光模塊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及發(fā)展趨勢：線路側(cè)

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士，訊石經(jīng)允許略作刪改。

  本篇為光模塊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及光模塊相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢第二篇，即光模塊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及發(fā)展趨勢：線路側(cè)(第一篇：光模塊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及發(fā)展趨勢：客戶側(cè))。

  具體講線路側(cè)光模塊的標(biāo)準(zhǔn)之前，先理清一下何為線路側(cè)，何為客戶側(cè)光模塊，什么是灰光，什么是彩光。

  一、線路側(cè)和客戶側(cè)如何區(qū)分?

  OTN，也就是我們常說的光傳送網(wǎng)，它包括長途干線和城域網(wǎng)。通常把這兩部分稱為光傳輸網(wǎng)，而再往下的就是邊緣接入網(wǎng)了，也就更靠近用戶了。于是也就大體上能明白哪是客戶側(cè)了，通俗來講，用于將信號匯聚到主干光纖傳輸網(wǎng)鏈路的設(shè)備就是線路側(cè)設(shè)備了，對應(yīng)的光模塊就叫線路側(cè)光模塊，而反之如果是傳輸網(wǎng)對外接口，用來連接到用戶的設(shè)備上的話就屬于客戶側(cè)了。其實我也一直沒有弄清楚這兩者的準(zhǔn)確定義，大致就是這個意思吧。

圖1. OTN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

  更稍微具體一點，如下圖，交換機連接的上層和下層，低速口通常對應(yīng)的是接到客戶側(cè)設(shè)備上，而匯聚層的高速接口是連接到線路側(cè)設(shè)備上。信號在網(wǎng)路中傳輸/路由/交換的道理其實就跟我們網(wǎng)購快遞送貨的物流過程類似，先打包送到一個個物流中轉(zhuǎn)站，然后裝貨車，然后再送到省市的物流樞紐，然后再飛機、火車這樣的更大容量的封裝然后到了用戶這邊，進(jìn)行相反的操作，根據(jù)目的地進(jìn)行有選擇性的再次分裝，快遞員用小車送達(dá)。這個過程跟下圖其實也沒有太本質(zhì)的區(qū)別，甚至路由算法也可以用于物流規(guī)劃中，說白了程序員也是通用的。

圖2. 以路由器為界的線路側(cè)和客戶側(cè)的

  基于上面圖示，也很容易理解線路側(cè)和客戶側(cè)光模塊的特點了。線路側(cè)是面向長途骨干，要求容量大、性能好，相干、波分、放大、高階調(diào)制這些高端的最好全都拿來用上，貴點不要緊，這銀子有廣大納稅人來分擔(dān)的；而客戶側(cè)可能要直面你的用戶，他們要熱插拔、低功耗、高密度，還要便宜，替用戶想一想，你也覺得賣貴了不行，市場量大丟不起。

  說到這里又很容易走入一個誤區(qū)，相干光模塊一定就是線路側(cè)的，客戶側(cè)一定是直調(diào)直檢光模塊。其實也不是的，以前沒有相干的時候，線路側(cè)一樣要走直調(diào)直檢?，F(xiàn)在相干成熟了，如果價格進(jìn)一步下降的話，相干或許也可能用到客戶側(cè)的。但有一個論斷可能更準(zhǔn)確一點，線路側(cè)是一定要支持波分WDM的，因為線路側(cè)要上的是干線，光纖資源比較稀缺。

  二、彩光和灰光模塊是什么?

  說到上面的波分，這里闡明一個概念。彩光和灰光模塊到底啥區(qū)別。簡單來說，彩光就是用在WDM側(cè)的光模塊，它是有確定的中心波長和范圍的，即colored，而普通的光模塊是沒有明確的中心波長，在一個范圍內(nèi)波動，這種叫黑白光或灰光，即grey。當(dāng)然，在WDM PON中還有一種說法叫colorless，無色，那個的意思是說對波長不敏感，通常是由注入鎖定，或反射重調(diào)制實現(xiàn)波長透明或可調(diào)諧激光器實現(xiàn)波長管理。一般來說，彩光模塊是用在線路側(cè)的，而灰光模塊用在客戶側(cè)，與之對應(yīng)的最典型的應(yīng)用場景如下圖所示。

圖3. 灰光模塊及彩光模塊典型應(yīng)用場景。

  上述的彩光模塊和灰光模塊也是要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的。如彩光的DWDM模塊遵循ITU-T G.694.1，而CWDM遵循 ITU-T G694.2相應(yīng)的規(guī)范。灰光模塊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)則包括ITU-T G.957，ITU-T G.959.1，IEEE 802.3等。

  三、線路側(cè)光模塊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

  在線路側(cè)光模塊方面，OIF從2008年開始討論5x7寸，用于長途傳輸?shù)臄?shù)字相干光模塊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，隨后又啟動了4x5寸，用于城域的相干光模塊，如CFP-DCO及CFP2-ACO光模塊相關(guān)的討論。

  討論的結(jié)果都發(fā)布了相應(yīng)的實現(xiàn)協(xié)議(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。

  而對于400G，OIF也早在2013年就啟動研究并發(fā)布了下一代光互連白皮書及400G技術(shù)選擇，不過當(dāng)時熱門的方案是雙載波16QAM實現(xiàn)400G，至今也沒有被業(yè)界廣泛采納。

  隨著DCI興起之后，業(yè)內(nèi)廣泛討論的就是OIF的400ZR interp標(biāo)準(zhǔn)了，該標(biāo)準(zhǔn)最近也發(fā)布了OIF-400ZR-01.0 – Implementation Agreement 400ZR的實施規(guī)范?？吹贸鲭S著技術(shù)的進(jìn)步，成本的下降，業(yè)界還是更期待單波更高速率的產(chǎn)品，多波組合的超信道似乎只是概念上的擺設(shè)，沒有flexgrid，superchannel好像也提高不了多少頻譜效率，實現(xiàn)起來也不如高階調(diào)制結(jié)合概率整形(Probability Constellation Shaping,PCS)來得靈活。

  當(dāng)然最近OIF還發(fā)起了一些新的研究項目，比如IC-TROSA，HB-CDM。分別研究集成的收發(fā)模擬芯片和高帶寬96G波特的相干驅(qū)動調(diào)制器組件，用于400G以上速率的600G/800G光模塊。相干光模塊對應(yīng)技術(shù)和形態(tài)的演進(jìn)如下圖所示。

  雖然，可插拔光模塊最先是應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心互連等客戶側(cè)，但業(yè)界還是希望在線路側(cè)也能延續(xù)這種緊湊的封裝，如QSFP-DD,OSFP,COBO。在相干光模塊的管理接口方面，OIF最近也發(fā)布了OIF-C-CMIS-01.0 – Implementation Agreement for Coherent CMIS協(xié)議。

圖4. 數(shù)字相干光模塊演進(jìn)

  Open ROADM致力于建立和發(fā)布光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開放標(biāo)準(zhǔn)，例如ROADM(可重構(gòu)光分插復(fù)用器)、轉(zhuǎn)發(fā)器和在線放大器。

  傳統(tǒng)上，這些架構(gòu)是每家供應(yīng)商構(gòu)建的專用系統(tǒng)。但是，它們彼此缺乏兼容和互操作，無法在單個平臺上進(jìn)行控制，而Open ROADM將允許在不同供應(yīng)商設(shè)備中進(jìn)行端到端的光連接管理。Open ROADM目前有至少15家成員單位，包括主要的電信供應(yīng)商以及AT&T和Orange SA等tier 1電信運營商。

  組織的目標(biāo)是對傳統(tǒng)的封閉式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分解與開放，并努力推動SDN化的發(fā)展，實現(xiàn)光學(xué)層的靈活性和軟件控制。根據(jù)現(xiàn)有資料可以看出，400G ZR是針對數(shù)據(jù)中心互連的，而OpenROADM則是用于運營商的。

  更進(jìn)一步，相干光模塊和硅光集成技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者Acacia還主導(dǎo)了一個Open ZR+的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。在我看來，Open ZR+聯(lián)盟主要是想用一個模塊同時支持DCI和運營商的應(yīng)用，否則ZR的市場可能太小了，如下圖所示，OpenZR+正是結(jié)合了OpenROADM和400ZR兩個業(yè)內(nèi)規(guī)范，實現(xiàn)二合一的版本，即支持高性能的可插拔DCI互連，又能實現(xiàn)更好的多廠商互通。

圖5. OpenZR+是OpenROADM和400ZR的二合一版本

  其實要實現(xiàn)這兩個標(biāo)準(zhǔn)的二合一，從線路側(cè)相干技術(shù)本身來講可能并不是太難。因為OpenROADM和OIF 400ZR在技術(shù)上，最大的區(qū)別就在于DSP芯片中的FEC算法，OpenROADM采用Acacia主推的OFEC，而OIF 400ZR則采納Inphi主推的CFEC，兩種FEC的主體可能都是基于TPC編碼。

  所以，要支持OpenZR+其實就是DSP上至少要做CFEC和OFEC兩種FEC方案，這對于大多數(shù)光模塊廠商只是涉及到芯片選型的問題，并不涉及DSP開發(fā)相關(guān)的，因為這個門檻比較高，全世界也就5~6家能做(DSP)。在性能上，這三者之間的區(qū)別可概括為下表所示。

  在涉及到OTN的物理和邏輯接口，成幀和映射技術(shù)方面，ITU-T對100G的標(biāo)準(zhǔn)速率做了規(guī)范。

  國內(nèi)方面，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會CCSA于2018年送審了“Nx400G光波分復(fù)用WDM系統(tǒng)技術(shù)要求”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對不同400G技術(shù)的性能和測試方法進(jìn)行了規(guī)范。當(dāng)然還有已經(jīng)發(fā)布的100G/400G相干光模塊標(biāo)準(zhǔn)，如“100Gbit/s雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)光收發(fā)模塊”，“400Gbit/s相位調(diào)制光收發(fā)合一模塊：第1部分：2×200Gbit/s”。最近也啟動了“集成相干光收發(fā)組件”的標(biāo)準(zhǔn)化研究項目。

  四、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢

  總的來看，IEEE標(biāo)準(zhǔn)主要制定客戶側(cè)的接口規(guī)范；ITU-T主導(dǎo)OTUCn幀，靈活柵格相關(guān)的規(guī)范；OIF則強調(diào)線路側(cè)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，更偏向于光模塊實現(xiàn)；國內(nèi)的CCSA更重視性能要求和測試方法。

  技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化是把雙刃劍。技術(shù)積累深厚的公司可以主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，從而牢牢占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，甚至通過專利預(yù)埋、構(gòu)建技術(shù)斷裂點，給后來者挖坑，給競爭者設(shè)定一定的技術(shù)門檻。有些有實力的公司甚至還可以對自己的專利技術(shù)進(jìn)行授權(quán)，發(fā)展合作伙伴，或相互抱團，在標(biāo)準(zhǔn)化支持上做一些利益交換，這就跟互聯(lián)網(wǎng)互粉點贊一樣的道理，這樣可以進(jìn)一步強化領(lǐng)導(dǎo)者的地位。技術(shù)實力相對較弱的公司，通過標(biāo)準(zhǔn)化公開的技術(shù)更便于進(jìn)行技術(shù)跟隨和快速產(chǎn)品開發(fā)。對于行業(yè)用戶如運營商、互聯(lián)網(wǎng)公司，他們在標(biāo)準(zhǔn)化體系下，也得益于接口、功能、性能的規(guī)范化、統(tǒng)一化，使用和管理、運維都能得到極大的簡化。對于其它產(chǎn)業(yè)鏈上的公司，如光器件、光芯片、電芯片等供應(yīng)商們，在標(biāo)準(zhǔn)的牽引下，避免同一代產(chǎn)品的技術(shù)實現(xiàn)上的分化，產(chǎn)業(yè)更聚集，比如100G相干的成功，相比于40G，更多可以歸結(jié)于技術(shù)的統(tǒng)一。

  標(biāo)準(zhǔn)化不太好的一面，就是過于依賴行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的牽引，最終有可能導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)整體偏離市場實際需求和產(chǎn)業(yè)鏈平均實力，如早在四五前年制定的TWDM-PON標(biāo)準(zhǔn)，至今都基本無人問津。另外，雖然技術(shù)走向標(biāo)準(zhǔn)化，但并不意味著對照標(biāo)準(zhǔn)去做實現(xiàn)，做產(chǎn)品就沒有門檻。大部分的標(biāo)準(zhǔn)其實并沒有把核心的技術(shù)公開出來，比如光模塊中的DSP芯片的核心算法。特別是線路側(cè)模塊，相比于客戶側(cè)模塊，它的整體技術(shù)難度還是要大很多。目前來看，所謂的多廠商互通其實最多也只能做成是少數(shù)幾家關(guān)鍵DSP芯片廠家之間的互通，剩下的光模塊公司靠買這些芯片來最終實現(xiàn)模塊級、設(shè)備級的互通。

  當(dāng)前，光通信的發(fā)展趨勢是光通信+互聯(lián)網(wǎng)了，隨著數(shù)據(jù)中心互連DCI等市場的涉足，客戶對光通信系統(tǒng)的要求變得更簡單、更開放，目標(biāo)就是把門檻盡量降低，吸引更多的競爭者，提供更多樣化的技術(shù)產(chǎn)品和更高的性價比。隨之而來的是，電信運營商會針對光網(wǎng)絡(luò)的開源解耦提出更高的要求。但傳統(tǒng)的電信設(shè)備商似乎并不愿意讓設(shè)備、模塊變得更開放，多半會引入更多的競爭對手，增加隱形成本。隨著互聯(lián)網(wǎng)思維的深度滲透，開放解耦，多供應(yīng)商共存一定會成為這個行業(yè)的潮流，前面也提到光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)跟互聯(lián)網(wǎng)物流模式有幾分相似。隨著開放思想的深入，光纖通信系統(tǒng)和設(shè)備一定會受到較大的沖擊。當(dāng)前ADVA、Infinera、Fujistu這些開放線路系統(tǒng)架構(gòu)的先驅(qū)們已經(jīng)在國外取得了不錯的市場反響，國內(nèi)方面用不了多久一定會跟上。

  最后，再回到線路側(cè)光模塊上面，個人認(rèn)為相比于客戶側(cè)模塊，COBO或CPO這樣的板上多芯片或共封裝技術(shù)有可能率先在線路側(cè)應(yīng)用中找到市場。因為線路側(cè)對可插拔的要求本來就沒有那么剛性，另外COBO和CPO模塊的故障維修的維護對客戶側(cè)可能太麻煩，不如可插拔替換那么簡單直接。線路側(cè)的單板和模塊一起本來就是設(shè)備商私有的，把COBO或CPO模塊直接放在板上也比較直接，設(shè)備商也擅長這個。只是到那時，如果標(biāo)準(zhǔn)也是別人制定的話，除了讀讀標(biāo)準(zhǔn)看看接口之外，設(shè)備商其實也沒啥事情做了。

  所以“關(guān)鍵技術(shù)，國之重器必須立足于自身”這句話說的關(guān)鍵技術(shù)到底指的是哪些技術(shù)呢?