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      光通信的五年回顧與未來發展展望
      來源:今日頭條--光電匯 | 作者:唐雄燕 | 發布時間: 2021-07-02 | 145 次瀏覽 | 分享到:

      引言

      隨著數字經濟的蓬勃發展,2019年我國數字經濟規模達到35.8萬億元,占GDP比重為36.2%,增幅達16.2%。預測2020年我國數字經濟規模將達到41.6萬億元,占GDP比重達到41.5%。我國“十四五”規劃建議明確提出要加快數字化發展,推進數字產業化和產業數字化,推動數字經濟和實體經濟深度融合。


      “新基建”作為支撐經濟社會數字化轉型的基礎設施,是發展數字經濟的重要引擎?!靶禄ā庇袆e于“鐵路、公路、機場”等傳統基建,是以ICT和數字化為特征的新型基礎設施。2020年4月國家發改委明確了“新基建”的內涵,包括三類基礎設施。


      一是信息基礎設施。主要是指基于新一代信息技術演化生成的基礎設施,包括以5G、物聯網、工業互聯網、衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施,以人工智能、云計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施,以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等。


      二是融合基礎設施。主要是指深度應用互聯網、大數據、人工智能等技術,支撐傳統基礎設施轉型升級,進而形成的融合基礎設施,如智能交通基礎設施、智慧能源基礎設施等。


      三是創新基礎設施。主要是指支撐科學研究、技術開發、產品研制的具有公益屬性的基礎設施,如重大科技基礎設施、科教基礎設施、產業技術創新基礎設施等。


      新基建將驅動信息通信網絡的升級換代,從而為光通信的發展創造新的機遇。光通信作為推動和支撐信息通信業務和數字化發展的基礎,必將順應業務需求的新變革而獲得發展新動能。


      如為支撐5G發展,需要構建新一代的5G傳送承載網絡;為滿足視頻驅動的流量增長,需要建設超高速傳送與接入網絡;為更好地服務產業互聯,需要打造能承載低時延/高質量專線業務的政企光業務網;為了適應ICT云化轉型趨勢,需要新一代的數據中心光互聯技術和產品,并需要發展SDN與AI使能的智能光網絡以更好地服務云計算;為激發產業活力,需要推動光網絡開放,構建開放產業生態。


      “十三五”期間我國光通信發展回顧


      過去5年我國信息通信業的高速發展舉世矚目,無論是通信網絡規模、通信用戶數還是通信設備制造規模都穩居全球第一。光網絡作為信息通信發展和經濟社會數字化轉型的基礎支撐,更是取得了長足進步。


      1)全光接入網全面建成

      過去5年,在“寬帶中國”戰略的指引下,我國大力推進光進銅退,光纖接入網迅猛發展,全光接入網全面建成,固定寬帶接入速率不斷提升。光纖接入(FTTH/O)在固定寬帶接入中的占比由2015年的不到60%多提升到2020年的近94%,光纖接入端口達到8.8億個,在全球一枝獨秀。


      固定寬帶接入速率由以10 M以下為主提升到以100M以上為主。2015年,8M以上寬帶用戶占比不到70%,到2020年,100Mbps及以上接入速率的寬帶用戶占比達到近90%。千兆接入開始啟航,2020年我國1000Mbps及以上接入速率的用戶數達640萬戶,比上年末凈增553萬戶。


      2)全光網和移動網建設帶動光纖光纜產業大發展

      2015年,全國光纜線路總長度為2487萬公里;到2020年,全國光纜線路總長度達到5169萬公里,翻了一番多。尤其是隨著全光接入網和4G的大規模建設以及2020年5G的規模發展,接入與本地光纜增速迅猛,接入光纜占比超過62%。


      在需求增長的刺激下,各大光纖光纜廠商競先擴大產能,并加大技術創新,很好地滿足了我國信息通信業發展需要,我國也成為了光纖光纜光棒產能占全球半壁江山的制造大國。但隨著光纖光纜產能的擴大,供需關系局部失衡,集采價格下降,市場競爭更加激烈。


      3)100G光傳輸網大規模部署,并由長途走向本地

      100G系統是“十三五”期間光傳輸網建設的主力軍。過去5年100G光傳輸系統不但在長途骨干網得到大規模商用,并拓展到本地網層面。以中國聯通為例,2014年啟動100G系統的大規模商用。今天100G WDM已成為一、二干通信業務的主要承載平臺,實現了全國覆蓋,并擴展到本地網。


      中國聯通于2016年開始進行本地網層面的100G規模部署,目前100G OTN系統已覆蓋全國300多個本地網。并推動波分系統下沉縣鄉,2015年覆蓋鄉鎮5千多個,2020年預計覆蓋1.2萬多個,鄉鎮波分覆蓋率達到37%,其中聯通作為主體運營商的北方10省鄉鎮波分覆蓋率達到72%。


      4)ROADM組網進入規模商用

      隨著傳輸速率不斷增長,對節點交叉能力的要求也越來越高。大容量電交叉的功耗問題愈加突出,全光組網受到更大重視,基于OTN/WDM/ROADM技術的智能光電混合組網成為組網趨勢。利用波長級光層路由、子波長級電層調度、光電協同組網,再加上SDN和WSON的智能控制功能,可以大大提升光網絡效率、品質和服務能力。


      2017年,中國電信開始長三角ROADM網建設,拉開了我國ROADM全光組網的大幕。2018年,中國聯通啟動京津冀ROADM網建設。中國聯通京津冀ROADM網絡共有31個ROADM主節點與6個局間延伸節點,采用了CD-ROADM(20維WSS),現已全面投入運行。2019年,中國聯通又開始建設長三角ROADM區域網和珠三角ROADM區域網,這幾張ROADM網將構建起中國聯通東部ROADM區域網。近年,中國聯通還在部分省干和重點城市核心匯聚層部署了多個ROADM網絡。


      5)政企專線業務增長驅動OTN光業務網發展

      長期以來,光傳送網主要是作為支撐運營商電話與數據業務的基礎網絡而存在,是運營商業務網的配套。但隨著云服務和產業互聯網的發展,政企專線業務快速增長,光傳送網作為直接服務于客戶的專線業務網絡的作用凸顯。


      我們將基于光傳送網的資源出租(專線,VPN/切片)網絡定義為光業務網?;趥鬏斁W絡承載專線的光業務網在業務隔離性、安全性、低時延、低抖動、高可靠等方面具有天然優勢。隨著MSTP逐步退網,OTN成為運營商面向大帶寬及硬管道需求的專線業務的最佳承載手段。


      2016年中國聯通推出了基于OTN和SDN技術建設的SD-OTN金融專網,受到了金融、證券等高端客戶的歡迎。并于2019年將其擴展為中國聯通全球政企精品網,面向政企客戶量身定制高帶寬(10M-100G)、高可靠、高安全、高私密性的專屬智能專線產品。中國移動和中國電信也先后于2018年和2019年發布了OTN政企專網。


      光通信發展趨勢展望


      2020年,在抗擊新冠疫情的同時,5G開始規模建設并將成為未來幾年信息通信行業的焦點。5G也是我國“新基建”的龍頭,對經濟社會發展和科技競爭有著重大影響。


      2020年我國新建5G基站60萬個, 5G基站數累計超過71.8萬,其中中國電信和中國聯通共建共享5G基站超33萬個,5G網絡已覆蓋全國地級以上城市及重點縣市,5G終端連接數超過2億,占全球的85%。


      2021年,我國將繼續積極穩健地推進5G發展,擬新建60萬5G基站。從流量看,由于新冠疫情影響,線上生活、學習和工作成為了新常態,短視頻、直播等大流量應用場景拉動移動互聯網流量迅猛增長。2020年,移動互聯網接入流量消費達1656億GB,比上年增長35.7%。2020年全年移動互聯網月戶均流量(DOU)達10.35GB,而5年前的2015年僅為0.38GB。未來5G及其帶動的視頻業務必將驅動網絡流量的進一步增長,為光通信增添更強勁的發展動力。


      1)5G傳送承載

      5G基站理論峰值約為4G的25倍,理論均值約為4G的15倍,必然帶來更高帶寬的傳送承載要求。5G前傳接口速率以25 Gbps為主,對于100 MHz頻譜,每個基站需要6個25G光模塊;對于中國聯通與中國電信共建共享下的200 MHz頻譜,每個基站站需要12個25G光模塊;未來還要進行4G頻率(2.1 GHz頻段)重耕,進一步增加對前傳接口的需求。


      如果采用光纖直驅,將消耗巨量光纖資源。因此,WDM成為提高纖芯利用率、緩解光纖資源消耗的必然選擇。但是具體采用什么WDM技術,是目前業界研究和討論的熱點。成本與可維護性是兩大關鍵技術決策要素,需要統籌考慮網絡建設成本和整個生命周期中的維護成本。CWDM價格低廉,初期被大量采用,但只有6波,且可維性差,難以滿足5G前傳長遠發展要求。


      中國電信和中國移動分別提出12波的LAN-WDM和MWDM方案;中國聯通推動面向低成本城域DWDM的G.metro(G.698.4)前傳方案,采用波長可調諧DWDM光模塊,具備端口無關、波長自適應特性,系統容量大,且極大簡化了網絡建設和運維,但近期成本還較高。從部署方式看,為便于建設和維護管理,前傳WDM將采用DU側有源、AAU側無源的半有源方式。


      對于5G回傳,三層IP技術是基礎,SR、IPv6、FlexE硬切片、確定性網絡成為5G回傳網絡的技術關鍵,且IP技術與傳統光網絡技術在理念和技術上互相參考和借鑒,SRv6是未來承載網技術重要方向。


      2)超高速傳送與接入

      骨干、城域、DC內部以及接入網的帶寬不斷提升,對更高傳送速率的追求是光通信發展的永恒動力。


      一是可以通過擴展光纖傳輸頻譜、增加波道數來提升容量,可以從傳統的C波段擴展到C+L波段,并進一步向全波段拓展。


      二是提升單波的傳輸速率,在100G廣泛部署的基礎上,基于保持中繼距離不變的要求,200G成為長途干線傳輸的現實選擇和新趨勢,而對于距離較短的城域傳送則可逐步引入400G以上的更高速率。


      中國聯通2017年開始200G DWDM系統試點,2019年率先在骨干網部署商用,包括32G波特率的16QAM系統和64G波特率的QPSK系統。而城域網為應對網絡云化和數據中心互聯帶來的容量快速增長,需要逐步引入400G/600G/800G等更高速系統,并傾向采用可插拔光模塊,以獲得更高集成度和更低功耗。


      光纖非線性效應和鏈路損耗成為400G及以上超高速長距離傳輸的主要限制因素,為此需要部署低損耗、大有效面積的新型光纖G.654.E,其可提升200G/400G骨干線路傳輸距離50%以上。


      近年中國聯通聯合光纖光纜廠商積極推進G.654.E光纖的標準化并開展技術試驗,取得了可喜進展。中國聯通2017年建成全球首個G.654E試驗網,驗證了復雜陸地環境(管道與架空)下G.654.E光纖光纜性能以及超100G傳輸能力。目前國內外多個光纖公司均已可規模提供G.654.E光纖,中國聯通、中國電信、中國移動及部分海外運營商,已開始G.654.E光纖光纜網絡的商用部署。


      在追求高速傳輸的同時,如何降低設備成本也成為重要的考量因素,尤其是對于城域邊緣接入層及縣鄉網絡環境,需要引入低成本100G技術以及低成本低維度的邊緣ROADM技術(以3-4維為主),實現簡單靈活組網。


      千兆接入成為FTTH寬帶用戶發展趨勢。2020年,中國聯通向用戶推出了包括千兆5G、千兆WiFi和千兆FTTH的 “三千兆”業務,服務經濟社會數字化轉型。10G PON是今天光纖接入的主流技術手段,為順應用戶接入速率進一步提升的要求和使PON在5G小基站接入中發揮作用,產業鏈正在共同推動50G TDM PON標準化和技術發展。


      3)光網絡的智能化與服務化

      本世紀初就開始了智能光網絡(ASON)實踐,但主要是依賴傳統網管和分布式控制技術。近年來軟件定義網絡SDN的興起為網絡智能化提供了有力手段,成為了網絡轉型新趨勢,軟件定義光網絡SD-OTN也推動智能光網絡邁向新臺階。


      SDN實現了網絡轉發與控制分離,并實現集中控制。隨著企業上云和高品質政企專線業務需求的持續快速增長,光傳送網將越來越多直接面向用戶提供專線業務,因此對網絡服務的靈活性和敏捷性要求越來越高。


      通過引入SDN技術將有效提升OTN的服務能力,可快速開通電路并能靈活調整帶寬、時延,還能提供用戶自助服務。鑒于目前OTN設備開放性不夠,設備管控系統通常由設備廠家提供,實現對本廠家設備組成的子網管控,運營商自主研制OTN協同器,實現多廠商環境下的自動業務編排和協同。


      隨著人工智能(AI)發展,引入AI技術將能夠進一步增強光網絡智能化,可以利用機器學習進行光網絡的性能優化以及故障自動診斷和處理,如基于智能規則分析和挖掘,可以實現光傳送網的告警根因溯源,對網絡維護和規劃有很好的支撐作用。


      產業互聯網發展對網絡確定性、可靠性和高質量的要求加大,光業務網的重要性凸顯。光網絡通常適合提供高速專線業務,為適應產業互聯網對各類帶寬的靈活需求,可以通過光業務單元(OSU)技術實現基于2 Mbit/s顆粒度的靈活高效承載。為增強光網絡的彈性,還需要發展面向全光業務網的新型智能控制協議來適應云光一體服務的新要求。


      4)開放光網絡

      長期以來,通信設備體系較為封閉,尤其是光網絡設備都是由傳統設備商研發和集成,不利于產業生態繁榮和開放創新。通信設備開放和解耦成為促進產業創新、降低設備成本的重要趨勢。尤其是在云服務商的推動下,數據中心互聯率先采用了開放光網絡技術。


      開放光網絡基于模塊化設計,各個功能模塊可以獨立發展和升級,便于更快地引入新技術和促進產業競爭,從而降低設備成本。運營商和用戶對網絡可以有更強的控制,有助于加速網絡服務創新。開放光網絡尤其適用于城域組網的低成本、低功耗、高集成度、易擴展的服務器式設備形態。


      中國聯通已啟動模塊化WDM設備商用,完成了多個廠家的設備測試評估,驗證了多個廠家的光層/電層解耦可行性。開放光網絡不但可以避免廠商鎖定,增強產業活力,降低網絡成本,加速業務創新,也順應了網絡云化的大趨勢。


      光通信的進一步發展離不開光纖、光電子等基礎技術的進步,硅光技術為降低器件成本提供了重要手段,已顯示了良好的市場前景。作為新一代傳輸媒介技術,多芯少模光纖成為了研究熱點,有望為光通信開辟新的發展空間。在新形勢下,更需要產業鏈各個環節協同創新,實現我國光通信科技的自立自強,為數字經濟騰飛打造自主可控的全光底座,賦能千行百業、千家萬戶的高質量聯接。


      作者簡介:

      唐雄燕,中國聯通研究院首席科學家,兼任北京郵電大學兼職教授、博士生導師,20余年的電信新技術新業務研發與技術管理經驗,主要專業領域為寬帶通信、光纖傳輸、互聯網、物聯網與新一代網絡等。


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