現(xiàn)在是光通信產(chǎn)業(yè)最好的時(shí)代。不斷演進(jìn)的通信技術(shù)影響著我們每一個(gè)人的生活，如高清視頻、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及即將來(lái)到的5G時(shí)代等。這些趨勢(shì)其實(shí)都折射出光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不斷演進(jìn)和變化，以及光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)該如何部署和需要具備怎樣的功能。

圖一：光模塊收入預(yù)測(cè)

如圖一所示，云服務(wù)快速興起是過(guò)去幾年的一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)。未來(lái)幾年，這一趨勢(shì)將逐漸成為驅(qū)動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)增長(zhǎng)的主導(dǎo)力量，并將從本質(zhì)上改變高速光傳輸產(chǎn)品的特性、要求、開發(fā)周期和制造過(guò)程。

隨著相干光器件進(jìn)入數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將迎來(lái)更大的市場(chǎng)。這其中包含了兩個(gè)極為關(guān)鍵的技術(shù)：光電子器件和oDSP（Optical Digital Signal Processor 光數(shù)字信號(hào)處理器）。

?一方面，硅光技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界獲得了大量投資與關(guān)注，人們期望有一天，硅光芯片能夠像集成電路的制造方式一樣具備高度可重復(fù)性，以海量的產(chǎn)能帶來(lái)低廉的價(jià)格，并通過(guò)“打印”的方式實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)功能，最終實(shí)現(xiàn)光電器件的完全融合。

?另一方面，oDSP算法仍然是傳輸技術(shù)創(chuàng)新中最重要的核心之一，就像光逐步取代銅線傳輸一樣，oDSP正承載著越來(lái)越多的功能，正以最大限度地提升傳輸容量，并將高速光傳輸?shù)膽?yīng)用范圍擴(kuò)展到前所未有的新領(lǐng)域。

相干oDSP最初是憑借100Gbps長(zhǎng)距離傳輸能力成為主流技術(shù)的。從那時(shí)起，業(yè)界就不斷嘗試使用更加先進(jìn)的前向糾錯(cuò)（FEC）算法或均衡技術(shù)來(lái)獲取更高的性能，以及先進(jìn)的信號(hào)調(diào)制碼型來(lái)獲得更高的頻譜效率。

但是經(jīng)過(guò)10年發(fā)展之后，創(chuàng)新似乎變得舉步維艱，我們也開始聽到關(guān)于達(dá)到理論極限的說(shuō)法，通信理論創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）推導(dǎo)出的“香農(nóng)極限”似乎指明了這場(chǎng)競(jìng)賽的終點(diǎn)。

實(shí)際上，F(xiàn)EC所帶來(lái)的凈增益正在趨于飽和，結(jié)合最新的概率整形技術(shù)，現(xiàn)有架構(gòu)已經(jīng)非常接近于理論性能極限了。幸運(yùn)的是，每一個(gè)工程師的熱情大多來(lái)自于跳出思維限制的框架，以及對(duì)打破限制、突破極限的渴望。

當(dāng)你在實(shí)驗(yàn)室順利完成2000公里傳輸實(shí)驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中僅能夠傳輸500公里時(shí)，所謂的傳輸極限就產(chǎn)生了。

事實(shí)上，真正的限制并非來(lái)自理論，而更多來(lái)自現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的不完美。現(xiàn)在有許多新技術(shù)正在不斷開發(fā)，旨在進(jìn)一步推動(dòng)真實(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的傳輸性能。

比如，華為采用的信道匹配整形（Channel Matched Shaping，簡(jiǎn)稱CMS）算法，能夠感知真實(shí)網(wǎng)絡(luò)損傷，如光纖應(yīng)力及老化、器件老化、非線性效應(yīng)、甚至雷電帶來(lái)的偏振態(tài)瞬變等，并且相應(yīng)地調(diào)整信號(hào)處理和補(bǔ)償技術(shù)來(lái)削弱這些損傷帶來(lái)傳輸代價(jià)。

傳統(tǒng)系統(tǒng)中的光信號(hào)就像冰塊一樣,不夠靈活，對(duì)傳輸場(chǎng)景無(wú)法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化。而CMS使光信號(hào)傳輸如同水流經(jīng)管道一樣，能夠迅速感知通道的形狀，并及時(shí)調(diào)整適應(yīng)。在真實(shí)信道中，存在多種類型的損傷，因此需要借助多樣化以及具有針對(duì)性的技術(shù)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸性能的優(yōu)化。

圖二：信道匹配整形技術(shù)（Channel Matched Shaping）

如圖二所示，除了多種星座圖整形技術(shù)以外，CMS還使用超奈奎斯特速率（Faster-than-Nyquist）及多載波傳輸（每個(gè)子載波有各自整形和編碼）等多種技術(shù)，針對(duì)實(shí)際網(wǎng)路中的特定問(wèn)題，規(guī)劃不同的技術(shù)組合，以解決實(shí)際傳輸信道瓶頸并提升傳輸性能。

由此，在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳輸性能可以盡可能地逼近實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的性能指標(biāo)。今天，CMS已經(jīng)在華為最新的超高速光傳輸平臺(tái)上得到應(yīng)用，用于支持業(yè)界最高性能的單波100G~600G速率可調(diào)光模塊。

光網(wǎng)絡(luò)中的另外一個(gè)重要趨勢(shì)是，網(wǎng)絡(luò)功能不同程度的分離，如線路終端和光線路系統(tǒng)、物理層和控制層的分離。這一趨勢(shì)仍在激烈的討論中，并認(rèn)為非常適合數(shù)通網(wǎng)絡(luò)，尤其適合數(shù)據(jù)中心短距離互聯(lián)應(yīng)用。但這需要運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)額外的管理和維護(hù)成本，以實(shí)現(xiàn)基于SDN對(duì)于通用網(wǎng)元的直接統(tǒng)一管控（而原本這些工作是由系統(tǒng)集成商完成的）。

另外，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化需要依靠物理層和控制層的聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化，這種分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商們無(wú)法充分享受到光網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化所帶來(lái)的好處。

具體來(lái)說(shuō)，自治和自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)將越發(fā)依賴人工智能（AI）來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并預(yù)測(cè)潛在故障事件，如光路重路由或信道容量降級(jí)。這些預(yù)測(cè)及行為必須以用戶無(wú)感知的方式運(yùn)行，例如利用網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)段規(guī)劃重路由的維護(hù)窗口，升級(jí)線卡或是在業(yè)務(wù)中斷之前清除潛在故障。

這將非常依賴于先進(jìn)的光層遙測(cè)技術(shù)，并且需要以極低的成本收集海量光網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（如跨段損耗、OSNR或光纖非線性效應(yīng)等），類似華為的AI神經(jīng)元這樣的功能模塊將起到至關(guān)重要的作用。

圖三：內(nèi)嵌了AI神經(jīng)元的華為最新高速傳輸系統(tǒng)，采集大量光層狀態(tài)參數(shù)來(lái)支撐AI網(wǎng)絡(luò)控制

如圖三所示，AI神經(jīng)元能夠協(xié)助收集大量的光層狀態(tài)參數(shù)，并將這些參數(shù)從物理層傳遞到管控層，以使能智能化的網(wǎng)絡(luò)控制。

這意味著，在一定程度下保留物理層與管控層的集成，將有助于運(yùn)營(yíng)商在光網(wǎng)絡(luò)獲得更好的可視化管控效果，進(jìn)而通過(guò)AI實(shí)現(xiàn)智能管理和鏈路性能提升。否則，光網(wǎng)絡(luò)若只是被視為具有標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控接口的通用IT網(wǎng)元，這些獨(dú)特的智能化優(yōu)勢(shì)則難以實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合光器件的創(chuàng)新，光網(wǎng)絡(luò)的線路速率將進(jìn)一步邁向800Gbps的城域應(yīng)用和單波400Gbps長(zhǎng)距傳輸。隨著單波速率提升至800Gbps，系統(tǒng)將變得更加復(fù)雜，需要我們做出更多的權(quán)衡取舍。

?一方面，如果采用更高階的調(diào)制碼型，會(huì)讓系統(tǒng)對(duì)于噪聲更加敏感，可能犧牲傳輸距離。

?另一方面，如果將波特率提高到95Gbaud以上，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)在100 GHz信道上進(jìn)行傳輸，此時(shí)必須使用一些更先進(jìn)的壓縮技術(shù)。

展望未來(lái)，以太網(wǎng)交換機(jī)ASIC容量大約每?jī)赡攴槐叮虼耍瑢?shí)現(xiàn)1.6Tbps的線路速率應(yīng)該不會(huì)太遙遠(yuǎn)。在這個(gè)容量節(jié)點(diǎn)上，可能需要對(duì)相干接口進(jìn)行一些重大改變，例如使用廉價(jià)的激光器件進(jìn)行多載波光子芯片集成，放棄可插拔概念，以及嘗試光電集成封裝技術(shù)等等。屆時(shí)，網(wǎng)元之間的界線可能會(huì)進(jìn)一步變得模糊甚至消失。