数据洪流推进光通信发展：跳过40G，拥抱100G
发布时间：2012-8-3 15:59
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100G时代已经到来。以视频为代表的宽带业务的快速发展，以及云计算、移动互联网和物联网的兴起，正在给日益严峻的网络带宽带来挑战。为了应对这一挑战，满足现在以及未来业务发展的需要，继10G、40G之后，大容量的100G技术开始越来越多地进入人们的视线。不仅运营商纷纷开展100G商用测试和部署，国内外的设备厂商也竞相推出各自的100G产品，100G市场的日渐成熟正在带动整个产业进入一个全新时代。 在数据洪流的挑战下，以40G和100G为代表的高速光传输技术正在快速发展。自2010年之后，经过多年市场预热的40G逐渐浮出水面，成为运营商扩充传输容量的主要技术手段。然而，伴随着全球网络数据流量的进一步增长，40G技术是否能够满足网络带宽提升需要的质疑开始出现，尤其是超大容量的100G技术的出现和快速成熟使得跳过40G直接采用100G，正在成为一种务实的新选择。 虽然40G技术在近几年才开始商用部署，但是其实早在2000年以前，40G就已经进入人们的视线。然而，随着互联网泡沫的破灭，全球光通信市场遇冷，40G技术的发展非常缓慢，直到2008年我国才首次实现商用部署，市场随后才逐渐打开。令人遗憾的是，市场的这一波折，让“风华正茂”的40G，错过了最佳发展时机。尤其是100G的迅速崛起正在对40G形成冲击。 100G的出现，使得产业链上游的器件以及芯片厂商开始把更多的精力放在100G上。这在某种程度上造成了40G产业链力量的分散、产业链整体实力的相对薄弱以及设备成本相对偏高。更为重要的是，宽带业务的快速增长，也让40G技术是否能够满足现在以及未来几年的网络宽带需求成为疑问。 思科预计，2015年网络互联设备的数量将会超过150亿台，相当于全世界人口数量的两倍；2015年全球互联网流量的总量将达到2011年的4倍，每年966EB。对于运营商而言，考虑到设备的生命周期及网络数据流量的飞速增长，网络建设不仅需要满足现有的市场需求，更应该面向未来，充分考虑到未来3~5年的网络带宽需求。因此，在这样的考虑和对比下，40G的优势正在逐渐丧失，越来越多的运营商开始选择跳过40G直接应用100G。 “2013年我国骨干网最大链路需求将达到12T，100G需求将开始主导，2015年左右进入规模应用。”中国电信科技委主任韦乐平对我国100G市场发展的趋势进行了预测。他认为，目前100G传输技术产业链已基本成熟，所有元器件和子系统都具备多厂家商用能力，2013年市场将成熟。 另据电信业权威咨询机构Ovum的预测，在2016年之前，100G光网络市场的年增长率将持续保持在100%以上。随着100G相干和软判决技术的快速商用成熟，2013年将迎来100G的全球规模商用。与此同时，10G、40G、100G长期并存的趋势也非常明显。预计10G、40G市场将在2018年前保持平稳的收入，分别为30亿、25亿美元左右的市场采购量，而100G市场规模将在2016年前后攀升至第一。 技术是无情的，市场是残酷的。虽然在未来的一段时间内40G依然拥有一定的市场空间，但是在技术演进的推动和市场需求的促进下，跳过40G选择100G，将会不可避免地成为一种趋势。 需求 全力应对数据洪流 市场需求是技术发展永恒的动力。100G产业的成熟、100G时代的到来，都离不开实实在在的市场需求。今天，伴随着固定互联网的蓬勃发展和移动互联网的飞速增长，数据洪流正滚滚而来。当现有的传输管道无法应对数据洪流而频发“拥挤”乃至“瘫痪”事件时，相信谁也无法否认部署100G的迫切性，因为只有更“粗”的管道才能确保数据洪流不会变成“洪灾”。 各种创新的宽带应用层出不穷，正在让传统电信网络承受着巨大的流量压力。从过去的P2P应用到当前的高清视频、高清游戏等娱乐应用，再到持续推进的高清视频会议、高清视频监控等，一直在演进的宽带业务产生的数据流量越来越高，相应对于带宽的需求也越来越高，对于时延的要求越来越严格。正如中国电信科技委主任韦乐平预测的那样，未来5年中国干线网流量的年增长率会高达60%~70%，而干线网络带宽需求在5年后也将达到当前的10到15倍，骨干传输网带宽将从64Tbit/s增加到至少120Tbit/s以上。 为了确保高带宽需求下的用户体验，运营商纷纷开始了100G的商用或者试商用部署。例如，AT&T、Verizon、日本软银、德国电信等运营商已经部署了100G的试验局和商用局。其中，Verizon早在2011年3月，即部署了长距离100G骨干网，为100G以太网技术应用以及100G路由器连接铸就了一块重要的里程碑。中国三大电信运营商也已经陆续启动了100G的测试，正在为规模部署做好准备。 从长远的角度来看，云计算、物联网都将成为100G规模部署和商用的现实驱动力。云计算必然会催生数量可观的大型数据中心，而数据中心之间的数据交互必然要求100G提供高带宽的保障；物联网则会让地球上的每一粒沙子都能够“开口说话”，由此而产生的数据流量则是无法想象的。如果没有更大的带宽，那么物联网的应用将无法顺利实现。不过，值得注意的是，100G只是带宽提升之路上的一个台阶，更高的台阶如200G、400G也已经开始形成，其核心动力正是无法估量的数据洪流。 技术 积极破解三大难题 单波100G的信息传送量，意味着要在50GHz的频宽内实现每赫兹2比特的频谱利用率，是40G系统的2.5倍。这只能从光通信最基本的实现手段上去解决，破解最关键的技术难点即信号的调制、接收和纠错技术。 一项技术能否在市场上获得成功，成本是核心要素。100G技术商用的前提条件是单位带宽成本要比40G、10G低，这样才能让运营商有足够的理由采购它。因此，单纯依靠提高器件的精度，把难题留给系统的设计和制作，具有很大的风险。于是，业内主流厂商在100G产品的研发中普遍都采用了相对成熟、把握性较大的技术方案，这一思想贯穿于100G系统的调制、接收和纠错环节。 在调制方面，如果沿用现有的10G和40G的幅度调制和相位调制，在50GHz的信道内功率损耗难以接受，对器件的精度要求太高。因此，一种名为“偏振复用”的技术走进我们的视野。它采用两路独立的光偏振态来承载业务，每路又都可以采用相位调制，这样就把信号速率降低，由此也降低了对器件的要求。 在接收方面，光信噪比OSNR是一个十分重要的参数，对估算和测量系统有重大意义。在相同的光调制方式下，100G与10G系统相比OSNR容限要差10dB。因此，如果采用直接接收技术，100G的实用性大打折扣。由此，相干光通信技术被引入进来。这是高速光传输的一次重要革新。它的采用使得100G真正成为色散不受限的系统，大大增强了100G对线路传输的适应能力。相干光通信的最主要优点是相干检测能改善接收机的灵敏度，增加了光信号的无中继传输距离。此外，相干光通信还可以提高接收机的选择性。 在纠错技术方面，FEC已经在波分系统中被广泛应用。相比10G和40G的系统，100G由于光信噪比问题突出，需要采用多种FEC方式才能保证系统的纠错能力。传统的“硬判决”丢弃了信号的一些统计特性，而“软判决”可以最大限度地使用信号中包含的信息，进行更加精确的判断，但是“软判决”实现的前提是有高速的器件进行支持。目前，相干接收技术的应用加上集成电路技术的飞速发展，使得“软判决”FEC的应用成为可能，可支持100G甚至超100G系统的长距离传输需求。 融合 让光与IP相得益彰 光通信技术发展的根本意义还是承载业务，在数据业务尤其是IP业务成为网上主流应用的时代，光通信与IP技术自然而然也走向深度融合。100G光传送技术从诞生之日起就打上了IP的烙印。特别是以10倍进阶的以太网和多数以4倍进阶的光传输在100G实现了汇聚后，业内专家普遍看好100G的应用前景。以太网的标准化机构IEEE甚至显示出比国际电联更高的热情。 光与IP融合的特征在OTN上体现得最为显著。在光层，OTN可以实现大颗粒的处理;在电层，OTN使用异步的映射和复用，使得关键的交叉可采用最经济的空分技术。传统的SDH以及MSTP还是为TDM业务而优化的体系，IP化业务一般通过POS或以太网接口直接上载到现有WDM网络，这会在组网、保护和维护管理等方面面临挑战。从发展趋势上看，传送网在IP化、智能化、大颗粒化的浪潮中，OTN已经成为必然的方向，并且会随着网络的宽带化不断“下沉”，向城域延伸。 从路由器和以太网交换机的技术发展看，10GE必然会让位于100G。与此相对应，只要100G技术能够成熟起来，实现更低的带宽成本，那么100G肯定是OTN线路侧的演进方向。另外，从40G传输技术的应用看，40GE的体系虽然经过多年发展已经比较完善，但各种OTN设备交叉容量有限，40G在线路侧显得有些“水土不服”。从现在运营商部署的情况看，40G只能完成子波长级的调度，尚无法满足全业务的调度。从市场上看仍存在一些不确定因素。因此，不少比较激进的专家认为，随着100G技术的商用，40G需求将会被大大压缩。另外，一些运营商进行的实验证明，100G可兼容现有的10G和40G波道，有效地保护现网投资。在接收端，100G通过相干光技术的引入，可高效补偿传输过程中的各种损伤，无须引入昂贵的色散补偿器，无电中继距离更长。由此，我们可以预见在网络流量持续爆炸式增长的情况下，100G技术一方面大幅提升了网络的容量，另一方面进一步为IP业务而优化，让光传送设备为IP层提供一个直通的波长或子波长带宽，不再由路由器进行转发。这样带来的直接好处是提高了网络整体传送性能，同时也降低了总体建网成本。 标准 奠定商用化之基 100G技术能否规模部署和实现商用化，除了市场需求这个根本动力以外，标准化是一个重要的前提。 在标准尚未确立前，作为主力军的设备制造商会因缺乏统一的方向而基于各自的理解推出不同的解决方案，这必然会延缓整个产业链的成熟，最终阻碍商用化进程。截至目前，在IEEE（美国电气和电子工程师协会）、ITU-T（国际电信联盟标准化组织）和OIF（光纤互联网络论坛）三大标准组织的共同努力下，100G相关标准已经成熟，从而为规模商用铺平了道路。 100G相关标准的完善，主要集中在最近数年完成。2010年年中，IEEE802.3ba对100GE完成了规范；ITU-T，则在2009年年底就为100GE业务承载定义了OTU4；OIF则规范了业务的100G 长距模块的实现以及100G互联互通接口规范。100G相关标准的陆续发布，加快了国际主流设备制造商推出解决方案的速度，100G DWDM骨干传输解决方案在2011年纷纷涌现。 伴随着全球运营商的积极推动，100G逐渐成为减小干线传输带宽压力的有效手段。中国电信积极进行的测试和验证，最终促成了100G国家标准的形成。2011年，中国电信启动了100G DWDM设备研究性测试，并在此基础上完成了国内100G DWDM设备技术要求（标准）。 然而，骨干网并非100G唯一的“用武之地”。当城域网面对的流量压力日益增大时，100G开始从骨干下沉至城域，以发挥更大的作用。值得注意的是，100G在城域网的应用尽管得到了许多电信运营商和设备制造商的关注，但当前却呈现态度不一致的状况。例如，有些设备制造商主张采用长途网使用的相干技术，而有些设备制造商则试图利用4×28Gbps方式的直接调制技术。显然，整个产业界需要就100G在城域网的应用达成新的共识即实现标准化。针对这一新情况，标准化组织也开始关注100G城域应用的相关规范。例如，OIF近日在其第三季度会议上推出了三个新项目，包括将长途100G DWDM网络扩展到城域应用、下一代的多链路Gearbox规范以及芯片级的光通信机制。 应用 应用场景更加丰富 为了更好地应对业务流量和网络带宽增长的压力，具备大容量、长距离传输特征的100G技术正在被越来越多地部署到干线网络、大型本地网以及城域网的核心层，用于城域网业务流量汇聚、大型数据中心之间的数据交互、核心路由器之间的接口互联以及大容量长距离传输等多种场景，为网络的新一轮提速奠定基础。 从业务驱动上看，100G部署的需求主要来自城域网业务汇聚和数据中心交互。当前，随着以视频业务为代表的宽带业务的快速发展，接入层带宽的增加必然导致城域网汇聚层和核心层的宽带需求增加。在此趋势下，汇聚层节点数量以及带宽的快速攀升，促使了运营商在城域网核心层部署100G，以适应大带宽业务流量汇聚以及与长途传输设备接口之需。 在数据中心业务上，由于互联网、云计算等业务的蓬勃发展，高宽带网络成为数据中心建设的基本要求。在数据中心将众多服务器集中在一起的服务模式下，100G技术的采用，不仅可以满足数据中心互联的海量带宽需求，而且可以有效减少接口，降低机房占地面积以及设备功耗，帮助运营商以及互联网企业部署高密度、万兆互联的新一代数据中心。 与此同时，在网络IP化趋势下， 骨干网的数据流量主要由核心路由器产生。现网中核心路由器主要采用10GE接口与WDM设备互联以实现长距离传输。随着100G技术的成熟，核心路由器可以直接采用100G接口与传输设备相连，不仅可以实现大容量和高带宽，还可以进一步减少用户侧接口数量，以满足数据业务发展的需要。目前，由于100G接口已经被公认为是下一代核心路由器的标准配置，国内外的各大设备厂商竞相推出了100G的产品和设备。 由此可见，在数据“洪峰”的冲击下，无论是大容量传输、城域网还是数据中心交互的宽带需求都呈现几何级数增长。网络运营商要想应对这一增长，就不可避免地要进行网络扩容，在更多场景，更大范围地应用100G大带宽网络设备。 来源：人民邮电报 |
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