盤點：光通信的五個發展趨勢

 目前，我們整個社會正處於第二次數字革命(數智革命)的起飛階段。 在消費互聯網取得巨大成功的基礎上，我們開辟了行業互聯網這個新藍海，並據此提出了數字經濟和數字化轉型戰略。 於是，無數的行業數字化場景(例如智慧工廠、智慧物流、智慧文旅等)湧現出來，加速了海量數據的產生。 根據預測，人類的數據產量，正在以每年50%的速度迅猛增長。 圍繞這些體量龐大的數據，我們急需更強悍的算力和通信力，進行應對。這就是ICT技術發展的源動力。 我們具體該如何應對呢? 無線看5G，有線看光纖。 今天這篇文章，小棗君專門講講有線，詳細分析一下有線通信裏最重要的光通信技術，以及圍繞光通信技術構建的光傳輸網絡，看看在數智革命的巨大挑戰下，光通信究竟是如何應對的。 提到光通信，我們還是要默默感恩高錕博士1966年的創世論文。 正是他的堅持和不放棄，才給我們帶來了光纖這麼一個幾乎完美的通信介質。它具備大帶寬、高性能、低成本的特點，為後來人類社會信息化起步，奠定了基礎。 我們無法想象，如果沒有光纖，我們僅靠金屬介質，建立如今覆蓋全球的龐大通信網絡，到底要消耗掉多少寶貴的資源，會對環境造成怎樣的損害。 更不用說，這些成本轉嫁到我們普通用戶身上，我們將面臨怎樣高不可攀的通信資費。 光纖 如今，光纖是我們整個數字社會的底座基石。它就像血管，不斷輸送著數以EB、ZB的數據，連接世界，創造價值。 光通信技術的未來發展趨勢，緊密圍繞著性能和成本，歸納起來，就是三點： 發展趨勢一：全光網的演進 全光網，是我們非常熟悉的名詞。 光通信的首要任務，就是傳輸數據。前面小棗君也提到了，人類社會每天都在面臨數據增長。為了避免擁塞，光通信必須緊跟需求發展，持續擴增自己的帶寬和容量。 目前，光通信擴增自身傳輸能力的方法非常明確，就是兩條：一，繼續提升單波容量，相當於把路修寬。二，升級所有的路由交換節點，實現高速公路的點對點直達(避免換乘)。 單波容量的提升 經過數十年的苦心經營，國內運營商當前骨幹網已經達到了單波100Gbps的水平。 下一步的發展目標，是單波400Gbps。而製約這一目標的主要障礙，是成本，尤其是光模塊這樣的核心器件的成本。 除了400G之外，處於研發和試驗階段的，是800G和1.2T。 想要實現單波速率提升，主要有兩個辦法：采用更高階的調製方式、提升波特率。 高階調製雖然可以成倍提速，但抗噪聲能力差。也就是，和無線空口一樣，外部環境惡化，或者傳輸距離遠，就不能用高階調製，只能降階。 高波特率的話，比高階調製更有用。它既可以提升速率，也不會影響傳輸距離。但是，高波特率對光電器件要求很高。說白了，屬於工藝問題。 光通信頻譜帶寬延展 除了提升單波容量之外，想要增加單根光纖的傳輸速率，就只能讓這根光纖傳輸更多的波。想要更多的波，就只能進一步擴展光通信的頻譜帶寬。 光通信其實和無線通信一樣的，也是依賴頻譜資源。 我們在一根光纖中傳輸不同頻段的光，在考慮保護間隔的前提下，可用的頻譜帶寬越大，能傳的光的波數越多，容量也就越大。 一般情況下，波道采用C波段，頻譜資源是4THz。擴展為CE波段後，頻譜資源增加20%，為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%。(延伸閱讀：鏈接)。 如果按照單波400G的速率，C++波段(80個波)，那麼，骨幹傳輸容量可以提升到400G×80個波=32Tbps。 為了進一步提升速率，專家們也沒有放棄在光纖上做文章。 新型光纖傳輸技術，比如MCF、FMF和PCF等，現在正在成為行業熱點。光纖頭部企業，正在加緊進行技術研發。 全光交換 除了提升速率帶寬之外，另一個能力提升的手段，就是交換節點的升級擴容，這也是全光網2.0的精髓所在。 光通信的發展目標，是替換所有的電通路。換句話說，所有的數據傳輸，全部應該由光通路完成。 光纖不僅要鋪到家庭，還要鋪到每個房間，每個PC，每臺電視，每個冰箱。所有固網接入，全部替換為光，消滅網口。 此外，在設備的內部，也要擯棄光電轉化，直接光路到元件、到芯片。芯片與芯片之間，芯片內部之間，也全部光路。這是光通信的終極發展目標。 對於普通人來說，這個目標是無法想象的，不是嗎? 用戶側，目前我們發展到了FTTR(光纖入戶)階段。在骨幹側，隨著ROADM和OXC的普及，我們國內已經實現了全光波長交換。 未來，全光波長交換的發展思路就是——向上和向下。一方面，滿足小顆粒度的交換和調度(面向行業需求、切片)。另一方面，滿足大顆粒的交換和調度(面向骨幹網容量擴增)。 想要實現ROADM調度能力的升級，離不開對WSS技術工藝的研究。這也是目前光通信產業鏈最值得關註的研究方向之一。 發展趨勢二：解耦&白盒化 除了通信能力的不斷精進之外，光通信發展的第二個關註點，就是成本壓縮。 畢竟，企業需要生存，生存離不開利潤。想要利潤，除了增加收入之外，就只能勒緊褲腰帶，減少開支。 作為行業最大的甲方，運營商控製成本最有效的手段，就是扶持產業鏈。說白了，一項技術越成熟，越開放，做的廠商越多，就越有可能壓低價格，最終實現「白菜價」。 而比較悲催的是，在光通信領域，國內三家運營商互不相讓，選擇了不同的技術體系，讓產業鏈左右為難。 目前，技術標準的爭奪日趨激烈，產業鏈還在觀望，舉棋不定。 在國企穩增量、杜絕惡意競爭、防止國有資產流失的大背景下，小棗君個人認為，光通信技術路線的妥協歸一，是大勢所趨。 省下來的錢，都是國家的錢。搞那麼多的技術路線，互相內耗，確實沒有必要。 在運營商「開源、解耦」的搖旗吶喊下，光通信設備走向灰盒化、白盒化，是必然的。 所有的設備開放解耦，讓廠商淪為「低端」製造工廠。這樣的話，更多的乙方可以加入，進一步降低設備購買成本，實現運營商自身利益的最大化。接入網那邊的Open RAN，其實也是一樣的思路。 發展趨勢三：網絡扁平化 CAPEX(建設成本)看產業鏈，OPEX(維護成本)呢，只能看企業內功。 運營商的維護成本一直很高，其中最主要的組成部分，是人員工資、設備維護、能耗支出(電費)。 如何降低網絡的整體能耗，如何減少網絡的運維復雜度，進而降低人力投入，是運營商需要考慮的頭等問題。站在光通信的角度，就是考慮單位比特公裏傳輸能耗和單位比特交換能耗的進一步挖潛。 光本來就是節能的技術。傳輸網中，光域的占比越高，整體的能耗就越低。尤其是WDM向ROADM全光交換演進之後，能耗還能進一步降低。 光通信技術本身的降能耗潛力有限。於是，運營商想到了另一個辦法，就是網絡至簡。 也就是說，盡可能讓整個傳輸網變得簡單，減少設備數量，提升設備能力，以此來削減運維成本。 網絡至簡的最重要舉措——網絡扁平化。 以中國電信為例。當前的中國電信傳輸網絡，從宏觀上分為四層，從上到下，分別是國幹(一幹)、省幹(二幹)、城域、接入。 電信的想法，是直接把它們幹成兩層——國幹和省幹融合，城域和接入融合，變成「骨幹+城域」的兩層架構。 這樣一來，設備數量肯定是減少了，不僅節約了硬件成本，還減少了空間占用和電費開支，以及人力投入。 扁平化後的傳輸網，將從樹型架構變成MESH網狀架構。這是一次革命性的創新，也是一次艱巨的挑戰。對於網絡來說，這相當於是一次脫胎換骨的手術。 發展趨勢四：城域網的角色轉變 提到了城域網，我覺得有必要專門說一下它。 全光網2.0的發展路線，是先骨幹全光，再城域全光。 城域全光的一個特點，就是OTN這種昂貴的設備下沈，從僅用於骨幹，變成了城域也有。城域WDM，也將在成本進一步下降後，下沈到城域邊緣。 城域全光網，包含了城域核心、匯聚、接入三層。高性能設備的下沈，意味著城域網的定位和服務對象，將會發生明顯的變化。 一直以來，運營商們都希望憑借城域接入技術(PON，無源光網絡)在C端的成功，將經驗復製到B端，打開新的市場。 換句話說，運營商們認為家庭寬帶市場已經趨於飽和(現在在推千兆，未來推50G-PON，雖然需求不大)，目前希望大力推動針對政企用戶的寬帶接入市場，滿足全業務傳輸需求。 升級之後，運營商的城域全光網，將實現對移動(基站)、家庭寬帶、政企用戶、雲業務(數據中心)的全面融合承載，也就是「一網通吃」。 政企行業用戶的光接入需求中，值得關註的是工業互聯網場景。這類場景對傳輸帶寬、確定性時延、安全性、可靠性要求最高，場景復雜，挑戰很大。 基於OSU的M-OTN技術體系，就是基於政企用戶場景的需求，被提出來的。它可以支持小帶寬顆粒多業務承載，滿足行業應用的小顆粒低成本傳輸。 城域全光網和雲網融合關系密切。它不僅和數據中心有交集，更是運營商切入政企客戶雲業務的抓手。例如，運營商可以通過提供光寬帶接入，搭配雲專線業務，甚至兜售自己的雲服務。 發展趨勢五：AI智能運維 除了架構變化之外，再想要極簡網絡，就只能引入先進運維技術的支持。 SDN、SDON這些就不用說了，運營商要求各廠家轉發與控製解耦，將所有設備的管理和業務調度能力集中，實現統一管控。廠商肯定不願意這麼做，然後，雙方就處於僵持狀態。 實現集中管理後，運營商通過引入AI人工智能技術，還有大數據技術，可以實現對整個傳輸網絡的智能運營。這就像是一個全國級的交通調度中心，而且，這個中心還是基於人工智能算法的，潛力極大。 小棗君相信，圍繞「AI+SDN」，實現網絡流量預測、性能劣化預測、故障根因分析和光纖態勢感知，都將變得可行。通信工程師的飯碗，有可能被AI砸得稀碎。 借助AI，網絡本身將具備極強的網絡自愈能力。出現問題時，AI可以進行快速響應和鏈路調度，減少業務的中斷時長，甚至讓客戶根本感知不到故障曾經發生過。 除了降成本之外，引入智能運維還有一個好處，就是綠色節能。 通信網絡的綠色節能，不再是一句公益口號。它牽扯到運營商重要的政治任務——那就是服務於國家的「雙碳」戰略。從某種意義上來說，它的重要性，甚至高於省錢。 結語 好啦，以上就是小棗君對光通信未來發展方向的一些思考。 光通信是一個龐大的體系，限於篇幅，還有一些技術動向我沒有介紹，例如DCI、WSON、ZR等。將來有機會，我再通過專題，進行詳細說明。 我還是那句老話，光傳輸網絡是整個數字社會的基座，重要性極高，比5G高得多。光通信技術，是目前少數值得深入研究的通信領域。 希望廣大有誌青年能夠加入到光通信的研究之中，參與建設更強大更智能的全光3.0甚至4.0，為數字智能革命夯實基礎。