俗话说:“预测很难,尤其是未来。”很少有人预见到COVID-19会对我们的健康或全球经济产生巨大影响,更不用说我们的网络了--尽管COVID-19只是加速了向在线购物、流媒体娱乐、虚拟教育和远程工作等趋势的转变。由于大量人员在家工作或学习,流量模式的地理和一天中的高峰时段发生了变化。整体互联网流量的年增速从以往的25%左右上升到35%左右。

 

另一方面,一些5G项目被推迟,运营商选择优先扩容现有平台而不是进行新平台和技术的网络更新。芯片短缺变得普遍,影响了从汽车到消费电子再到网络设备等多个行业。与此同时,客户和政府对网络宕机的容忍度越来越低。现在,疫苗在世界上许多地区(尽管不是全部)的推广速度正在加快,隧道的尽头出现了曙光。但新常态会是什么样子呢?

 

——  一切都不一样了

向网上购物和在线娱乐的转变可能会持续下去。向居家办公的转变不太可能完全逆转。然而,许多在家工作的人将不愿意重新开始全职通勤,而且对许多人来说,办公室工作和远程工作的混合模式将成为新常态。商务旅行最终将恢复,但在线会议的成本和时间效率意味着后者可能也将继续存在。教育最有可能恢复到以前的常态,不过大流行期间使用的许多在线工具将继续用于补充现场学习。互联网流量增长预计将回落至疫情前的20%左右,这仍然是一个健康的增长速度。大流行引起的芯片短缺在未来几年新的产能上线之前不会得到缓解。大流行后,我们可能会看到被推迟的5G项目恢复和由刺激计划支持的宽带基础设施建设的开展,以解决数字鸿沟,并更好地连接农村和服务不足的社区。

 

在光网络方面,运营商在寻求以一种既经济又及时的方式解决流量增长问题时,仍然面临着一些已经存在的挑战。他们需要降低每公里比特的成本。他们需要在不增加功耗或所需机架单元数量的情况下扩展带宽。许多运营商还希望通过诸如400GbE租赁线路等新业务来增加收入。他们需要最大限度地提高光纤容量,因为获取和部署新光纤的成本很高,特别是考虑到批发暗光纤在几个市场的可用性下降。

 

——  相干技术进展

那么相干光学技术如何帮助应对这些挑战呢?用于构建ASIC(为7nm CMOS工艺节点提供DSP和其他数字功能)的硅技术的发展,以及支持大于90Gbaud符号速率的光子技术的进一步改进,使800Gbps相干光引擎的发展成为可能。与受功耗限制和可插拔外形尺寸(如QSFP-DD和CFP2)限制的相干引擎不同,嵌入式光学引擎优先考虑光学性能和最先进的光学特性,并使用更大型、更强大的ASIC/DSP。例如,一个这样的ASIC/DSP有超过50亿个晶体管,而400G相干可插拔的ASIC/DSP大约有15亿个晶体管。

 

为了解决每公里比特成本的挑战,与前几代光学引擎相比,800G一代光学引擎显著提高了波长容量范围动态(wavelength capacity-reach dynamic)的结果。例如,基于16nm CMOS的600G一代和之前基于28nm CMOS的400G一代在其主要数据速率下可以提供几百公里的传输距离。新的800G一代在陆地网络中可以传输600Gbps到2500公里以上,在水下网络中可以传输400Gbps到7500公里以上,这使得这一代新一代引擎成为在任何地方提供400GbE服务的理想选择。借助双波长光引擎,网络运营商还可以通过两个600G线路侧波长提供三个400GbE客户端服务,与无法利用每个600Gbps波长中超过200Gbps的容量的单波长引擎相比,每400GbE的成本降低了三分之一。即使是800Gbps的数据速率,传输距离也可以延伸到800公里以上,并具有生产水平的裕度。

 

波长容量范围很重要,如果光学引擎可以提供多出50%的波长容量,每比特成本将降低33%,而波长容量增加一倍将使每比特成本减半。波长容量范围也与每公里每比特瓦特数方面的功耗以及每公里每比特转发器机架单位方面的占地面积密切相关。

 

——  三个主要性能因素

那么,是什么让800G一代光引擎能够在波长容量范围上实现如此飞跃呢?答案很简单:波特率、高级功能和调制解调器信噪比 (SNR)。提高波特率可以为相同的数据速率使用低阶调制。低阶调制在星座点之间具有更大的欧几里得距离,使它们在存在噪声的情况下更容易正确区分。由于增加波特率可以按比例增加波长的频谱,因此,较高波特率本身所减少的范围在很大程度上被相同功率谱密度增加波长功率的能力所抵消。因此,根据经验,将波特率加倍可使波长容量加倍,而覆盖范围减少不到10%。此外,在800Gbps时,即使波特率的小幅增加也可以显着增加覆盖范围。例如,与完整PM-64QAM下800Gbps所需的最小波特率相比,将波特率提高15%可以使用概率星座整形 (PCS) 实现800Gbps的四倍覆盖范围。

 

第二个因素是高级功能。与基于16nm CMOS的600G一代相比,用于800G一代相干DSP的7nm CMOS技术使晶体管数量大约增加了一倍。这种额外的处理能力使DSP能够提供新的功能,如长码字和第二代奈奎斯特数字子载波。

 

与传统的QAM调制相比,PCS具有许多优点。与传统调制的刚性带宽步长相比,它提供了更平滑的粒度,并使最佳波特率能够用于给定的数据速率,而不是与传统调制的每符号位匹配的波特率。此外,对于相同的波长功率和每个符号的比特数,PCS可以在星座点之间提供更大的欧几里德距离,从而降低对噪声的敏感性并增加容量范围,长码字使该增益接近其理论最大值。

 

同时,奈奎斯特数字子载波可减少色散 (CD),从而减少补偿色散时光学引擎内部产生的噪声。由于波特率和色散之间的平方关系,更多的子载波比更少的好。例如,八个子载波将色散的影响降低了64倍,而四个子载波降低的影响则为16倍。另一项创新是动态带宽分配(DBA),它结合了这两个特性,使用PCS根据其惩罚优化每个独立子载波的数据速率,通常内部子载波的数据速率略高,外部子载波的数据速率略低。

 

第三个因素是由光学引擎内部产生的噪声量驱动的调制解调器信噪比。保持低噪声从而提高调制解调器的信噪比是至关重要的,特别是在对任何噪声都非常敏感的高数据速率(即800Gbps)下。高调制解调器信噪比要求光引擎、数字ASIC/DSP、模拟电子(驱动器和跨阻放大器)和光子学(激光、调制器、光探测器等)的所有关键部件以及这些部件之间的射频和光互连具有高性能。它还需要对这些组件进行整体的协同设计,这反过来又需要深度的供应商垂直集成。

 

800G一代嵌入式光学引擎还利用了这些先进的功能(概率星座整形、奈奎斯特子载波、动态带宽分配等)和高调制解调器信噪比,以最大限度地提高频谱效率,C波段容量可能超过40Tbps。可选的L波段支持可进一步增加总光纤容量超过80Tbps (C+L)。对于海底网络,800G一代光学引擎的调制和波特率灵活性使得光纤的不同部分可以通过不同的模式进行优化,以获得最大的光谱效率。

 

因此,800G一代嵌入式光学引擎可以解决运营商面临的许多挑战,特别是在长途和海底光网络中。它们还可以在特定的数据中心互连(DCI)和城域场景中发挥重要作用,例如光纤受限的DCI场景或具有高ROADM级联的城域场景。因此,虽然未来很难预测,但我预测2021年将是在广泛的网络运营商和应用中采用800G一代相干技术的好年头。

 

原作者:Infinera解决方案营销总监PAUL MOMTAHAN。