盤點:光通信的五個發展趨勢

2022.03.09

 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。