骨干网光通信的最新趋势

今天这篇，小枣君和大家聊聊骨干网光通信的一些最新技术动向。

█ 400G，真的来了

大家也许都有所耳闻，从去年开始，国内运营商骨干网已经全面拉开了400G商用的帷幕。

先是2023年大量的商用验证，然后是集采的全面启动。2024年，是规模商用的正式落地。

不久前，2024年3月，中国移动开通了全球首条400G全光省际（北京-内蒙古）干线，被视为一个重要的标志事件。

骨干网升级400G的原因，是显而易见的。

一方面，居民数字生活（高清视频、远程会议、在线直播、在线游戏等）所带来的消费互联网流量增长，仍在持续。

另一方面，全行业都在推动数字化转型，来自行业数字化系统的流量激增，加剧了骨干网的压力。

骨干网压力陡增，还有一个关键的原因——AI大爆发。

AIGC大模型崛起之后，引发了一股AI浪潮。为了满足AI业务的需求，需要建设大量的智算中心。模型从千亿参数向万亿参数发展，GPU算力集群也从千卡集群走向万卡集群甚至十万卡集群。

小枣君在以前的文章中介绍过，GPU算力集群其实就是海量的GPU卡（GPU服务器）通过高性能网络（例如InfiniBand、RoCEv2）连接在一起的一个阵列。它对网络性能和可靠性的要求极高，直接影响到训练效率和成本。

仅从GPU服务器的网络端口速率来说，就已经从单口400G起步，甚至要用到800G或更高。

GPU服务器的网络端口

以前，GPU算力集群属于DCN（数据中心内部网络）的范畴。现在，随着集群规模不断扩大，已经开始考虑将分布式智算中心应用于模型训练。

也就是说，将异地的几个智算中心，一起用来进行训练。

这就对DCI（数据中心互联网络）提出了更高要求，光通信骨干网必须在技术性能上能够满足这一需求。

我们国家在算力上的战略，还是秉承了“全国统筹、整体布局”的思路。从2022年2月开始，我国启动了东数西算工程，打造全国一体化算力体系。

简单来说，一方面，我们要建设大量的数据中心（相当于电厂），另一方面，也要建设粗壮的骨干传输网络（相当于输电网），把这些算力给“流通”起来，满足各行各业的需求。

█ 400G，是如何做到的？

当前的光通信骨干网，作为整个数字社会底座的光通信网络，必须具备超大带宽（400G，将来800G甚至1.6T）、超低时延（多级时延圈）、超大规模组网（服务于分布式计算，以及刚才说的AI集群）、超高稳定性、超高可靠性、超高安全性、超灵活部署、智能运维管控等多方面特性。

今天，主要说说最重要的速率带宽。

光通信技术发展到现在，想要实现速率的提升，无非就是在以下几个方面做文章：

首先，是波特率。

传输速率，是比特率，是单位时间传送的比特个数，单位是bit/s。

比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数。

波特率是单位时间内传送的码元符号（Symbol）的个数。波特率越高，每秒传输的符号越多，当然信息量就越大，速率就上来了。

波特率由光器件的能力决定。器件芯片制程越先进，波特率越高，速率（比特率）就越高。

目前，CMOS工艺从16nm提高到7nm和5nm，波特率也逐渐从30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud、128+Gbaud。

现在的400G能够商用，就是得益于波特率能够达到128Gbaud。

再看看调制方式。

刚才那个公式，里面的“单个调制状态对应的二进制位数”，就是调制方式决定的。

400G技术的调制方案，目前主要有16QAM、16QAM-PCS（PCS是概率整形技术，下次专门介绍）和QPSK三种，适用于不同的应用场景。

光通信和无线通信不太一样，不会一味追求高阶调制。

调制阶数越低，对线路的要求越低，建网成本也越低。所以，长途骨干网早期设计阶段的时候，基本上聚焦于16QAM和QPSK。后来有了16QAM-PCS，也加入了竞争。

以前没提“东数西算”、运营商们都认为400G不会需要太长距离的传输，所以，采用技术更成熟、价格更低的低波特率器件，配合调制阶数较高的16QAM，是行业的主流意见。

后来，一方面因为传输距离的要求增加，从1000多km变成几千km，再一个，128GBaud波特率器件迅速成熟（在DCN场景，800G迅速崛起，对产业链产生刺激和推动），为QPSK脱颖而出创造了条件。

QPSK对非线性的耐受能力更高，相比16QAM-PCS可以适当提高入纤功率。其次，QPSK的背靠背OSNR门限相比16QAM-PCS有优化。再有，设置QPSK的通道间隔为150GHz，使得在传输过程中几乎没有滤波代价。

这些优势，都使得QPSK逐渐成为行业在骨干网和DCI的一致首选。

三种方案的大概对比

现在，前两种方案，被考虑的应用场景更多是城域或省干。

第三，是扩展波段。

波特率和调制主要影响的是单波速率。一根光纤，是可以有多个波的，只要频谱范围足够大，就可以了。

单波带宽×单纤波数=单纤带宽。

前面表格写了，QPSK 400G的通道间隔达到150GHz。传统的C波段和扩展C波段都不足以满足频谱带宽的需求。

于是，现在逐渐采用了C6T+L6T的方式，一共是12THz的频谱带宽。计算一下，80个波，单波400G，一起就是单纤32T容量。如果牺牲一点距离，用在省干的话，部署QPSK或16QAM-PCS，容量还能再大些，达到48T。

关于波段的详细介绍，可以看这里：光通信到底有哪些波段？

扩展波段的最大问题，在于器件是否能够支持，且成本是否可控。这里所说的器件，包括ITLA、CDM、ICR、EDFA及WSS等，涉及到光的收发和光路交换、放大等。

波段扩展的话，还涉及到一个问题，那就是整合。

现在的波段扩展，其实更像是两套系统（C和L）的简单绑定。两套系统独立运作，通过合波的方式，进行传输，然后到了对端，再进行分波，各自继续处理。

两套系统的话，体积会更大，功耗会更高，设计也更复杂。所以，行业需要研究，怎么进行器件整合，真正让一套系统，同时支持不同的扩展波段。也就是实现真正的一体化。

光纤通信，除了光模块和光设备，还需要关注光纤。

现在的主流光纤是G.652D光纤。400G QPSK，在G.652D上，借助EDFA放大，也能传输1500km。

行业经过多年的验证，已经认定，G.654E光纤是新的继任者。如果用性能更好的G.654E，同等条件下，400G QPSK的传输距离，可以增加30%以上。

G.654E光纤已经具备规模化生产的能力，将在长途干线上进行大规模部署。G.654系列的一些低损耗光纤，也成为海缆系统跨洋超长距离传输的首选。

除了传统光纤之外。行业还认为，多芯光纤和空心光纤拥有广阔的应用前景。

多芯光纤是一种空分复用，在一个光纤里，塞入更多的纤芯，采用少模，可以大幅提升光纤的容量。

空心光纤就更牛逼了，直接把光纤做成空心，用空气取代玻璃纤芯。

空心光纤被证明可以带来更大的容量、更低的时延，更小的传输损耗，以及超低非线性，被行业一致认为是光通信里最具潜力的技术之一。

█ 400G的下一步，800G or 1.6T？

400G正式规模商用之后，整个行业的目光将会放在400G以上（beyond 400G）的技术标准体系上。

对于接下来是搞800G、1.2T还是1.6T，行业还在加紧论证。

如果想要实现更高的速率，就必须在“调制方式+波特率”上继续做文章。130GBd，或者更高的260GBd，是必然方向。更高波特率，意味着相关器件必须跟上，形成成熟的产业链。

超过400G，不能再指望QPSK了。16QAM调制，是行业目前普遍认可的选项。

波段也需要进一步扩展。在扩展C和L的基础上，考虑往S波段、U波段、E波段等进行扩展。如果是C+L+S，那就是12T+5T，达到17THz的频宽。

多方面因素相叠加，单根光纤单个方向传输速率超过100Tbps，指日可待。

在数据中心内部，800G（基于100GBd以上波特率，单通道100G）已经商用了。单通道200G、400G、800G，只是时间有早有晚。在这方面，国外的进度更快一些。

随着容量的不断提升，带来的技术挑战也不断增加。光通信的发展，说白了，依赖于器件、芯片、制程、材料。

想要满足前面提到的功耗、安全、运维等方面的要求，还依赖于工艺、架构、封装、人工智能、数字孪生等一系列的创新。产业链上下游需要做的工作，还有很多。未来的路，还很长。

█ 最后的话

光通信是整个社会的数字动脉。这些年，人们对很多技术（包括5G）都提出过质疑，但没有人会对光通信提出质疑，因为它是社会发展的刚需。

人类数据流量不断增加的趋势，在未来几十年都是不会变的。人工智能技术的高速崛起，会将这个趋势进一步放大。

光通信目前的发展，是无法满足需求的。这意味着，企业会有更大的动力，投入资源进行研发，以获得利润。

希望光通信产业能进一步爆发，为数智社会发展铺平道路。

参考文献：

1、《AI时代高速光传输关键技术、应用进展及未来展望》，信通院技术与标准研究所，张海懿；

2、《算力网络开启400G全光新时代》，中国移动研究院，段晓东；

3、《AI时代的400G全光算力互联网》，中国联通研究院，唐雄燕。

一文全面回顾2019年光通信行业大事记

刚刚过去的2019年，行业“青黄不接”，FTTx和4G铺设接近尾声，5G刚刚上路。对于连续多年享受行业增长荣光的光通信厂商来说，这一年过得颇为苦涩。不过，5G正在开启下一个黄金十年，将带动海量的光通信产品需求，光通信厂商们当有更多期待。

这里简单回顾下2019年光通信行业的大事记

中国移动1.05亿芯公里普缆集采 时间先追述到2018年下半年，本在预期内的二期集采并未进行，给光纤光缆厂家蒙上了一层阴影，从各大光纤上市公司的财报上看2018年下半年的增速开始放缓。

所以2019农历新年后，中国移动放出1.05亿芯公里的大单，在当时给光纤光缆产业链注入了强心剂。不过，一个月后的集采结果却令人震惊，光纤价格直接从60多元/芯公里，降至30多元/芯公里，厂商利润断崖式下降，有产业链人士直呼：“我司拿到了订单，但心里在滴血。”

这一集采市场环境可以说贯穿了一整年，随后的中国电信室外光缆和引入光缆的光纤单价直接限价30元/芯公里。

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中国联通G.654.E干线光缆集采

5月，中国联通启动G.654.E干线光缆的集采，这也是业内首次进行该类型光缆的集采，颇受关注。我国最早一批“八横八纵”干线光缆建成于20世纪末，至今已有20余年，无论是光纤容量还是使用寿命均已开始进入更新替换的升级周期。

这给了当时低迷的光纤市场一定的信心，因为G.654.E光纤属于技术含量较高的产品，在普通光缆上流失的利润有望通过技术创新弥补过来。但是最终的集采价格大家都知道，联通以62元/芯公里的限价劝退所有厂商。虽然在年底，中国联通重启了该集采项目，但是最终的集采中标价格，消息人士也指出，厂家在盈利和亏损的边缘。

不过，需要指出的是，干线光缆的需求是真实存在的，2019年中国电信也进行了小规模的集采，相信2020年会有规模集采，形成规模后光纤厂商的成本也更容易控制，利润空间也会更大。

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5G光模块

2019年，5G是绝对的主角，光模块作为整个信息通信网络中的心脏，5G基站部署需要光纤互联，将会带来大量的前传、中回传光模块需求。此前有业内人士估计，保守计算需要前传25G光模块3600万只，乐观估算需要前传25G光模块9600万只。除了传统的光模块企业继续在5G发力之外，光设备、光纤光缆厂商也在积极布局。

与此同时，为了降低总体建网成本，三大运营商也在积极推进相关5G光模块的单独集采。

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华为事件，美供应商很受伤

5月16日，美国商务部将华为纳入所谓的“实体名单”。对于此，华为创始人任正非在接受媒体时表示：“我们已经不需要美国就能自己解决供应问题，美国继续保留实体清单，我们也能生存得很好。美国实体清单伤害的是美国公司，而不是我们，美国政府爱撤销就撤销，不爱撤销就不撤销。”

在华为被纳入“实体清单”时候，新飞通股价应声下跌，业界盛传可能会被收购，但随后经过澄清新飞通供应华为的大部分产品不在美商务部限制范围内；MACOM裁员并停止数通光模块和子系统研发；与此同时多家美国上市公司不断下调收入预期。

与此同时，华为正在积极投资光芯片，包括在英国建立光芯片研发机构，投资18亿扩建武汉海思光工厂等等。正如任正非所说“我们认为，实体清单取消是不大可能的，华为做好了长期不取消的准备。”

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II-VI并购Finisar，中国政府放行与否引热议

2018年11月，无源光器件带头大哥II-VI以32亿美元价格，蛇吞象并购有源光器件长期以来的领头羊Finisar，但是最终能否完成交易需要经过多个国家的反垄断审查。

由于这两家企业在中国拥有广泛的业务，各项内容均在《中华人民共和国反垄断法》的规定之内，因而该笔交易需要接受中国的反垄断审查。在此过程中，中国监管机构推迟了一次该笔交易的审批，最终在9月份中国有条件放行，该笔交易也最终落地。相关新闻 中国放行，II-VI收购Finisar将于9月24日完成

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华为与亨通战略合作，成为亨通第二大股东

今年6月初，亨通光电发布公告称，正在筹划通过发行股份及支付现金的方式，购买华为技术投资有限公司持有的华为海洋网络（香港）有限公司51%股权。经历了5个月左右的商务谈判之后，10月底亨通光电发布公告显示，公司与华为技术投资有限公司签订了《发行股份及支付现金购买资产协议》，交易落地。

交易完成后，亨通光电在原有海缆研发制造、海底通信网络运营、海洋电力工程施工的基础上，将新增全球海缆通信网络的建设业务，进一步完善海洋产业布局，打通上下游产业链，进一步推动其在海洋产业领域从“产品供应商”向“全价值链集成服务商”转型。

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硅光子发力

2019年，光通信行业一次比较大的并购是思科宣布以26亿美元收购硅光子企业Acacia，这已经不是思科第一次并购硅光子企业。远到2012年，思科以2.71亿美元并购Lightwire，近到2018年12月，思科以6.6亿美元收购Luxtera。

硅光子技术自提出以来，以其低功耗、高速率、结构紧凑等突出优势，被认为将解决信息网络所面临的功耗、速率、体积等方面的瓶颈。近年来，除了传统光芯片、光器件厂商都在布局，设备商包括思科、Juniper、华为、Ciena等厂商也在入局。据Ovum预测，到2024年，硅光模块整体市场占比将达到40%。

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5G承载首单落下

“5G商用，承载先行”，12月26日，中国移动正式启动SPN设备的集采。5G规模建设将在2020年正式开启，5G承载网建设，前传、中回传一方面将产生大量光模块的需求，同时对光纤光缆也将产生一定的需求。本次集采，可以说是为通信行业转折之年画上句号，也开启了通信业下一个黄金十年的发展阶段。

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