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盘点:光通信的五个发展趋势

目前,我们整个社会正处于第二次数字革命(数智革命)的起飞阶段。

在消费互联网取得巨大成功的基础上,我们开辟了行业互联网这个新蓝海,并据此提出了数字经济和数字化转型战略。

于是,无数的行业数字化场景(例如智慧工厂、智慧物流、智慧文旅等)涌现出来,加速了海量数据的产生。

根据预测,人类的数据产量,正在以每年50%的速度迅猛增长。

围绕这些体量庞大的数据,我们急需更强悍的算力和通信力,进行应对。这就是ICT技术发展的源动力。

我们具体该如何应对呢?

无线看5G,有线看光纤。

今天这篇文章,小枣君专门讲讲有线,详细分析一下有线通信里最重要的光通信技术,以及围绕光通信技术构建的光传输网络,看看在数智革命的巨大挑战下,光通信究竟是如何应对的。

提到光通信,我们还是要默默感恩高锟博士1966年的创世论文。

正是他的坚持和不放弃,才给我们带来了光纤这么一个几乎完美的通信介质。它具备大带宽、高性能、低成本的特点,为后来人类社会信息化起步,奠定了基础。

我们无法想象,如果没有光纤,我们仅靠金属介质,建立如今覆盖全球的庞大通信网络,到底要消耗掉多少宝贵的资源,会对环境造成怎样的损害。 更不用说,这些成本转嫁到我们普通用户身上,我们将面临怎样高不可攀的通信资费。

光纤

如今,光纤是我们整个数字社会的底座基石。它就像血管,不断输送着数以EB、ZB的数据,连接世界,创造价值。

光通信技术的未来发展趋势,紧密围绕着性能和成本,归纳起来,就是三点:

█ 发展趋势一:全光网的演进

全光网,是我们非常熟悉的名词。

光通信的首要任务,就是传输数据。前面小枣君也提到了,人类社会每天都在面临数据增长。为了避免拥塞,光通信必须紧跟需求发展,持续扩增自己的带宽和容量。

目前,光通信扩增自身传输能力的方法非常明确,就是两条:一,继续提升单波容量,相当于把路修宽。二,升级所有的路由交换节点,实现高速公路的点对点直达(避免换乘)。

  • 单波容量的提升

经过数十年的苦心经营,国内运营商当前骨干网已经达到了单波100Gbps的水平。

下一步的发展目标,是单波400Gbps。而制约这一目标的主要障碍,是成本,尤其是光模块这样的核心器件的成本。

除了400G之外,处于研发和试验阶段的,是800G和1.2T。

想要实现单波速率提升,主要有两个办法:采用更高阶的调制方式、提升波特率。

高阶调制虽然可以成倍提速,但抗噪声能力差。也就是,和无线空口一样,外部环境恶化,或者传输距离远,就不能用高阶调制,只能降阶。

高波特率的话,比高阶调制更有用。它既可以提升速率,也不会影响传输距离。但是,高波特率对光电器件要求很高。说白了,属于工艺问题。

  • 光通信频谱带宽延展

除了提升单波容量之外,想要增加单根光纤的传输速率,就只能让这根光纤传输更多的波。想要更多的波,就只能进一步扩展光通信的频谱带宽。

光通信其实和无线通信一样的,也是依赖频谱资源。

我们在一根光纤中传输不同频段的光,在考虑保护间隔的前提下,可用的频谱带宽越大,能传的光的波数越多,容量也就越大。

一般情况下,波道采用C波段,频谱资源是4THz。扩展为CE波段后,频谱资源增加20%,为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%。(延伸阅读:链接

如果按照单波400G的速率,C++波段(80个波),那么,骨干传输容量可以提升到400G×80个波=32Tbps。

为了进一步提升速率,专家们也没有放弃在光纤上做文章。

新型光纤传输技术,比如MCF、FMF和PCF等,现在正在成为行业热点。光纤头部企业,正在加紧进行技术研发。

  • 全光交换

除了提升速率带宽之外,另一个能力提升的手段,就是交换节点的升级扩容,这也是全光网2.0的精髓所在。

光通信的发展目标,是替换所有的电通路。换句话说,所有的数据传输,全部应该由光通路完成。

光纤不仅要铺到家庭,还要铺到每个房间,每个PC,每台电视,每个冰箱。所有固网接入,全部替换为光,消灭网口。

此外,在设备的内部,也要摈弃光电转化,直接光路到元件、到芯片。芯片与芯片之间,芯片内部之间,也全部光路。这是光通信的终极发展目标。

对于普通人来说,这个目标是无法想象的,不是吗?

用户侧,目前我们发展到了FTTR(光纤入户)阶段。在骨干侧,随着ROADM和OXC的普及,我们国内已经实现了全光波长交换。

未来,全光波长交换的发展思路就是——向上和向下。一方面,满足小颗粒度的交换和调度(面向行业需求、切片)。另一方面,满足大颗粒的交换和调度(面向骨干网容量扩增)。

想要实现ROADM调度能力的升级,离不开对WSS技术工艺的研究。这也是目前光通信产业链最值得关注的研究方向之一。

█ 发展趋势二:解耦&白盒化

除了通信能力的不断精进之外,光通信发展的第二个关注点,就是成本压缩。

毕竟,企业需要生存,生存离不开利润。想要利润,除了增加收入之外,就只能勒紧裤腰带,减少开支。

作为行业最大的甲方,运营商控制成本最有效的手段,就是扶持产业链。说白了,一项技术越成熟,越开放,做的厂商越多,就越有可能压低价格,最终实现“白菜价”。

而比较悲催的是,在光通信领域,国内三家运营商互不相让,选择了不同的技术体系,让产业链左右为难。

目前,技术标准的争夺日趋激烈,产业链还在观望,举棋不定。

在国企稳增量、杜绝恶意竞争、防止国有资产流失的大背景下,小枣君个人认为,光通信技术路线的妥协归一,是大势所趋。

省下来的钱,都是国家的钱。搞那么多的技术路线,互相内耗,确实没有必要。

在运营商“开源、解耦”的摇旗呐喊下,光通信设备走向灰盒化、白盒化,是必然的。

所有的设备开放解耦,让厂商沦为“低端”制造工厂。这样的话,更多的乙方可以加入,进一步降低设备购买成本,实现运营商自身利益的最大化。接入网那边的Open RAN,其实也是一样的思路。

█ 发展趋势三:网络扁平化

CAPEX(建设成本)看产业链,OPEX(维护成本)呢,只能看企业内功。

运营商的维护成本一直很高,其中最主要的组成部分,是人员工资、设备维护、能耗支出(电费)。

如何降低网络的整体能耗,如何减少网络的运维复杂度,进而降低人力投入,是运营商需要考虑的头等问题。站在光通信的角度,就是考虑单位比特公里传输能耗和单位比特交换能耗的进一步挖潜。

光本来就是节能的技术。传输网中,光域的占比越高,整体的能耗就越低。尤其是WDM向ROADM全光交换演进之后,能耗还能进一步降低。

光通信技术本身的降能耗潜力有限。于是,运营商想到了另一个办法,就是网络至简。

也就是说,尽可能让整个传输网变得简单,减少设备数量,提升设备能力,以此来削减运维成本。

网络至简的最重要举措——网络扁平化。

以中国电信为例。当前的中国电信传输网络,从宏观上分为四层,从上到下,分别是国干(一干)、省干(二干)、城域、接入。

电信的想法,是直接把它们干成两层——国干和省干融合,城域和接入融合,变成“骨干+城域”的两层架构。

这样一来,设备数量肯定是减少了,不仅节约了硬件成本,还减少了空间占用和电费开支,以及人力投入。

扁平化后的传输网,将从树型架构变成MESH网状架构。这是一次革命性的创新,也是一次艰巨的挑战。对于网络来说,这相当于是一次脱胎换骨的手术。

█ 发展趋势四:城域网的角色转变

提到了城域网,我觉得有必要专门说一下它。

全光网2.0的发展路线,是先骨干全光,再城域全光。

城域全光的一个特点,就是OTN这种昂贵的设备下沉,从仅用于骨干,变成了城域也有。城域WDM,也将在成本进一步下降后,下沉到城域边缘。

城域全光网,包含了城域核心、汇聚、接入三层。高性能设备的下沉,意味着城域网的定位和服务对象,将会发生明显的变化。

一直以来,运营商们都希望凭借城域接入技术(PON,无源光网络)在C端的成功,将经验复制到B端,打开新的市场。

换句话说,运营商们认为家庭宽带市场已经趋于饱和(现在在推千兆,未来推50G-PON,虽然需求不大),目前希望大力推动针对政企用户的宽带接入市场,满足全业务传输需求。

升级之后,运营商的城域全光网,将实现对移动(基站)、家庭宽带、政企用户、云业务(数据中心)的全面融合承载,也就是“一网通吃”。

政企行业用户的光接入需求中,值得关注的是工业互联网场景。这类场景对传输带宽、确定性时延、安全性、可靠性要求最高,场景复杂,挑战很大。

基于OSU的M-OTN技术体系,就是基于政企用户场景的需求,被提出来的。它可以支持小带宽颗粒多业务承载,满足行业应用的小颗粒低成本传输。

城域全光网和云网融合关系密切。它不仅和数据中心有交集,更是运营商切入政企客户云业务的抓手。例如,运营商可以通过提供光宽带接入,搭配云专线业务,甚至兜售自己的云服务。

█ 发展趋势五:AI智能运维

除了架构变化之外,再想要极简网络,就只能引入先进运维技术的支持。

SDN、SDON这些就不用说了,运营商要求各厂家转发与控制解耦,将所有设备的管理和业务调度能力集中,实现统一管控。厂商肯定不愿意这么做,然后,双方就处于僵持状态。

实现集中管理后,运营商通过引入AI人工智能技术,还有大数据技术,可以实现对整个传输网络的智能运营。这就像是一个全国级的交通调度中心,而且,这个中心还是基于人工智能算法的,潜力极大。

小枣君相信,围绕“AI+SDN”,实现网络流量预测、性能劣化预测、故障根因分析和光纤态势感知,都将变得可行。通信工程师的饭碗,有可能被AI砸得稀碎。

借助AI,网络本身将具备极强的网络自愈能力。出现问题时,AI可以进行快速响应和链路调度,减少业务的中断时长,甚至让客户根本感知不到故障曾经发生过。

除了降成本之外,引入智能运维还有一个好处,就是绿色节能。

通信网络的绿色节能,不再是一句公益口号。它牵扯到运营商重要的政治任务——那就是服务于国家的“双碳”战略。从某种意义上来说,它的重要性,甚至高于省钱。

█ 结语

好啦,以上就是小枣君对光通信未来发展方向的一些思考。

光通信是一个庞大的体系,限于篇幅,还有一些技术动向我没有介绍,例如DCI、WSON、ZR等。将来有机会,我再通过专题,进行详细说明。

我还是那句老话,光传输网络是整个数字社会的基座,重要性极高,比5G高得多。光通信技术,是目前少数值得深入研究的通信领域。

希望广大有志青年能够加入到光通信的研究之中,参与建设更强大更智能的全光3.0甚至4.0,为数字智能革命夯实基础。

谢谢大家的耐心阅读,我们下期再见!

—— 全文完 ——

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作者:小枣君
原始发表时间:2022-03-08
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