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伴随5G-A、6G技术发展，以及“东数西算”工程等战略需求的增长，骨干传送网在超大带宽、超长距离和超低时延方面面临更高的需求和挑战。骨干网是综合承载各项业务的信息“大动脉”，是整个信息基础设施的“承重墙”。面向“东数西算”“东数西存”等算力网络典型场景需求，中国移动构建400G新型全光网，构筑算力网络的全光底座。
100G规模应用已历经10年，400G是光传送网的下一项重大变革性代际技术。400G通过提升信号波特率和采用高阶调制格式，使单纤传输容量提升4倍，单比特成本有望降低至60%。然而相比100G，400G系统的OSNR容限要求至少提升6dB，需系统化地对光纤、光放大器、调制格式等多维度关键技术开展攻关，以满足80波的大容量系统要求及城域中短距和骨干长距不同应用场景的传输性能要求。面向城域中短距应用，应重点考虑频谱效率和低成本部署，基于G.652.D光纤和纯EDFA放大仍是400G城域网的基本要求。面向骨干长距应用，应重点考虑传输性能。
实验结果表明，考虑逐站OXC穿通的全光组网场景，16QAM支持约240km的传输距离，可以满足数据中心互联场景需求，若传输性能进一步提升可考虑在城域网部分应用；16QAM-PCS具备约720km的传输能力，可覆盖城域、部分省域传输的主要场景；QPSK可实现1500km以上的无电中继传输，是400G长距应用的最佳码型选择，结合G.654.E光纤和拉曼放大技术可以进一步延长系统无电中继传输距离。400G QPSK技术的引入，标志着光传送网产业正式进入“C6T+L6T”宽谱光通信时代，是继SDH、直调WDM、OTN光联网和相干光通信后又一重大技术变革。
400G驱动光传送网进入宽谱光通信时代
面对业界存在的多种400G技术走向，中国移动明确了城域/省域中短距场景采用16QAM和16QAM-PCS，骨干长距场景采用QPSK的技术路线。在100G时代，基于C4T波段在50GHz通道间隔下实现80波系统。而对于不同的400G调制技术，16QAM的波特率约为67GBaud、通道间隔为75GHz，为满足80波的系统配置，波段范围需从传统C4T波段扩展到C6T波段；16QAM-PCS的波特率约为91GBaud、通道间隔为100GHz，若要满足80波配置要求，波段范围必须从C4T波段扩展到“C+L”波段；QPSK的波特率约为130GBaud、通道间隔为150GHz，80波系统需要进一步扩展到12THz的“C6T+L6T”波段。由以上可知，“宽谱”是400G时代最突出的技术特征，也是最显著的技术挑战。
宽谱技术的应用主要面临宽谱器件与宽谱系统两大挑战。在从100G到400G的技术发展历程中，光模块在器件带宽方面面临巨大的压力和挑战，需从28GBaud最高提升至130GBaud。光通信进入宽谱时代后，光器件及模块在宽谱方面的挑战更加凸显。在波段范围扩展至“C6T+L6T”后，EDFA放大器出现了L波段长波增益低、放大器体积大、不同波段难以一体化放大等新的技术难题；WSS、ITLA等其他核心组件，需要支持扩展至新的波段范围且性能与C波段保持一致，并由分立式向“C+L”一体化演进。
此外，在宽谱系统层面，“C6T+L6T”波段最长与最短波的频差达12.5THz，已经非常接近受激拉曼散射（SRS）效应的13.4THz增益峰值。在SRS效应的作用下，短波信号功率将被长波抽取，造成显著的波道间功率不平坦，导致系统整体传输性能的劣化。中国移动通过实验表明：80波配置的“C6T+L6T”400G QPSK信号经过一个80km G.652.D标准跨段传输后产生的最大功率转移就已高达7dB，而在同等实验条件下，100G使用的C4T波段仅存在小于1dB的功率转移。此时，满波配置的400 QPSK系统均衡除了面临12THz宽谱、跨“C+L”波段两大挑战外，还需处理SRS效应所致的功率转移问题，保证系统末端各通道性能相近。当前，中国移动已经实现在静态环境下均衡后波道平坦度<±2.5dB，未来应继续研究在增减波、网络割接等复杂环境下实现自动化、模板化的自适应均衡，力争波道平坦度≤±0.5dB。
中国产业引领400G QPSK技术走向
2018年至2021年，业界先后推出了采用16QAM和16QAM-PCS实现单通道400G传输的技术路线。国内外相关企业广泛参与，共同推动了技术发展、标准制定和产业完善，技术和产业处于并跑水平。例如，日本NTT公司在2020年基于EDFA/拉曼混合放大和G.654.E光纤采用400G 16QAM完成2019km实时传输试验；中国移动在2021年基于纯EDFA放大和G.652.D光纤采用400G 16QAM-PCS完成1077km沈阳—大连现网试验，链路含16个跨段、平均跨段损耗21dB，且系统末端具有6dBOSNR余量。
经过产业界多年的努力，400G 16AM-PCS的B to B OSNR容限已达约17.5dB。在基于G.652.D光纤的经典商用场景下，可支持约1000km的点对点传输和约720km的逐跨OXC组网传输。然而，我国幅员辽阔，面向“东数西算”超长距离、超低时延需求，应考虑OXC全光组网及1500km以上的传输能力。此外，对于引入光层保护的跨段，还要增加大约4.5dB的额外插损。400G 16QAM-PCS技术难以较好满足我国的长距骨干网实际需求。因此，中国产业于2021年提出采用400G QPSK低阶调制、130GBaud高波特率、“C6T+L6T”扩展波段技术路线，以满足超1500km 80波系统传输。但高波特率、扩展波段等技术难度大，对芯片、器件要求高，产业发展初期投入QPSK端到端研发存在疑虑。
通过充分论证QPSK的技术优势，以及考虑未来800G及更高速率网络必然走向高波特率、扩展波段路线，中国移动联合国内产业界坚定地明确了以QPSK作为400G骨干全光网的技术基石，全力推动光传送网产业进入宽谱光通信时代，协同推进技术和产业加速发展。2023年中国移动在宁波、北京、贵阳召开3次技术进展发布会，宣布创造400G长距传输3项世界纪录，联合产业基本构建了涵盖芯片、器件、模块、设备、系统的自主可控产业链，有力推进了400G QPSK技术和产业成熟。
2023年3月，在宁波主办“光网筑底算力扬帆——中国移动算力网络400G全光网技术试验阶段总结暨产业推进研讨会”，发布世界最长距离400G光传输技术试验网络。在预留0.06dB/km光纤维护余量的前提下，实现了基于G.652.D光纤、EDFA/拉曼混合放大的5616km传输，且系统末端仍具有2.2dB的OSNR余量，验证了QPSK的长距传输能力。2023年5月，在北京举办“《下一代全光骨干传送网白皮书》发布会”，展示了基于G.654.E光纤和纯EDFA放大实现的“C6T+L6T”波段400G QPSK7000km传输成果，是目前实验室测试的最高水平，论证了G.654.E光纤在提升超高速超宽谱光传输系统性能方面的优越性。
2023年6月，在贵阳举办“中国移动‘九州’算力光网白皮书暨产业发展倡议发布会”，宣布基于G.652.D光纤完成了全球最长距离的纯EDFA经典商用场景80×400G QPSK 1673km现网试验，链路含30个跨段、平均跨段损耗19dB，在预留0.06dB/km光纤维护余量的前提下，系统末端OSNR余量6.4dB，检验了400G QPSK面向商用部署的系统能力。相关研究成果在技术上全面论证了基于QPSK的400G新型骨干全光网的可行性，核心技术参数及指标已基本满足现网应用需求，为构建算力网络的大带宽、低时延全光底座打下坚实基础，因此2023年有望成为400G规模商用元年。
400G和G.654.E光纤双双进入高速发展期
中国移动面向算力网络等新业务发展需求，以构建技术先进的基础网络为己任，目前已完成省际400G新型骨干网建设方案的规划和决策，开始构建全球首个最大规模、最广覆盖的400GOTN骨干网，同时加快技术应用、网络演进，助力算力业务、数字经济发展。此外，结合流量增长，预计2024年400G技术将进一步向省域骨干、城域核心层延伸应用。
G.654.E光纤相比传统G.652.D光纤具有超低损耗和低非线性的技术优势，对于400G系统可以带来至少2dB的性能提升。中国移动与产业界正在协同推进扩大G.654.E光纤的部署应用。面向800G及更高速率系统演进，G.654.E对系统性能提升的必要性更加凸显，具有更为广阔的应用空间。
从技术发展来看，400G QPSK光模块当前均为MSA固定模块，未来两三年应在传输性能基本不变或满足系统要求的前提下向可插拔、小型化、低功耗演进；在超宽谱器件方面，国内主流厂家的ITLA、EDFA、WSS等核心器件已经全面支持12THz，需要进一步引导“C+L”双系统向单系统演进；在自主可控方面，应进一步加强高速光管芯、先进oDSP芯片等关键组件的国产化攻关突破和完善。此外，基于部署一代、预研一代的技术发展理念，应围绕单通道800G/1.2T系统开展关键技术研究，提前布局下一代光通信前沿技术。
*本文刊载于《通信世界》总第930期 2023年10月25日 第20期
原文标题:《400G新型全光网技术发展》
作者：中国移动 李晗 邹洪强 刘卓
张德朝 韩柳燕 王东 左铭青
责编/版式：王禹蓉
审核：舒文琼
监制：刘启诚
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