）。為了了解寬帶EC的效果，對各種調製技術進行了比較研究。實驗是在64 GBaud的DP-16QAM（對於400G），64GBaud DP-64QAM（對於600G）和96 GBaudDP-32 QAM（對於800G）上進行的。ENoB用於測量EC的有效轉換解析度，該解析度同時考慮了EC噪聲和失真。對於相干光通信系統，涉及DSP和相干檢測。CDSP對於增強系統傳輸性能至關重要。

 

第四節    800G光網絡的潛力

 

全球流量快速增長，並且每年部署更高數據速率的光鏈路。數據存儲需求也非常快地增加。如上一節所述，光網絡在數據中心連接中起著重要作用。根據國際數據公司（IDC）的報告，數據中心行業的年增長率超過50％。它還預測，到2020年，數字數據將增加到40 ZB，到2025年將增加到163 ZB。數據的創建，傳輸，存儲和使用在很大程度上取決於ICT基礎設施。高速光網絡在這些過程中起著關鍵作用。在這個以數據為中心的世界中，光網絡扮演著信息高速公路的角色。800G傳輸系統將為數據中心網絡帶來新的機遇。

 

200G和400G鏈路現在是中長距離部署的主流趨勢。由於網絡越來越大且越來越複雜，因此它們需要系統級優化以實現最大的光纖容量。可以實施先進的算法，例如具有人工智慧的通道匹配整形，也被稱為比奈奎斯特（FTN）更快的速度，以釋放全部潛力。其次，由於光纖是由矽光子組件組成的，因此高帶寬對於獲得出色的通信質量起著重要的作用。隨之而來的是，需要寬頻譜才能在單個光纖中啟用更多通道。與400G乙太網相比，800G相對較新。隨著對更高帶寬，數據中心中超大規模網絡設備和連接的需求，對800G光模塊的需求很大。這些高速光傳輸是未來三到五年內不可避免的趨勢。還發現800G支持雲擴展。

 

數據中心和雲網絡中不斷增長的流量和帶寬不僅使800G光收發器的增長不可避免，而且對交換容量提出了更高的要求。因此，在選擇800G規格時，應同時考慮收發器的外形尺寸和交換機/路由器端的技術。800G高速傳輸技術可以顯著提高光網絡的傳輸效率。眾所周知，業界領先的400G和800G傳輸性能將保持不變。新一代CDSP都帶來了性能上的提高。正如討論中前面提到的，800G CDSP包含了高度先進的性能增強算法，包括極化狀態和FTN。

 

800G CDSP受最新一代基於矽的7nm器件的支持。隨著矽電子技術的進步，每秒可以執行更多計算，從而可以執行高度複雜的算法，從而提高性能。800G是降低每比特成本的技術之一。800G系統提供兩種功能，例如每個波長更高的數據速率和更高距離上的更多總帶寬。800G可以滿足5G之上對新服務的最新需求。在數據中心，800G可用於提供大帶寬和巨大的數據速率。800G光網絡的容量可以提高到當前網絡的六倍。800G光學鏈路可以由8通道100G到16通道50G支路組成。預計100G支路的功耗將降低50％。800G使用CDSP，這是適用於光網絡的技術之一。光子線系統和相干光學的進一步發展將進一步提高光纖的容量。如圖2所示，與其他現有系統相比，對於相同的吞吐量，800G的容量將增加至少六倍，並且其功耗將減少近50％。預計在接下來的幾年中，向800G的演進將是平穩的。

 

圖2.  800G光網絡的典型潛力

 

第五節    結論

 

本文介紹了800G光通信鏈路的基本原理。這無疑是高速光網絡的新領域。它將使現有系統中的數據速率提高數倍，並降低傳輸成本。討論了800G光通信系統的主要優缺點。它具有幾個優點，例如更高的數據速率，更好的頻譜效率和更好的能源效率。但是，在接收端，長距離和超長距離部署的電子轉換損失會更高。當然，根據接收端使用的DSP，不同的接收器也會有所不同。儘管存在這些困難，但800G光學系統仍將流行。它的未來前景似乎非常光明。