面向5G大容量业务的超高速传输标准及技术探讨

孟凡，王超，李云静，翟浩田

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050000）

1 引言

第五代移动通信（5G）作为未来网络发展的新进程，对现今的传输技术提出了重大挑战。从5G网络拟定的业务场景来看，主要为用户提供高清视频、虚拟现实、云桌面、物联网等极致体验，在大带宽、高容量、低时延和灵活性等方面具有苛刻要求[1-3]。而光传送网作为未来5G的承载网络具有诸多优势[4，5]：在带宽方面，采用多载波、高阶调制、波分复用等技术可提供超100 Gbit/s速率传输；在容量方面，得益于光纤固有超宽带特性，结合空分复用、频段扩展等技术，可实现大容量通信；在时延方面，OTN网络本身时延很低，而且可在光层实现一跳直达，具有更低时延优势；在灵活性方面，光传送网引入ODUFlex、G.HAO和GMP等技术，结合ROADM、灵活栅格、可变收发和电交叉等特性，具有资源灵活调度能力。随着5G各种关键技术和业务需求的发展，如何有效改善和提升光传送网传输能力是当前通信网络及传输技术要寻找的突破点。

2 5G网络对未来传送网提出的需求估算

根据国际各5G标准化组织研究情况，5G愿景、关键能力需求及频谱规划已经完成，之后将启动5G标准化工作，并在2020年后开始5G商用。为实现大连接、广覆盖、高移动性及热点分流等接入特点，5G无线网络将普遍采用高低频混和组网模式，即低频独立组网、高频非独立组网。对未来超高速传送网的带宽需求进行估算，建立模型如下：对于工作在3.4-3.5 GHz频谱范围的低频基站，当采用3个小区和64发64收配置时，5G网络频谱效率达到峰值50 bit/s/Hz和均值10 bit/s/Hz；对于工作在28 GHz频点范围的高频基站，当采用3个小区和2发2收配置时，5G网络频谱效率达到峰值25 bit/s/Hz和均值4 bit/s/Hz。传送网以三层环形结构为例：

在接入层中，假设一个接入环接入8个基站，按照7个基站平均带宽加1个基站峰值带宽的规划，5G低频基站接入环流量为26 Gbit/s，同时共存的4G基站接入环流量为1.95 Gbit/s。接入设备上行需提供2个50 GE或2个100 GE接口，下行容量提供多个10 GE接入环接入。

在汇聚层中，按照一个汇聚环有4个汇聚设备和4：2：1的收敛比计算，汇聚环上的流量为167.7 Gbit/s；按照一对汇聚设备汇聚6个接入环计算，下行需要6个50GE或6个100 GE接口。汇聚设备上行需要提供2个200 GE或2个400 GE接口，下行提供6个50 GE或6个100 GE接口。

在核心层中，按照一对核心设备接入250个接入环计算，核心环上流量为874 Gbit/s，下行需要250个200 GE或250个400 GE接口。核心设备上行需要提供2个400 GE接口，下行提供250个200 GE或250个400 GE接口。

由此可见，随着5G时代新型技术的采用、各类基站的部署以及宽带业务的发展，势必对传送网提出了大容量和超高速的承载需求，也是接下来重点探讨的问题。

3 应对5G未来发展的超高速传输技术展望

目前商用的100 G传输系统中主要采用相干接收的单载波极化复用和QPSK调制技术，其频谱传输效率为4 bit/s/Hz，通过软、硬判决提高OSNR容限优化信号传输距离。对超高速传输技术的研究来源于飞速发展的业务（特别是进入5G时代）对传输容量、带宽、时延以及可靠性等方面提出的诉求。随着运营商带宽投资收益的下滑，有必要从线路速率、传输容量、智能管控、芯片处理和网络安全等5个方面进行深入探讨，达到高效益、低成本运营的目的。

3.1 提高线路传输速率技术

（1）采用多载波技术，提高系统传输容量。在超高速传输系统中，通过引入超通道载波聚合可实现更高传输容量的系统。当前主流的400 Gbit/s传输系统主要有3种实现方式：四载波的100 Gbit/s链路聚合、双载波的200 Gbit/s链路聚合和单载波的400 Gbit/s链路。其中四载波的100 Gbit/s PDM-QPSK方式技术成熟、成本低且跨距长（1 200～1 500 km），但相对于100 Gbit/s传输系统并无明显的实质提升。双载波(PDM-16 AQM)方式可以提升频谱传输效率165%以上，且技术比较成熟、传输距离较远。单载波400 Gbit/s方式频谱效率最高，其技术实现难度大、传输距离受限、成本高，是超100 Gbit/s系统研究持续努力实现的方向。

（2）采用高阶调制方式，提升每符号比特数。在单载波调制方面，采用高阶在一定的频谱带宽上能够实现更高的传输效率。相对于QPSK，16 QAM调制的每符号比特数提升一倍，从而提升传输效率和容量。在超100 Gbit/s传输领域，高阶调制格式的运用是业界普遍采用的重要手段，同时高阶调制方式的采用，也对接收侧OSNR有更高的要求，限制了传输距离。目前，主流设备厂商在16 QAM、32 QAM、64 QAM乃至256 QAM等调制格式上不断创新实践，积累了诸多经验和成果，如基于QPSK的400 Gbit/s传输系统，传输距离可达3 000 km以上，适用于远距离传输；而在16 QAM调制方式下，400 Gbit/s系统传输距离超过1 200 km，仅作为城域网超高速传输系统。

（3）采用更高信号波特率，实现高速信号传输。通过提升单信号的波特率，能实现整体传输速率的提升：在四载波的100 G链路聚合中，通过将单信号波特率从28/32 GBaud提升至56/64 GBaud，双载波就可以实现400Gbit/s传输；通过将单信号波特率提升至128 GBaud，即可直接实现400 Gbit/s传输。在近期400 Gbit/s超高速传输测试中，通过使用超低损耗、超大有效面积的新型光纤，成功将128.8 GBaud的400 Gbit/s波分复用QPSK信号传输超过10 130 km，实现超长距离通信。

（4）采用灵活栅格技术，提高频谱使用效率。该技术使用频域方法替代时域方法来为波长路由光传送网提供高效率和灵活性，根据每条光路的要求动态调整参数，有效承载多种数据速率、弹性分配频谱资源；同时，通过软件定义方式实现网络硬件资源（如中心频率、调制格式）的可编程控制，可以克服波分复用技术面临的波长资源利用率低、光通道灵活性不足和传输自适应能力较差等难题。在灵活栅格网络中，载波的放置有两种方案：微栅格和无栅格。研究证明[6]，灵活栅格光网络对频谱利用率提升达5%～95%，具体数值需要考虑具体的网络拓扑和业务模型。表1所示为不同调制方式、载波方式、波特率和波道间隔情况下，超高速（400 Gbit/s、1 Tbit/s）传输系统典型参数对照表。

表1 超高速传输系统典型参数表

3.2 提升系统传输容量技术

3.2.1 空分复用（SDM）技术

随着单模光纤传输容量成功突破香农极限，SDM技术作为有效方案成为研究热点：通过在空间范围内同时传输多路信号，在有效抑制非线性效应的同时可将传输系统容量成倍提高，具有多芯光纤、多模光纤（MMF）、空间光学器件模式复用等多种实现方式。多芯光纤采用在大直径包层中对称分布几根纤芯作为多条独立传输通道，同时避免通道间干扰和能量泄露；而MMF通过激发光纤中多个高阶模式（不同电磁场分布），将不同信号通过不同模式进行承载，各高阶模式可独立传输且不会发生干涉和耦合效应，如多芯光纤结构模式复用器、模式组结构模式复用器、双芯光纤结构模式复用器、光圈探针采样结构模式复用器等。在光学器件方面，可以使用模式选择复用器或滤波器在多模介质（如光纤或光学波导）中独立激发出不同高阶模式，形成相互独立的传输通道，如相位波片结构模式复用器、空间光调制（SLM）结构模式复用器等。SDM的多种方案在科研领域已成熟实现，但目前最实用的是多芯光纤。贝尔实验室通过激发MMF中8路信号（每路信号采用40 Gbit/s QPSK调制）的6个空间模式和2个偏振模式实现了近4 Tbit/s的传输容量。当然，受限于光放大器、耦合器和信号串扰等技术难题，SDM技术仍需进一步发展[7]。

3.2.2 频谱扩展技术

在普遍使用的密集波分复用系统（DWDM）中，主要利用光纤的C波段（1 528～1 565 nm）作为工作波长，若波长间隔为0.4 nm，约容纳80波光信号。考虑到现有波长资源大量占用和各通道间串扰问题，若进一步提升系统的传输容量，可扩展通带范围（即L波段：1 570～1 620 nm），使用C+L波段共同完成信号的传输。虽然频谱扩展技术能将传输容量翻倍，由于两个波段波长差别较大，系统中各部分器件（如激光光源、光放大器、复用/解复用器以及调制/探测器等）的工作带宽都要做出相应扩展，对器件材料、工作机制和处理技术等提出很大挑战。通过在大容量新型DWDM传输系统中使用多级间插复用方式、C/L波段分离式放大器、拉曼光纤放大器和自动预加重技术等，可实现176波光信号1.76 Tbit/s的传输速率。

3.3 软件定义光网络技术

为了适应高带宽和差异性业务的发展，光传送网需要向灵活、开放和智能化方向发展。光传送网络的智能化先后经历了自动交换光网络（ASON）、基于路径计算单元（PCE）的光网络和软件定义光网络（SDON）等3条技术路线，实现了由分布控制向集中控制的演变。在超高速光传送网时代，SDON（如图1所示）可以为各种光层资源提供统一的调度和控制能力，根据用户或运营商需求利用软件编程方式进行动态定制，同时支持逻辑上集中控制、管理以及全局网络资源动态调整与优化，实现对整个网络资源的充分利用。5G时代，RAN控制域、承载网控制域和核心网控制域三域协同实现端到端的网络控制、网络协调、业务部署，从而实现任意拓扑、任意业务、任意服务质量要求、任意转发要求、任意故障的网络保护倒换等，为打造开放网络平台和实现三域协同，SDON的部署势在必行。目前来看，SDON在异构网络的统一控制、网络资源的虚拟化提供和面向数据中心的高度互联等方面具有广阔应用前景。

图1 SDON网络层次架构图

从事SDN相关协议和技术研究的标准化组织主要有IETF/IRTF、ONF和ITU-T，标准化工作仍处于起步阶段，部分协议（东西向接口和部分南向接口）还未成熟。随着波分复用技术的迅速发展以及自适应收发器、ROADM、快速光开关和可调谐激光器等光器件的成熟，传送网已具备提供高带宽承载能力。如何有效协调各层面功能（如控制器设计等）、同时精确调度网络资源（软件驱动的光路传输调节、软件编程的光路灵活交换和软件扩展的光路自动联网等关键技术）有待完善。

3.4 光网络模块的新型应用

高速发展的光网络需满足高速率、大容量和低时延的应用诉求，不仅要依靠光纤链路传输技术的发展，也需要高性能的集成模块作为支撑。目前来看，通信系统中激光器、光放大器、调制器和光电探测器等模块主要基于硅、锗和部分III-V族化合物等半导体材料，能够较好地满足高速率信号处理问题。2004年，新型的二维层状材料——石墨烯（如图2（a）所示）浮出水面，随着近年来研究的深入展现出优异的光电特性。随着超高速传输系统的部署，相信未来基于石墨烯的光模块具有巨大应用潜力，主要有以下特性：（1）很强的光场与石墨烯相互作用——与具有量子限制斯托克效应（QCSE）的半导体材料相比，石墨烯具有很强的能带间光子跃迁，可制成高灵敏度的光电探测器（如基于石墨烯FET的探测器具有高达500GHz的本征带宽，石墨烯能带工程实现8.61A/W的光响应度）； (2）超宽带工作带宽——由于狄拉克费米子的高频动态电导率为常数，光吸收性质与光波长无关，工作带宽覆盖了可见光到远红外波段； （3）超高速的光子吸收过程——石墨烯的载流子迁移速率在室温下就已超过200 000cm2V-1S-1（已知材料中最高的），通过能带填充效应，费米能级和光吸收过程被高速调制，可制成高速低耗的光调制器（如相位调制的3 dB带宽高达119.5 GHz，而功耗仅为0.452 pJ/bit）； （4）与CMOS过程高度兼容（如图2（b）所示）。高速率、大带宽和低能耗是集成光模块的发展方向，基于石墨烯的潜在特性，将在未来光通信、光互联以及高性能计算等领域产生积极影响。

3.5 光网络安全保障技术

图2 (a) 二维石墨烯材料原子结构示意图

信息的爆炸式增长和光网络的大规模升级部署使网络安全面临严峻形势；同时，随着高性能量子计算破解密钥、光纤传输网络非法窃听等非法手段的出现，具有经典信息学无法比拟特性的量子通信得以应用（如图3（a）所示）。其中，量子密钥分发（QKD）技术可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式实现点对点方式的安全通信（如图3（b）所示）。该技术在诱骗态提出后得以实质性发展，能够解决经典密码学中密钥扩展的重要问题。由于光网络使用的光纤信道可作为理想的量子态传输信道，使得QKD系统很快从理论阶段发展到足够实用化阶段，如基于诱骗态方案和COW等协议的QKD系统安全距离已经达到城域网范围（200多公里）。理想QKD系统的安全性已得到物理学的充分证实，但如何验证具体系统的安全性是一个重要的问题。近些年，国内外很多研究集中在针对实际系统中不完善之处的攻击和防御方案。设备无关的QKD方案是一种理论上分析安全性的方案，如果结合高效超低噪声单光子探测器和新型超低损耗光纤，在安全传输距离上可实现一定突破。加之类似可从理论层面保证实际系统的安全性方案，将显著提高实际网络的安全性。

4 结束语

图3（a）经典通信与量子通信示意图

5G网络标准化工作和技术研究的推进使得各种大容量、高带宽业务不断发展创新，同时对光传送网的传输能力带来严峻挑战。为改善现状并满足各种业务的承载需求，光传送网要全面跟进升级和改造：业界在加速提高线路传输速率和节点处理速度的同时，更要加强网络智能化和安全性建设，为5G网络未来快速演进提供高速、智能和稳固的基础承载技术保障。

[1] 翟冠楠, 李昭勇. 5G无线通信技术概念及相关应用[J]. 电信网技术, 2013(9):1-6.

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[5] 赵鑫, 赵文玉，汤瑞，等. 面向5G的光传送网需求及挑战[J].电信网技术, 2016(7):33-36.

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[7] 高松, 刘艳，陈润秋，等. 用于空分复用的模式复用技术研究[J]. 激光与红外, 2014(44):424-428.