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

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“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(shì)第二篇，即光模塊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)：線路側(cè)(第一篇：光模塊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)：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(shuō)的光傳送網(wǎng)，它包括長(zhǎng)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(lái)講，用于將信號(hào)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(duì)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(duì)外接口，用來(lái)連接到用戶的設(shè)備上的話就屬于客戶側(cè)了。其實(shí)我也一直沒(méi)有弄清楚這兩者的準(zhǔn)確定義，大致就是這個(gè)意思吧。

圖1. OTN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

  更稍微具體一點(diǎn)，如下圖，交換機(jī)連接的上層和下層，低速口通常對(duì)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(hào)在網(wǎng)路中傳輸/路由/交換的道理其實(shí)就跟我們網(wǎng)購(gòu)快遞送貨的物流過(guò)程類似，先打包送到一個(gè)個(gè)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(jī)、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(gè)過(guò)程跟下圖其實(shí)也沒(méi)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(shuō)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(diǎn)了。線路側(cè)是面向長(zhǎng)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(lái)用上，貴點(diǎn)不要緊，這銀子有廣大納稅人來(lái)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(jué)得賣貴了不行，市場(chǎng)量大丟不起。

  說(shuō)到這里又很容易走入一個(gè)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(shí)也不是的，以前沒(méi)有相干的時(shí)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(jià)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(gè)論斷可能更準(zhǔn)確一點(diǎn)，線路側(cè)是一定要支持波分WDM的，因?yàn)?A href="http://n2software.net/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%ba%bf%e8%b7%af%e4%be%a7&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">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(shuō)到上面的波分，這里闡明一個(gè)概念。彩光和灰光模塊到底啥區(qū)別。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，彩光就是用在WDM側(cè)的光模塊，它是有確定的中心波長(zhǎng)和范圍的，即colored，而普通的光模塊是沒(méi)有明確的中心波長(zhǎng)，在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，這種叫黑白光或灰光，即grey。當(dāng)然，在WDM PON中還有一種說(shuō)法叫colorless，無(wú)色，那個(gè)的意思是說(shuō)對(duì)波長(zhǎng)不敏感，通常是由注入鎖定，或反射重調(diào)制實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)透明或可調(diào)諧激光器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)管理。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)應(yīng)的最典型的應(yīng)用場(chǎng)景如下圖所示。

圖3. 灰光模塊及彩光模塊典型應(yīng)用場(chǎng)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?；夜饽K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(kāi)始討論5x7寸，用于長(zhǎng)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(dòng)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(shí)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(duì)于400G，OIF也早在2013年就啟動(dòng)研究并發(fā)布了下一代光互連白皮書(shū)及400G技術(shù)選擇，不過(guò)當(dāng)時(shí)熱門(mén)的方案是雙載波16QAM實(shí)現(xiàn)400G，至今也沒(méi)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(shí)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(méi)有flexgrid，superchannel好像也提高不了多少頻譜效率，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也不如高階調(diào)制結(jié)合概率整形(Probability Constellation Shaping,PCS)來(lái)得靈活。

  當(dāng)然最近OIF還發(fā)起了一些新的研究項(xiàng)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(dòng)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(duì)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(kāi)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(wú)法在單個(gè)平臺(tái)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(yùn)營(yíng)商。

  組織的目標(biāo)是對(duì)傳統(tǒng)的封閉式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分解與開(kāi)放，并努力推動(dòng)SDN化的發(fā)展，實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)中心互連的，而OpenROADM則是用于運(yùn)營(yíng)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(gè)Open ZR+的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。在我看來(lái)，Open ZR+聯(lián)盟主要是想用一個(gè)模塊同時(shí)支持DCI和運(yùn)營(yíng)商的應(yīng)用，否則ZR的市場(chǎng)可能太小了，如下圖所示，OpenZR+正是結(jié)合了OpenROADM和400ZR兩個(gè)業(yè)內(nèi)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)二合一的版本，即支持高性能的可插拔DCI互連，又能實(shí)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(shí)要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二合一，從線路側(cè)相干技術(shù)本身來(lái)講可能并不是太難。因?yàn)镺penROADM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(shí)就是DSP上至少要做CFEC和OFEC兩種FEC方案，這對(duì)于大多數(shù)光模塊廠商只是涉及到芯片選型的問(wèn)題，并不涉及DSP開(kāi)發(fā)相關(guān)的，因?yàn)檫@個(gè)門(mén)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(duì)100G的標(biāo)準(zhǔn)速率做了規(guī)范。

  國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)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(duì)不同400G技術(shù)的性能和測(cè)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(dòng)了“集成相干光收發(fā)組件”的標(biāo)準(zhǔn)化研究項(xiàng)目。

  四、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)

  總的來(lái)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(qiáng)調(diào)線路側(cè)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，更偏向于光模塊實(shí)現(xiàn)；國(guó)內(nèi)的CCSA更重視性能要求和測(cè)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(guò)專利預(yù)埋、構(gòu)建技術(shù)斷裂點(diǎn)，給后來(lái)者挖坑，給競(jìng)爭(zhēng)者設(shè)定一定的技術(shù)門(mén)檻。有些有實(shí)力的公司甚至還可以對(duì)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(tuán)，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(diǎn)贊一樣的道理，這樣可以進(jìn)一步強(qiáng)化領(lǐng)導(dǎo)者的地位。技術(shù)實(shí)力相對(duì)較弱的公司，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化公開(kāi)的技術(shù)更便于進(jìn)行技術(shù)跟隨和快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。對(duì)于行業(yè)用戶如運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)公司，他們?cè)跇?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(yùn)維都能得到極大的簡(jiǎn)化。對(duì)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(shí)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(guò)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(chǎng)實(shí)際需求和產(chǎn)業(yè)鏈平均實(shí)力，如早在四五前年制定的TWDM-PON標(biāo)準(zhǔn)，至今都基本無(wú)人問(wèn)津。另外，雖然技術(shù)走向標(biāo)準(zhǔn)化，但并不意味著對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)去做實(shí)現(xiàn)，做產(chǎn)品就沒(méi)有門(mén)檻。大部分的標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)并沒(méi)有把核心的技術(shù)公開(kāi)出來(lái)，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(lái)看，所謂的多廠商互通其實(shí)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(lái)最終實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)、設(shè)備級(jí)的互通。

  當(dāng)前，光通信的發(fā)展趨勢(shì)是光通信+互聯(lián)網(wǎng)了，隨著數(shù)據(jù)中心互連DCI等市場(chǎng)的涉足，客戶對(duì)光通信系統(tǒng)的要求變得更簡(jiǎn)單、更開(kāi)放，目標(biāo)就是把門(mén)檻盡量降低，吸引更多的競(jìng)爭(zhēng)者，提供更多樣化的技術(shù)產(chǎn)品和更高的性價(jià)比。隨之而來(lái)的是，電信運(yùn)營(yíng)商會(huì)針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)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(kāi)放，多半會(huì)引入更多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，增加隱形成本。隨著互聯(lián)網(wǎng)思維的深度滲透，開(kāi)放解耦，多供應(yīng)商共存一定會(huì)成為這個(gè)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(kāi)放思想的深入，光纖通信系統(tǒng)和設(shè)備一定會(huì)受到較大的沖擊。當(dāng)前ADVA、Infinera、Fujistu這些開(kāi)放線路系統(tǒng)架構(gòu)的先驅(qū)們已經(jīng)在國(guó)外取得了不錯(cuò)的市場(chǎng)反響，國(guó)內(nèi)方面用不了多久一定會(huì)跟上。

  最后，再回到線路側(cè)光模塊上面，個(gè)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(chǎng)。因?yàn)?A href="http://n2software.net/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%ba%bf%e8%b7%af%e4%be%a7&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">線路側(cè)對(duì)可插拔的要求本來(lái)就沒(méi)有那么剛性，另外COBO和CPO模塊的故障維修的維護(hù)對(duì)客戶側(cè)可能太麻煩，不如可插拔替換那么簡(jiǎn)單直接。線路側(cè)的單板和模塊一起本來(lái)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(zhǎng)這個(gè)。只是到那時(shí)，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(shí)也沒(méi)啥事情做了。

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