孟凡，王超，李云靜，翟浩田

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，石家莊 050000）

1 引言

第五代移動通信（5G）作為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新進(jìn)程，對現(xiàn)今的傳輸技術(shù)提出了重大挑戰(zhàn)。從5G網(wǎng)絡(luò)擬定的業(yè)務(wù)場景來看，主要為用戶提供高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、云桌面、物聯(lián)網(wǎng)等極致體驗(yàn)，在大帶寬、高容量、低時(shí)延和靈活性等方面具有苛刻要求[1-3]。而光傳送網(wǎng)作為未來5G的承載網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)勢[4，5]：在帶寬方面，采用多載波、高階調(diào)制、波分復(fù)用等技術(shù)可提供超100 Gbit/s速率傳輸；在容量方面，得益于光纖固有超寬帶特性，結(jié)合空分復(fù)用、頻段擴(kuò)展等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大容量通信；在時(shí)延方面，OTN網(wǎng)絡(luò)本身時(shí)延很低，而且可在光層實(shí)現(xiàn)一跳直達(dá)，具有更低時(shí)延優(yōu)勢；在靈活性方面，光傳送網(wǎng)引入ODUFlex、G.HAO和GMP等技術(shù)，結(jié)合ROADM、靈活柵格、可變收發(fā)和電交叉等特性，具有資源靈活調(diào)度能力。隨著5G各種關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，如何有效改善和提升光傳送網(wǎng)傳輸能力是當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)及傳輸技術(shù)要尋找的突破點(diǎn)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)對未來傳送網(wǎng)提出的需求估算

根據(jù)國際各5G標(biāo)準(zhǔn)化組織研究情況，5G愿景、關(guān)鍵能力需求及頻譜規(guī)劃已經(jīng)完成，之后將啟動5G標(biāo)準(zhǔn)化工作，并在2020年后開始5G商用。為實(shí)現(xiàn)大連接、廣覆蓋、高移動性及熱點(diǎn)分流等接入特點(diǎn)，5G無線網(wǎng)絡(luò)將普遍采用高低頻混和組網(wǎng)模式，即低頻獨(dú)立組網(wǎng)、高頻非獨(dú)立組網(wǎng)。對未來超高速傳送網(wǎng)的帶寬需求進(jìn)行估算，建立模型如下：對于工作在3.4-3.5 GHz頻譜范圍的低頻基站，當(dāng)采用3個(gè)小區(qū)和64發(fā)64收配置時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)頻譜效率達(dá)到峰值50 bit/s/Hz和均值10 bit/s/Hz；對于工作在28 GHz頻點(diǎn)范圍的高頻基站，當(dāng)采用3個(gè)小區(qū)和2發(fā)2收配置時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)頻譜效率達(dá)到峰值25 bit/s/Hz和均值4 bit/s/Hz。傳送網(wǎng)以三層環(huán)形結(jié)構(gòu)為例：

在接入層中，假設(shè)一個(gè)接入環(huán)接入8個(gè)基站，按照7個(gè)基站平均帶寬加1個(gè)基站峰值帶寬的規(guī)劃，5G低頻基站接入環(huán)流量為26 Gbit/s，同時(shí)共存的4G基站接入環(huán)流量為1.95 Gbit/s。接入設(shè)備上行需提供2個(gè)50 GE或2個(gè)100 GE接口，下行容量提供多個(gè)10 GE接入環(huán)接入。

在匯聚層中，按照一個(gè)匯聚環(huán)有4個(gè)匯聚設(shè)備和4：2：1的收斂比計(jì)算，匯聚環(huán)上的流量為167.7 Gbit/s；按照一對匯聚設(shè)備匯聚6個(gè)接入環(huán)計(jì)算，下行需要6個(gè)50GE或6個(gè)100 GE接口。匯聚設(shè)備上行需要提供2個(gè)200 GE或2個(gè)400 GE接口，下行提供6個(gè)50 GE或6個(gè)100 GE接口。

在核心層中，按照一對核心設(shè)備接入250個(gè)接入環(huán)計(jì)算，核心環(huán)上流量為874 Gbit/s，下行需要250個(gè)200 GE或250個(gè)400 GE接口。核心設(shè)備上行需要提供2個(gè)400 GE接口，下行提供250個(gè)200 GE或250個(gè)400 GE接口。

由此可見，隨著5G時(shí)代新型技術(shù)的采用、各類基站的部署以及寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，勢必對傳送網(wǎng)提出了大容量和超高速的承載需求，也是接下來重點(diǎn)探討的問題。

3 應(yīng)對5G未來發(fā)展的超高速傳輸技術(shù)展望

目前商用的100 G傳輸系統(tǒng)中主要采用相干接收的單載波極化復(fù)用和QPSK調(diào)制技術(shù)，其頻譜傳輸效率為4 bit/s/Hz，通過軟、硬判決提高OSNR容限優(yōu)化信號傳輸距離。對超高速傳輸技術(shù)的研究來源于飛速發(fā)展的業(yè)務(wù)（特別是進(jìn)入5G時(shí)代）對傳輸容量、帶寬、時(shí)延以及可靠性等方面提出的訴求。隨著運(yùn)營商帶寬投資收益的下滑，有必要從線路速率、傳輸容量、智能管控、芯片處理和網(wǎng)絡(luò)安全等5個(gè)方面進(jìn)行深入探討，達(dá)到高效益、低成本運(yùn)營的目的。

3.1 提高線路傳輸速率技術(shù)

（1）采用多載波技術(shù)，提高系統(tǒng)傳輸容量。在超高速傳輸系統(tǒng)中，通過引入超通道載波聚合可實(shí)現(xiàn)更高傳輸容量的系統(tǒng)。當(dāng)前主流的400 Gbit/s傳輸系統(tǒng)主要有3種實(shí)現(xiàn)方式：四載波的100 Gbit/s鏈路聚合、雙載波的200 Gbit/s鏈路聚合和單載波的400 Gbit/s鏈路。其中四載波的100 Gbit/s PDM-QPSK方式技術(shù)成熟、成本低且跨距長（1 200～1 500 km），但相對于100 Gbit/s傳輸系統(tǒng)并無明顯的實(shí)質(zhì)提升。雙載波(PDM-16 AQM)方式可以提升頻譜傳輸效率165%以上，且技術(shù)比較成熟、傳輸距離較遠(yuǎn)。單載波400 Gbit/s方式頻譜效率最高，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大、傳輸距離受限、成本高，是超100 Gbit/s系統(tǒng)研究持續(xù)努力實(shí)現(xiàn)的方向。

（2）采用高階調(diào)制方式，提升每符號比特?cái)?shù)。在單載波調(diào)制方面，采用高階在一定的頻譜帶寬上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的傳輸效率。相對于QPSK，16 QAM調(diào)制的每符號比特?cái)?shù)提升一倍，從而提升傳輸效率和容量。在超100 Gbit/s傳輸領(lǐng)域，高階調(diào)制格式的運(yùn)用是業(yè)界普遍采用的重要手段，同時(shí)高階調(diào)制方式的采用，也對接收側(cè)OSNR有更高的要求，限制了傳輸距離。目前，主流設(shè)備廠商在16 QAM、32 QAM、64 QAM乃至256 QAM等調(diào)制格式上不斷創(chuàng)新實(shí)踐，積累了諸多經(jīng)驗(yàn)和成果，如基于QPSK的400 Gbit/s傳輸系統(tǒng)，傳輸距離可達(dá)3 000 km以上，適用于遠(yuǎn)距離傳輸；而在16 QAM調(diào)制方式下，400 Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離超過1 200 km，僅作為城域網(wǎng)超高速傳輸系統(tǒng)。

（3）采用更高信號波特率，實(shí)現(xiàn)高速信號傳輸。通過提升單信號的波特率，能實(shí)現(xiàn)整體傳輸速率的提升：在四載波的100 G鏈路聚合中，通過將單信號波特率從28/32 GBaud提升至56/64 GBaud，雙載波就可以實(shí)現(xiàn)400Gbit/s傳輸；通過將單信號波特率提升至128 GBaud，即可直接實(shí)現(xiàn)400 Gbit/s傳輸。在近期400 Gbit/s超高速傳輸測試中，通過使用超低損耗、超大有效面積的新型光纖，成功將128.8 GBaud的400 Gbit/s波分復(fù)用QPSK信號傳輸超過10 130 km，實(shí)現(xiàn)超長距離通信。

（4）采用靈活柵格技術(shù)，提高頻譜使用效率。該技術(shù)使用頻域方法替代時(shí)域方法來為波長路由光傳送網(wǎng)提供高效率和靈活性，根據(jù)每條光路的要求動態(tài)調(diào)整參數(shù)，有效承載多種數(shù)據(jù)速率、彈性分配頻譜資源；同時(shí)，通過軟件定義方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件資源（如中心頻率、調(diào)制格式）的可編程控制，可以克服波分復(fù)用技術(shù)面臨的波長資源利用率低、光通道靈活性不足和傳輸自適應(yīng)能力較差等難題。在靈活柵格網(wǎng)絡(luò)中，載波的放置有兩種方案：微柵格和無柵格。研究證明[6]，靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)對頻譜利用率提升達(dá)5%～95%，具體數(shù)值需要考慮具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)模型。表1所示為不同調(diào)制方式、載波方式、波特率和波道間隔情況下，超高速（400 Gbit/s、1 Tbit/s）傳輸系統(tǒng)典型參數(shù)對照表。

表1 超高速傳輸系統(tǒng)典型參數(shù)表

3.2 提升系統(tǒng)傳輸容量技術(shù)

3.2.1 空分復(fù)用（SDM）技術(shù)

隨著單模光纖傳輸容量成功突破香農(nóng)極限，SDM技術(shù)作為有效方案成為研究熱點(diǎn)：通過在空間范圍內(nèi)同時(shí)傳輸多路信號，在有效抑制非線性效應(yīng)的同時(shí)可將傳輸系統(tǒng)容量成倍提高，具有多芯光纖、多模光纖（MMF）、空間光學(xué)器件模式復(fù)用等多種實(shí)現(xiàn)方式。多芯光纖采用在大直徑包層中對稱分布幾根纖芯作為多條獨(dú)立傳輸通道，同時(shí)避免通道間干擾和能量泄露；而MMF通過激發(fā)光纖中多個(gè)高階模式（不同電磁場分布），將不同信號通過不同模式進(jìn)行承載，各高階模式可獨(dú)立傳輸且不會發(fā)生干涉和耦合效應(yīng)，如多芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器、模式組結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器、雙芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器、光圈探針采樣結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器等。在光學(xué)器件方面，可以使用模式選擇復(fù)用器或?yàn)V波器在多模介質(zhì)（如光纖或光學(xué)波導(dǎo)）中獨(dú)立激發(fā)出不同高階模式，形成相互獨(dú)立的傳輸通道，如相位波片結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器、空間光調(diào)制（SLM）結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器等。SDM的多種方案在科研領(lǐng)域已成熟實(shí)現(xiàn)，但目前最實(shí)用的是多芯光纖。貝爾實(shí)驗(yàn)室通過激發(fā)MMF中8路信號（每路信號采用40 Gbit/s QPSK調(diào)制）的6個(gè)空間模式和2個(gè)偏振模式實(shí)現(xiàn)了近4 Tbit/s的傳輸容量。當(dāng)然，受限于光放大器、耦合器和信號串?dāng)_等技術(shù)難題，SDM技術(shù)仍需進(jìn)一步發(fā)展[7]。

3.2.2 頻譜擴(kuò)展技術(shù)

在普遍使用的密集波分復(fù)用系統(tǒng)（DWDM）中，主要利用光纖的C波段（1 528～1 565 nm）作為工作波長，若波長間隔為0.4 nm，約容納80波光信號。考慮到現(xiàn)有波長資源大量占用和各通道間串?dāng)_問題，若進(jìn)一步提升系統(tǒng)的傳輸容量，可擴(kuò)展通帶范圍（即L波段：1 570～1 620 nm），使用C+L波段共同完成信號的傳輸。雖然頻譜擴(kuò)展技術(shù)能將傳輸容量翻倍，由于兩個(gè)波段波長差別較大，系統(tǒng)中各部分器件（如激光光源、光放大器、復(fù)用/解復(fù)用器以及調(diào)制/探測器等）的工作帶寬都要做出相應(yīng)擴(kuò)展，對器件材料、工作機(jī)制和處理技術(shù)等提出很大挑戰(zhàn)。通過在大容量新型DWDM傳輸系統(tǒng)中使用多級間插復(fù)用方式、C/L波段分離式放大器、拉曼光纖放大器和自動預(yù)加重技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)176波光信號1.76 Tbit/s的傳輸速率。

3.3 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了適應(yīng)高帶寬和差異性業(yè)務(wù)的發(fā)展，光傳送網(wǎng)需要向靈活、開放和智能化方向發(fā)展。光傳送網(wǎng)絡(luò)的智能化先后經(jīng)歷了自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）、基于路徑計(jì)算單元（PCE）的光網(wǎng)絡(luò)和軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON）等3條技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了由分布控制向集中控制的演變。在超高速光傳送網(wǎng)時(shí)代，SDON（如圖1所示）可以為各種光層資源提供統(tǒng)一的調(diào)度和控制能力，根據(jù)用戶或運(yùn)營商需求利用軟件編程方式進(jìn)行動態(tài)定制，同時(shí)支持邏輯上集中控制、管理以及全局網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用。5G時(shí)代，RAN控制域、承載網(wǎng)控制域和核心網(wǎng)控制域三域協(xié)同實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、業(yè)務(wù)部署，從而實(shí)現(xiàn)任意拓?fù)?、任意業(yè)務(wù)、任意服務(wù)質(zhì)量要求、任意轉(zhuǎn)發(fā)要求、任意故障的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換等，為打造開放網(wǎng)絡(luò)平臺和實(shí)現(xiàn)三域協(xié)同，SDON的部署勢在必行。目前來看，SDON在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制、網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化提供和面向數(shù)據(jù)中心的高度互聯(lián)等方面具有廣闊應(yīng)用前景。

圖1 SDON網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu)圖

從事SDN相關(guān)協(xié)議和技術(shù)研究的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有IETF/IRTF、ONF和ITU-T，標(biāo)準(zhǔn)化工作仍處于起步階段，部分協(xié)議（東西向接口和部分南向接口）還未成熟。隨著波分復(fù)用技術(shù)的迅速發(fā)展以及自適應(yīng)收發(fā)器、ROADM、快速光開關(guān)和可調(diào)諧激光器等光器件的成熟，傳送網(wǎng)已具備提供高帶寬承載能力。如何有效協(xié)調(diào)各層面功能（如控制器設(shè)計(jì)等）、同時(shí)精確調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源（軟件驅(qū)動的光路傳輸調(diào)節(jié)、軟件編程的光路靈活交換和軟件擴(kuò)展的光路自動聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)）有待完善。

3.4 光網(wǎng)絡(luò)模塊的新型應(yīng)用

高速發(fā)展的光網(wǎng)絡(luò)需滿足高速率、大容量和低時(shí)延的應(yīng)用訴求，不僅要依靠光纖鏈路傳輸技術(shù)的發(fā)展，也需要高性能的集成模塊作為支撐。目前來看，通信系統(tǒng)中激光器、光放大器、調(diào)制器和光電探測器等模塊主要基于硅、鍺和部分III-V族化合物等半導(dǎo)體材料，能夠較好地滿足高速率信號處理問題。2004年，新型的二維層狀材料——石墨烯（如圖2（a）所示）浮出水面，隨著近年來研究的深入展現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性。隨著超高速傳輸系統(tǒng)的部署，相信未來基于石墨烯的光模塊具有巨大應(yīng)用潛力，主要有以下特性：（1）很強(qiáng)的光場與石墨烯相互作用——與具有量子限制斯托克效應(yīng)（QCSE）的半導(dǎo)體材料相比，石墨烯具有很強(qiáng)的能帶間光子躍遷，可制成高靈敏度的光電探測器（如基于石墨烯FET的探測器具有高達(dá)500GHz的本征帶寬，石墨烯能帶工程實(shí)現(xiàn)8.61A/W的光響應(yīng)度）； (2）超寬帶工作帶寬——由于狄拉克費(fèi)米子的高頻動態(tài)電導(dǎo)率為常數(shù)，光吸收性質(zhì)與光波長無關(guān)，工作帶寬覆蓋了可見光到遠(yuǎn)紅外波段； （3）超高速的光子吸收過程——石墨烯的載流子遷移速率在室溫下就已超過200 000cm2V-1S-1（已知材料中最高的），通過能帶填充效應(yīng)，費(fèi)米能級和光吸收過程被高速調(diào)制，可制成高速低耗的光調(diào)制器（如相位調(diào)制的3 dB帶寬高達(dá)119.5 GHz，而功耗僅為0.452 pJ/bit）； （4）與CMOS過程高度兼容（如圖2（b）所示）。高速率、大帶寬和低能耗是集成光模塊的發(fā)展方向，基于石墨烯的潛在特性，將在未來光通信、光互聯(lián)以及高性能計(jì)算等領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。

3.5 光網(wǎng)絡(luò)安全保障技術(shù)

圖2 (a) 二維石墨烯材料原子結(jié)構(gòu)示意圖

信息的爆炸式增長和光網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模升級部署使網(wǎng)絡(luò)安全面臨嚴(yán)峻形勢；同時(shí)，隨著高性能量子計(jì)算破解密鑰、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)非法竊聽等非法手段的出現(xiàn)，具有經(jīng)典信息學(xué)無法比擬特性的量子通信得以應(yīng)用（如圖3（a）所示）。其中，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)方式的安全通信（如圖3（b）所示）。該技術(shù)在誘騙態(tài)提出后得以實(shí)質(zhì)性發(fā)展，能夠解決經(jīng)典密碼學(xué)中密鑰擴(kuò)展的重要問題。由于光網(wǎng)絡(luò)使用的光纖信道可作為理想的量子態(tài)傳輸信道，使得QKD系統(tǒng)很快從理論階段發(fā)展到足夠?qū)嵱没A段，如基于誘騙態(tài)方案和COW等協(xié)議的QKD系統(tǒng)安全距離已經(jīng)達(dá)到城域網(wǎng)范圍（200多公里）。理想QKD系統(tǒng)的安全性已得到物理學(xué)的充分證實(shí)，但如何驗(yàn)證具體系統(tǒng)的安全性是一個(gè)重要的問題。近些年，國內(nèi)外很多研究集中在針對實(shí)際系統(tǒng)中不完善之處的攻擊和防御方案。設(shè)備無關(guān)的QKD方案是一種理論上分析安全性的方案，如果結(jié)合高效超低噪聲單光子探測器和新型超低損耗光纖，在安全傳輸距離上可實(shí)現(xiàn)一定突破。加之類似可從理論層面保證實(shí)際系統(tǒng)的安全性方案，將顯著提高實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4 結(jié)束語

圖3（a）經(jīng)典通信與量子通信示意圖

5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作和技術(shù)研究的推進(jìn)使得各種大容量、高帶寬業(yè)務(wù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，同時(shí)對光傳送網(wǎng)的傳輸能力帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為改善現(xiàn)狀并滿足各種業(yè)務(wù)的承載需求，光傳送網(wǎng)要全面跟進(jìn)升級和改造：業(yè)界在加速提高線路傳輸速率和節(jié)點(diǎn)處理速度的同時(shí)，更要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)智能化和安全性建設(shè)，為5G網(wǎng)絡(luò)未來快速演進(jìn)提供高速、智能和穩(wěn)固的基礎(chǔ)承載技術(shù)保障。

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