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光模块标准进展及发展趋势:线路侧

摘要:本文介绍线路测光模块相关的标准进展及光模块相关技术的发展趋势。

  本文转载自微信公众号“光通信充电宝”,作者冯振华博士,讯石经允许略作删改。

  本篇为光模块相关的标准进展及光模块相关技术的发展趋势第二篇,即光模块标准进展及发展趋势:线路侧(第一篇:光模块标准进展及发展趋势:客户侧)。

  具体讲线路侧光模块的标准之前,先理清一下何为线路侧,何为客户侧光模块,什么是灰光,什么是彩光。

  一、线路侧和客户侧如何区分?

  OTN,也就是我们常说的光传送网,它包括长途干线和城域网。通常把这两部分称为光传输网,而再往下的就是边缘接入网了,也就更靠近用户了。于是也就大体上能明白哪是客户侧了,通俗来讲,用于将信号汇聚到主干光纤传输网链路的设备就是线路侧设备了,对应的光模块就叫线路侧光模块,而反之如果是传输网对外接口,用来连接到用户的设备上的话就属于客户侧了。其实我也一直没有弄清楚这两者的准确定义,大致就是这个意思吧。

图1. OTN的拓扑结构示意图

  更稍微具体一点,如下图,交换机连接的上层和下层,低速口通常对应的是接到客户侧设备上,而汇聚层的高速接口是连接到线路侧设备上。信号在网路中传输/路由/交换的道理其实就跟我们网购快递送货的物流过程类似,先打包送到一个个物流中转站,然后装货车,然后再送到省市的物流枢纽,然后再飞机、火车这样的更大容量的封装然后到了用户这边,进行相反的操作,根据目的地进行有选择性的再次分装,快递员用小车送达。这个过程跟下图其实也没有太本质的区别,甚至路由算法也可以用于物流规划中,说白了程序员也是通用的。

图2. 以路由器为界的线路侧和客户侧的

  基于上面图示,也很容易理解线路侧和客户侧光模块的特点了。线路侧是面向长途骨干,要求容量大、性能好,相干、波分、放大、高阶调制这些高端的最好全都拿来用上,贵点不要紧,这银子有广大纳税人来分担的;而客户侧可能要直面你的用户,他们要热插拔、低功耗、高密度,还要便宜,替用户想一想,你也觉得卖贵了不行,市场量大丢不起。

  说到这里又很容易走入一个误区,相干光模块一定就是线路侧的,客户侧一定是直调直检光模块。其实也不是的,以前没有相干的时候,线路侧一样要走直调直检。现在相干成熟了,如果价格进一步下降的话,相干或许也可能用到客户侧的。但有一个论断可能更准确一点,线路侧是一定要支持波分WDM的,因为线路侧要上的是干线,光纤资源比较稀缺。

  二、彩光和灰光模块是什么?

  说到上面的波分,这里阐明一个概念。彩光和灰光模块到底啥区别。简单来说,彩光就是用在WDM侧的光模块,它是有确定的中心波长和范围的,即colored,而普通的光模块是没有明确的中心波长,在一个范围内波动,这种叫黑白光或灰光,即grey。当然,在WDM PON中还有一种说法叫colorless,无色,那个的意思是说对波长不敏感,通常是由注入锁定,或反射重调制实现波长透明或可调谐激光器实现波长管理。一般来说,彩光模块是用在线路侧的,而灰光模块用在客户侧,与之对应的最典型的应用场景如下图所示。

图3. 灰光模块及彩光模块典型应用场景。

  上述的彩光模块和灰光模块也是要遵循一定的标准规范的。如彩光的DWDM模块遵循ITU-T G.694.1,而CWDM遵循 ITU-T G694.2相应的规范。灰光模块相关的标准则包括ITU-T G.957,ITU-T G.959.1,IEEE 802.3等。

  三、线路侧光模块标准进展

  在线路侧光模块方面,OIF从2008年开始讨论5x7寸,用于长途传输的数字相干光模块相关的标准,随后又启动了4x5寸,用于城域的相干光模块,如CFP-DCO及CFP2-ACO光模块相关的讨论。

  讨论的结果都发布了相应的实现协议(Implementation agreements,IA),例如OIF-FD-100G-DWDM-01.0-100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document和OIF-FEC-100G-01.0 – 100G Forward Error Correction White Paper。

  而对于400G,OIF也早在2013年就启动研究并发布了下一代光互连白皮书及400G技术选择,不过当时热门的方案是双载波16QAM实现400G,至今也没有被业界广泛采纳。

  随着DCI兴起之后,业内广泛讨论的就是OIF的400ZR interp标准了,该标准最近也发布了OIF-400ZR-01.0 – Implementation Agreement 400ZR的实施规范。看得出随着技术的进步,成本的下降,业界还是更期待单波更高速率的产品,多波组合的超信道似乎只是概念上的摆设,没有flexgrid,superchannel好像也提高不了多少频谱效率,实现起来也不如高阶调制结合概率整形(Probability Constellation Shaping,PCS)来得灵活。

  当然最近OIF还发起了一些新的研究项目,比如IC-TROSA,HB-CDM。分别研究集成的收发模拟芯片和高带宽96G波特的相干驱动调制器组件,用于400G以上速率的600G/800G光模块。相干光模块对应技术和形态的演进如下图所示。

  虽然,可插拔光模块最先是应用在数据中心互连等客户侧,但业界还是希望在线路侧也能延续这种紧凑的封装,如QSFP-DD,OSFP,COBO。在相干光模块的管理接口方面,OIF最近也发布了OIF-C-CMIS-01.0 – Implementation Agreement for Coherent CMIS协议。

图4. 数字相干光模块演进

  Open ROADM致力于建立和发布光网络架构的开放标准,例如ROADM(可重构光分插复用器)、转发器和在线放大器。

  传统上,这些架构是每家供应商构建的专用系统。但是,它们彼此缺乏兼容和互操作,无法在单个平台上进行控制,而Open ROADM将允许在不同供应商设备中进行端到端的光连接管理。Open ROADM目前有至少15家成员单位,包括主要的电信供应商以及AT&T和Orange SA等tier 1电信运营商。

  组织的目标是对传统的封闭式光学系统进行分解与开放,并努力推动SDN化的发展,实现光学层的灵活性和软件控制。根据现有资料可以看出,400G ZR是针对数据中心互连的,而OpenROADM则是用于运营商的。

  更进一步,相干光模块和硅光集成技术领导者Acacia还主导了一个Open ZR+的产业联盟。在我看来,Open ZR+联盟主要是想用一个模块同时支持DCI和运营商的应用,否则ZR的市场可能太小了,如下图所示,OpenZR+正是结合了OpenROADM和400ZR两个业内规范,实现二合一的版本,即支持高性能的可插拔DCI互连,又能实现更好的多厂商互通。

图5. OpenZR+是OpenROADM和400ZR的二合一版本

  其实要实现这两个标准的二合一,从线路侧相干技术本身来讲可能并不是太难。因为OpenROADM和OIF 400ZR在技术上,最大的区别就在于DSP芯片中的FEC算法,OpenROADM采用Acacia主推的OFEC,而OIF 400ZR则采纳Inphi主推的CFEC,两种FEC的主体可能都是基于TPC编码。

  所以,要支持OpenZR+其实就是DSP上至少要做CFEC和OFEC两种FEC方案,这对于大多数光模块厂商只是涉及到芯片选型的问题,并不涉及DSP开发相关的,因为这个门槛比较高,全世界也就5~6家能做(DSP)。在性能上,这三者之间的区别可概括为下表所示。

  在涉及到OTN的物理和逻辑接口,成帧和映射技术方面,ITU-T对100G的标准速率做了规范。

  国内方面,中国通信标准化协会CCSA于2018年送审了“Nx400G光波分复用WDM系统技术要求”的行业标准,对不同400G技术的性能和测试方法进行了规范。当然还有已经发布的100G/400G相干光模块标准,如“100Gbit/s双偏振正交相移键控(DP-QPSK)光收发模块”,“400Gbit/s相位调制光收发合一模块:第1部分:2×200Gbit/s”。最近也启动了“集成相干光收发组件”的标准化研究项目。

  四、标准化发展趋势

  总的来看,IEEE标准主要制定客户侧的接口规范;ITU-T主导OTUCn帧,灵活栅格相关的规范;OIF则强调线路侧调制解调技术,更偏向于光模块实现;国内的CCSA更重视性能要求和测试方法。

  技术标准化是把双刃剑。技术积累深厚的公司可以主导标准,从而牢牢占据产业链的顶端,甚至通过专利预埋、构建技术断裂点,给后来者挖坑,给竞争者设定一定的技术门槛。有些有实力的公司甚至还可以对自己的专利技术进行授权,发展合作伙伴,或相互抱团,在标准化支持上做一些利益交换,这就跟互联网互粉点赞一样的道理,这样可以进一步强化领导者的地位。技术实力相对较弱的公司,通过标准化公开的技术更便于进行技术跟随和快速产品开发。对于行业用户如运营商、互联网公司,他们在标准化体系下,也得益于接口、功能、性能的规范化、统一化,使用和管理、运维都能得到极大的简化。对于其它产业链上的公司,如光器件、光芯片、电芯片等供应商们,在标准的牵引下,避免同一代产品的技术实现上的分化,产业更聚集,比如100G相干的成功,相比于40G,更多可以归结于技术的统一。

  标准化不太好的一面,就是过于依赖行业领导者的牵引,最终有可能导致产业整体偏离市场实际需求和产业链平均实力,如早在四五前年制定的TWDM-PON标准,至今都基本无人问津。另外,虽然技术走向标准化,但并不意味着对照标准去做实现,做产品就没有门槛。大部分的标准其实并没有把核心的技术公开出来,比如光模块中的DSP芯片的核心算法。特别是线路侧模块,相比于客户侧模块,它的整体技术难度还是要大很多。目前来看,所谓的多厂商互通其实最多也只能做成是少数几家关键DSP芯片厂家之间的互通,剩下的光模块公司靠买这些芯片来最终实现模块级、设备级的互通。

  当前,光通信的发展趋势是光通信+互联网了,随着数据中心互连DCI等市场的涉足,客户对光通信系统的要求变得更简单、更开放,目标就是把门槛尽量降低,吸引更多的竞争者,提供更多样化的技术产品和更高的性价比。随之而来的是,电信运营商会针对光网络的开源解耦提出更高的要求。但传统的电信设备商似乎并不愿意让设备、模块变得更开放,多半会引入更多的竞争对手,增加隐形成本。随着互联网思维的深度渗透,开放解耦,多供应商共存一定会成为这个行业的潮流,前面也提到光网络架构跟互联网物流模式有几分相似。随着开放思想的深入,光纤通信系统和设备一定会受到较大的冲击。当前ADVA、Infinera、Fujistu这些开放线路系统架构的先驱们已经在国外取得了不错的市场反响,国内方面用不了多久一定会跟上。

  最后,再回到线路侧光模块上面,个人认为相比于客户侧模块,COBO或CPO这样的板上多芯片或共封装技术有可能率先在线路侧应用中找到市场。因为线路侧对可插拔的要求本来就没有那么刚性,另外COBO和CPO模块的故障维修的维护对客户侧可能太麻烦,不如可插拔替换那么简单直接。线路侧的单板和模块一起本来就是设备商私有的,把COBO或CPO模块直接放在板上也比较直接,设备商也擅长这个。只是到那时,如果标准也是别人制定的话,除了读读标准看看接口之外,设备商其实也没啥事情做了。

  所以“关键技术,国之重器必须立足于自身”这句话说的关键技术到底指的是哪些技术呢?

内容来自:光通信充电宝
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关键字: 线路侧
文章标题:光模块标准进展及发展趋势:线路侧
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