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面向网络创新(SDN与NFV)的光子与电子硬件融合趋势

供稿人:李远东  供稿时间:2016-2-16   关键字:网络虚拟化  SDN  NFV  光子技术  电子设备  硅光子  

随着5G(第五代移动通信)时代的到来、物联网应用与大数据分析等不断普及,需要底层基础网络承载的数据流量将持续呈指数级增长态势。为大幅提高未来5~10年内通信网络的容量,同时大幅降低通信网络的建设成本与维护成本,“研发高级硬件技术”就成为业界的努力方向,从而,“面向网络创新(SDNNFV)的光子与电子硬件融合”就成为刚兴起的发展趋势[1]。本文对其进行详细介绍。

 

1、网络数据流量将会持续呈指数级增长态势

 

全球范围内,随着智能手机等移动智能终端的市场普及率的迅速提升,基础网络所承载的数据流量呈现出指数级增长的态势。预计在接下来的十年,网络数据流量总量将有望再增长10倍。

 

此外,将有望在2020年开始得到初步商用的5G(第五代移动通信)网络目前正得到快速发展——具体地,全球移动通信业界正努力研发相关技术,以大幅提高下一代移动通信系统在单位面积地域(每平方公里)内的容量——其目标为:相比于现在4G LTE系统的相关数值提高999倍。

 

另外,IoT(物联网)也在全球范围得到加速发展。最近的一大热词是工业4.0”,其所指的是通过部署各类传感技术、信息与知识处理技术、控制优化技术,来提高制造与服务的效率。可以预计的是,最终,有关人类活动、物体与环境等的近乎天量的数据将需要通过底层基础网络进行传送,并将被后续处理、分析,提供以机器学习为驱动的大数据服务。

 

再次,计算虚拟化与网络虚拟化技术不断得到部署应用,这就意味着对于巨量的网络数据的处理,将会发生于各个数据中心的云端环境之中。预计从2013年到2018年,全球数据中心所处理的IP数据流量将会增加两倍,而且其中高达75%将会是数据中心的内部流量。

 

2、光子与电子技术的融合趋势:面向网络创新的元件技术

 

一个光纤网络是结合部署有光子技术与电子技术的庞大系统,其组成包括光收发模块、节点设备(电交换机、电路由器、光交换机、光路由器)和服务器等。通常,这些设备中既包含电子硬件,还包含光学硬件。

 

对光子与电子技术进行融合的理念如图1所示,其中主要包括三个层次:对光通信系统中的光、电部分所承担的角色进行分离;光、电部分的相互增强;光与电在设备层面的融合与统一。

 

1

光子与电子技术的融合发展趋势[1]

 

通过对传输技术进行创新(比如时分复用TDM与波分复用WDM)、对光学设备与电子设备进行创新,光纤网络通信不断得到进一步演进。其中,数字相干技术是一种革命型的理念:每个波长通道的数据传输速率可高达100 Gbit/s、传输距离已突破数千公里。另外,采取最先进半导体处理技术(数字信号处理)的LSIs(大规模集成电路)能够抑制/消除光纤网络信道中的各类噪声与性能波动,其使得光纤通信网络的性能能够达到此前单独对光学设备或电子设备进行演进升级所不能达到的性能水平。预计在未来,对光子技术与电子技术进行融合(包括数字信号处理)可产生更大的协同效应与优势互补效应,从而,将可把网络创新推向更高的层次。

 

其中演进的一大方向是设备层面的融合。比如,硅光电子技术将有望带来电信硬件的一次变革:通过高度集成光学设备与电子设备,来增加电信设备的功能并减小其尺寸、降低其成本与功耗。

 

目前,对于光子技术与电子技术的融合,主要有三大研发方向:(1)通过部署可实现光子技术与电子技术相融合的前沿技术,最终提高光纤通信网络的容量;(2)可大幅降低成本与功耗、并可进一步提高网络容量的相关技术。尤其,这种技术将有望大幅提高诸如数据中心的经济效率与能量利用效率;(3)利用SDN(软件定义网络)技术,研发可实现网络虚拟化的硬件技术,以期降低网络建设成本与运维成本。

 

具体如图2所示:

 

2

光子与电子技术融合型网络的硬件技术[1]

 

3、可最终获得高符号率、高容量的硬件技术创新趋势

 

为了提高光纤通信网络的容量,需从三个维度去演进相关技术:调制阶数、子载波数目、符号率。例如,最新的数字相干光通信系统通过采取16 QAM调制技术,并复用两个子载波,获得了高达400 Gbit/s的传输速率。在上述3个具体的技术创新方向之中,旨在提高符号率数值的技术研发可在相同调制阶数与子载波数目的情况下,提高光纤通信系统的容量,从而在应用于超高容量收发器件方面具有优势。现有100 Gbit/s数字相干通信系统所能达到的最大符号率为32 G波特,相关研发还在继续,以期进一步提高符号率数值与系统容量。目前,有发展前景的解决方案为:对InP(磷化铟)集成电路与OTDM(光时分复用)进行转换。

 

1)对可大幅提高通信系统容量的SDM(空分复用)技术的深入研发

 

为了突破传统单模光纤的物理极限,大幅提高其数据承载容量,业界正在进一步研发空分复用SDM技术。SDM技术可通过最大限度地利用单纤中的空间自由度,将单纤的传输容量提高几十倍。采取SDM技术,需要使用多芯光纤(在单根光纤中含有多个纤芯),或者在单芯中进行多模传输(多个波道模式)。

 

业界目前进行的SDM技术研发工作包括采取EDFAs(掺铒光纤放大器)进行光信号放大以实现长距离的多芯以及/或者多模传输、用于与单模光纤及多芯光缆进行分支或混合的连接型器件、可对单芯光纤内各模式波导之间的光信号干扰进行补偿的信号处理技术。

 

2)对无噪声光纤的研发——挑战香农极限

 

根据香农极限理论,通信系统的容量满足以下公式:

 

C=B×log21+S/N

 

其中:C为通信系统的容量、B为工作频段的物理带宽、S为工作带宽B内的平均信号功率、N为工作带宽B内的噪声功率分布。从上述公式可直观看出,提高信号功率S的数值,就可提高通信系统的传输容量。

 

但是实际上,当输入的光信号功率大到一定程度时,光纤的非线性效应将会使光信号产生失真,噪声功率N就会增大,光信号的SNR(信噪比)数值就会降低。因此,降低噪声信号功率N就成为提高光通信系统传输容量的关键。而现实情况却不甚令人满意:即使在理想的环境之中,部署了EDFAs之后,光通信系统的噪声增大,可导致SNR数值降低高达一半的程度。

 

为解决这个问题,业界正在研发能提高光通信系统SNR数值的解决方案,比如采取PSAPhase Sensitive Aamplifier,相位敏感放大器。可被简称为相敏放大器)技术。PSA可通过PPLN(周期轮询铌酸锂。一种非线性的光学材料,具备高度的非线性效应)设备进行参量/参数放大。从而,在光通信系统中部署了PSA放大器之后,就可在不损伤/降低信噪比数值的前提下对光信号进行放大(理论上是可行的),而且可把光信号的物理传输距离提高一倍(理论上)。

 

4、面向经济型网络创新的硬件技术研发——降低电信硬件的尺寸、能耗

 

1)设备层面的光子-电子技术融合创新:硅光子

 

硅光子就是一种把电子电路与光电路/组件集成/整合于单个硅晶片的技术。该技术的主要优势之一是其使得超紧凑光电路的诞生将成为可能。这是因为,相比于目前光电路中普遍使用的二氧化硅,硅光子的波导与曲率都要小好几个数量级,从而就将可把光电路的尺寸从厘米级别降低到毫米级别。

 

此外,把硅光子与目前得到普遍应用的大规模CMOS(互补型金属氧化物半导体)数字电路进行集成/整合,还将可进一步生产出一种理想的光子-电子融合型SoC(片上系统),而且外形尺寸更小、成本也将更低。

 

据称,日本NTT集团在硅光子研究领域处于领先地位,其所取得的前沿技术成果包括基于硅光子的多并行集成式WDM(波分复用)接收机及其他先进设备。

 

目前,阻碍硅光子获得广泛应用的最大障碍是硅本身的发光能力极低。为解决此问题,有研究机构正在研发真正的硅光子。

 

2)设备层面的光子-电子技术融合创新:数字化的物理原型样机

 

大幅降低电信硬件的成本所面临的一大障碍是设计光子-电子技术融合的复杂度。图3所示的光收发器既包括光学设备,也包含电子设备。在传统的设计流程中,对于光电路仅进行性能预估及简单建模,然后把相关结果输入电子电路仿真器,以对系统的整体性能进行评估。但是,对整个系统的性能进行准确预估是很困难的,从而就需要制造能进行重复测试的设备。但此过程会增加设计与制造的成本。

 

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一种光收发器的示例[1]

(注——AD:模拟信号转数字信号;DA:数字信号转模拟信号;TIATrans-impedance amplifier,跨阻放大器,其可把由光传感器(光电二极管)所产生的电流转换成电压信号)

 

于是,业界有研究机构就正在研发数字化的物理原型样机,以期高精度地预估光子-电子技术融合型电信硬件的性能,消除制造一系列测试设备的需求。

 

在未来的硅光子时代,光电路与电子电路之间的边界将会变得模糊(无论是物理上还是功能上)。数字化的物理原型样机技术将有望助力业界设计出具有最高性能、更低成本的光子-电子技术融合型电信设备。

 

5、可延伸数据中心可扩展性的超快速光交换设备技术

 

大型数据中心一般被用于支撑云计算及进行大数据处理。这些大型数据中心里,架设有成千上万台服务器,而且服务器之间常用大量的网络节点(二层/三层交换机与路由器)进行层级式的连接(即数据中心网络)。目前所面临的严重问题是:大量、多层的数据中心网络节点设备会产生较大的延迟以及很大的功耗。这是由于,目前在用的路由器与交换机是由集成电路/芯片所构成的电子设备。而由于摩尔定律的存在,仅通过提高数据处理与转发速率、降低电路功耗的方式,越来越难以解决上述问题。

 

为此,业界正在研发可进行高速光分组交换的光子数据中心网络解决方案,其中,光数据采取逐包交换机制(以光子交换机/路由器代替传统的电交换机/路由器)。所研发的低延迟光分组交换设备消除了传统的光/电信号转换环节,从而可降低一部分的延迟。据称,NTT集团正在进行光分组交换技术的前沿研究,并提出了一种混合型的光/电分组路由器解决方案——其主要融合了一种超级快(纳秒级别)的光交换设备与一个电子缓冲器(集成电路闪存)。

 

6、面向先进SDN(软件定义网络)与虚拟化的硬件技术

 

目前,全球业界对于网络虚拟化技术的研究,已经把目标转向为降低基础网络的建设成本与维护成本。目前,网络功能常与专用电信硬件紧密耦合,而在将来部署了NFV(网络功能虚拟化)技术之后,网络功能就可被解耦出去,以软件的形式部署和运行于标准化的通用硬件设备(比如服务器)之中。此种虚拟化所能带来的效益包括:可对网络资源进行灵活分配、可进行快速的服务配置与修改、可降低硬件成本等。

 

在未来虚拟化的电信网络之中,通用型服务器将采取最为先进的微处理器。但是,半导体性能的未来速率演进将会落后于网络容量的增长。随着网络数据容量正在进入太比特时代,预计将难以通过NFV技术的灵活性来获得所需的数据速率与功率效率。

 

为此,业界有机构正在研究可用于网络虚拟化的硬件/软件联合设计技术,具体而言是一种硬件加速器技术。其中,成为提高性能速率的瓶颈的那些功能被仔细地选择出来,并以更为硬连线的方式进行部署,以提高部署于通用型服务器中的NFV的成本性能。

 

 

参考文献

 

[1] Shinichiro Mutoh, Hirokazu Takenouchi, Hideyuki Nosaka, Toshikazu Hashimoto, Akihiko Miyazaki. R&D Trends in Convergence of Photonic and Electronic Hardware for Network Innovation [EB/OL].https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr201601fa1.pdf&mode=show_pdf, 2016-01-30.

 


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