“东数西算”助推光纤升级换代，G.654.E光纤迎来高速增长

2022-04-18 17:26

作者：信息光子学和光通信国家重点实验室，北邮华飞研究所李春生

摘要：数字经济是国家高质量发展的抓手，东数西算是推动国家数字经济发展的重要战略举措。东数西算骨干网络需要高性能的光纤，必将推动传统光纤的升级换代，G．654E光纤将迎来高速增长机会。

早在2016年10月，习近平总书记就强调要加大投入，加强信息基础设施建设，推动互联网和实体经济深度融合，加快传统产业数字化、智能化、做大做强数字经济，拓展经济发展新空间。同时指出要建设全国一体化的国家大数据中心，推进技术融合、业务融合、数据融合，实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。2021年10月18日，习近平总书记在主持中共中央政治局第三十四次集体学习时再次强调要加快新型基础设施建设，加强战略布局，加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施，打通经济社会发展的信息“大动脉”。

1．数字经济和东数西算

数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态，是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态。当前数字经济发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深前所未有，正推动生产方式、生活方式和治理方式深刻变革，成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。“十三五”时期，我国深入实施数字经济发展战略，不断完善数字基础设施，加快培育新业态新模式，推进数字产业化和产业数字化取得积极成效。2020年，我国数字经济核心产业增加值占国内生产总值（GDP）比重达到7．8％，数字经济为经济社会持续健康发展提供了强大动力。2021年3月11日，十三届全国人大四次会议表决通过关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议。3月12日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》（以下简称《纲要》）公布。《纲要》提出，“十四五”时期，我国数字经济转向深化应用、规范发展、普惠共享的新阶段，加快构建全国一体化大数据中心体系，强化算力统筹智能调度，建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群。

图1 东数西算枢纽节点布局

2022年2月17日，国家发展改革委高技术司宣布8个国家算力枢纽节点和10个国家数据中心集群完成批复，全国一体化大数据中心体系完成总体布局设计，“东数西算”工程正式全面启动（见图1）。所谓“数”指数据，“算”是算力，即对数据的处理能力，“东数西算”是通过构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系，将东部算力需求有序引导到西部，优化数据中心建设布局，促进东西部协同联动。按照大数据中心全国一体化布局，8个国家算力枢纽节点将作为我国算力网络的骨干连接点，发展数据中心集群，开展数据中心与网络、云计算、大数据之间的协同建设，并作为国家“东数西算”工程的战略支点，推动算力资源有序向西转移，促进解决东西部算力供需失衡问题。

2．东数西算干线光纤的选择

东数西算网络布局空间跨度大，数据传输更为频繁，用户对时延要求更高，现有骨干网络的性能难以胜任。事实上随着数据流量不断增长，传统承载网的数据传输和带宽压力不断增加，骨干网传输速率将从100G不断向200G／400G等更高速率升级。根据预测（见图2）：未来2年，超100G网络在整体市场份额中将超过60％，并且400G＋将成为超100G网络的主流应用。中国移动研究院专家表示，从骨干网层面来看，单波400G即将开启，并进入长周期。因此，提前部署支持200G、400G系统的光纤光缆产品是建设高速信息网络的基础。但是，现网中使用的G．652光纤，已经无法满足未来光传输网络超高速率、超大容量、超长距离的传输需要。

全球超100G网络市场预测

图2．全球超100G网络市场预测

从技术层面看，增加网络容量的有效方式是提高频谱效率，如通过高阶调制或者提高单波的波特率等方式，将现在的100G网络升级为200G甚至更高的速率如400G。然而提升频谱效率的这些方式都会导致系统对光信噪比更高的要求，从而降低系统的传输距离，这极大的限制了长途传输网络的性能。当运营商的网络向更大容量升级时，若采用常规方式则需要使用更多的中继站或拉曼放大器，但这些方式将导致额外高额的投资。事实上提高网络传输性能是一个系统工程，如400G长距离传送面临香农极限、高波特率器件（高速、高性能）、超宽频谱资源技术（C＋L）等关键挑战。解决香农极限难题的手段就是提高光信噪比，一般有三个途径：一是增大光纤的有效面积Aeff，目的是提升入纤功率；二是降低光纤链路衰耗；三是降低光纤放大器噪声系数。因此业界开始探讨使用更具有性价比的新型光纤技术来支持高速传输系统，兼具有超低损耗和大有效面积特性的光纤可以支持高速系统传输更远距离和更长跨段。2016年ITU－T讨论通过了G．654E光纤标准，这种新型的光纤与常规G．652光纤相比，有效面积更大（见图3），截止波长更长（1530nm），对C波段的传输性能进行了优化，也具有支持未来L波段的能力。中国移动研究院研究结论认为G．654．E相比G．652．D，链路衰减平均改善约0．02dB／km，光缆自身衰减平均改善约0．02dB／km。此外，G．654E相比同缆的G．652．D，承载的同速率系统OSNR余量均有提升（1．82dB－2．78dB），入纤功率均有约1dB的提升。因此，从超高速传输技术发展来看，兼具低非线性效应（大有效面积）和低衰减系数的G．654．E光纤是200G、400G及未来Tbit／s超高速传输技术的首选光纤。中国电信和中国联通技术部门的研究结论基本和中国移动一致。在建立400G光系统的过程中，光纤依然是最基础的资源，为了配合400G时代的开启，需要加快G．654．E新型光纤的应用、并完善工程部署规范要求。

图3 普通光纤和低损耗及超低损耗光纤结构图

3．运营商G．654E光纤的应用探索

一直以来，国内三大运营商都在积极推动G．654．E光纤的测试和商用，其中最为积极的当属中国联通，不断携手业界应用、推广G．654．E光纤。2015－2017年，中国联通分别在东部干线网络和西部干线网络开展试点，其中东部试验网选择了带宽需求量大、最有可能优先部署400G技术的山东济南－青岛，光缆长度约430km，在验证人工和气流法布放光缆对大有效面积光纤性能影响的同时，进行400G系统的传输性能现网测试验证。西部试验网选择了工作环境复杂，途径戈壁滩、天山以及草原的新疆哈密－巴里坤段，光缆长度约150km，该地区属于气温年较差大、日较差大和风力较大的大陆性气候区，光缆的实际运行温度在－30℃到60℃，风力可达12级，可以充分验证架空敷设工艺对大有效面积光纤的影响、较恶劣环境下长期运行的光缆的性能。试验不仅验证了新型光纤对于400G系统传输性能的提升。从施工和运维角度还验证了采用与G．652．D光纤相同的敷设及熔接接续方法，新型光纤仍然有着相近的性能，衰减系数上，保持了良好的性能，并未发生由于施工和接续带来性能上的劣化；同时也不用改进和新增相应设备，从而不会带来运营商在引入新型光纤光缆后的维护成本增加。此次试验长飞提供了超低衰减大有效面积光纤，光纤衰减典型值0．167dB／km；链路衰减0．173－0．175dB／km。

中国电信也积极探索并在业内率先规模引入G．654E超低损耗及大有效面积新型光纤。在技术指标、施工工艺、建设方案和验收规范等方面，中国电信从基础开始，反复论证，经过全面的技术测试和方案论证，制定采购技术规范书和验收测试规范，明确了纤芯直径、有效面积、衰减等一系列技术参数，引导长飞等光缆生产商投入研发实现规模生产。2019－2021年中国电信开展了上海－金华－河源－广州G．654．E光纤光缆试商用工程，全G．654．E部署，实际线路最长2000km、衰减＆le；0．174dB／km、有效面积130＆mu；m2。并基于该光缆进行了单波长400Gb／sDWDM系统超长距传输现网试验。通过现网试验，在G．654E光纤环境中100G、200G、400G等速率均可实现上海－广州的全程无电中继传输，12小时以上连续测试无误码，三周测试期间系统运行稳定。根据现网试验数据进行测算，在满足行业标准和工程规范要求的OSNR余量要求下，采用星座整形PM－16QAM码型的400Gb／s系统可以实现1500km左右的无电中继传输，达到超长距传输系统要求。现网比对测试结果表明，G．654E光缆的应用可以使得系统OSNR相较传统G．652D纤芯环境提升3．5dB，起到延长无电中继传输距离、减少电中继数量和节能降耗等实际效果，对未来单波1T及更高速率传输系统的发展演进提供有力支撑。

在现网工程阶段，中国电信研究院联合相关单位共同努力攻克了光纤熔接设备、测量设备和新型光纤不适配、G654E光纤与G652尾纤模场直径不匹配、恶劣气候及复杂施工环境对光缆敷设、熔接指标造成不利影响等技术难题。同时组织设计院、施工单位、光缆生产商、仪表制造商等产业链上下游企业，协同完成了G．654E新型光纤通用熔接模式的开发和测试，以适配多厂家G．654E光纤熔接；推动三波长OTDR的开发与应用，以全面考察G．654E光纤的性能。中国电信克服疫情等多重困难，在业界率先建成全G．654E陆地干线光缆，通过现网工程积累了丰富的建设和运维经验，为下一步推动G．654E光纤的规模化现网部署和产业链发展奠定了坚实的基础。

中国移动早在2016年在北京－济南－南京线路上也开展了大有效面积超低损耗光纤试商用。光缆采用G．654E＋G．652D的混纤共缆结构。从试验结果来看，G．654E超低损耗光纤的引入，使得无电中继传输距离增加和光中继节点减少，通信系统总体建设成本有望减少20％，维护成本也有相应的减少。

4．G654E光纤将迎来高速增长

G．654E光纤可以实现更远的传输距离、更高的系统容量、更长的跨段距离或更多的系统冗余，从而为长途传输网络带来非常大的价值。运营商从2016年开始的实际应用研究验证结果也充分证明了G．654E光纤的应用价值。这也为电信运营商大规模应用G．654．E光纤以建设下一代骨干网提供了理论和实践上的依据。

2021年11月，中国电信决定在四圈六轴区域重点部署G．654．E光纤光缆，四圈指的是长三角、京津冀、成渝、粤港澳四个经济圈，六轴就是任意两个经济圈的主干连接。2019年的上海－金华－河源－广州G．654．E光纤光缆工程就是长三角与粤港澳的主干连接，规划还有一条走江西的将长三角与粤港澳的主干连接，上海－南京－合肥－武汉－达州将是长三角与成渝的主干连接；武汉－长沙－广州是六轴中新建的一干线路，将全部采用G．654．E光纤。2022年4月2日，中国电信公布2022年干线光缆建设工程（第一批）光缆及配套采购项目G．654．E干线光缆标包，本次共15名投标人参与投标，最终长飞、烽火、中天3家厂商入围。第一中标候选人：长飞光纤光缆股份有限公司；投标报价：181，448，384．74元人民币（含税）。本次中国电信G．654．E干线集采共包括广州－桂林－贵阳、武汉－长沙－广州和北京－五台－太原三条长途干线，采购规模约3621皮长公里，折合约61万芯公里，全部采用G．654．E光纤。这是电信运营商首次将G．654．E光纤在陆地干线网络进行规模化商用，对于G．654．E光纤在骨干网全面推广具有里程碑的重要意义。

同时，中国移动和中国联通也在紧密部署G．654．E干线光缆项目。其中中国移动已于3月18日发布了2022－2023年G．654．E光纤光缆集采公告，采购规模约2134皮长公里，折合33．24万芯公里，将于4月11日开标。

随着我国东数西算工程逐步实施推进，三大运营商2022年投资将侧重于传输网和东数西算工程。光纤光缆作为东西数据的传输通道，制造企业将持续收益于东数西算带来的数据增长，预测将带动光纤光缆行业需求向好。另外我国早期建设的通信传输骨干网按照25年的光纤设计寿命，1997年前后骨干网中敷设的光纤光缆需要全面启动更换升级，也将拉动G．654E光纤的应用。由于G．654E光纤的性能优势，加上规模化应用，G．654E光纤制造成本也会有一定的下降空间。可以预见随着G．654E光纤在骨干网的规模应用，下一步也将会在省际省内线路上得到全面应用，并有可能进一步使用到城域网。G．654E光纤必将取代G．655光纤和G．652光纤成为光纤传输传送承载网络升级换代的首选。这将给光纤光缆行业带来新的市场机会和发展空间。

5．展望

与常规光纤相比，G654．E光纤制造技术难度高、环节复杂，对材料体系的优化配方与制棒工艺及拉丝要求也非常高。随着不断攻坚克难，以长飞为代表的国内G654．E光纤的制造水平取得了突飞猛进的发展，技术水平已经赶超国际先进水平，长飞早在2010年就开始了新型超低损耗大有效面积光纤的研发攻关；2013年，积极推进G．654．E国际标准制定，为G．654．E光纤的产业化规模应用奠定坚实基础；2015年，长飞公司在美国OFC大会期间，面向全球正式发布了“远贝超强超低损耗大有效面积光纤”，成为国内首家、全球第三家拥有该项光纤产品的厂商，也是当时国内唯一一家掌握该项产品生产技术的企业，填补了我国在这项技术上的空白；2018年，长飞公司以超低损耗大有效面积G．654．E “远贝”光纤为标志性产品，申报的“新型光纤制备技术及产业化”项目荣获2017年度国家科学技术进步二等奖。远贝G．654．E光纤已成功应用在中国移动、中国电信、中国联通的多个G．654．E干线光缆线路工程项目，并通过现网400G测试，支持未来10年到20年的网络需求，为5G商用成熟之后的网络带宽需求提供最佳光纤光缆解决方案。最近几年来，长飞等公司G．654．E光纤产品已完全实现从制造设备、生产工艺、关键原材料及相关知识产权的完全自主、可控。今年长飞以第一名中标中国电信G．654．E干线光缆项目，再次体现了长飞公司在G．654．E等新型光纤技术实力和综合实力的行业持续领先地位。事实上中国通信事业的长足发展，给电信运营商带来了持续的活力和发展空间，并最终走在了世界通信行业发展的前列。同时带动了中国网络设备制造和光纤光缆产业的发展，从引进吸收消化到最终超越，使得包括光纤光缆在内的中国通信行业全产业链整体全球领先，为国家通信网络的升级换代提供了可靠坚强的技术和产品保证。随着东数西算的建设实施，中国信息通信事业必将冲破疫情带来的疲弱，迎来一个新的高速发展时代。