10年創(chuàng)新 為中國信息高速公路“提速”
——記北京郵電大學(xué)寬帶光接入與高速光傳輸關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

◎ 文/段雨默 王 鵬

10年創(chuàng)新 為中國信息高速公路“提速”
——記北京郵電大學(xué)寬帶光接入與高速光傳輸關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

◎ 文/段雨默 王 鵬

當(dāng)今時(shí)代，以信息技術(shù)為核心的新一輪科技革命正在孕育興起，互聯(lián)網(wǎng)日益成為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的先導(dǎo)力量，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活，有力推動(dòng)著社會(huì)發(fā)展。

——摘自國家主席習(xí)近平致“首屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)”賀詞

設(shè)備調(diào)測

從窄帶到寬帶，從有線到無線，從銅纜到光纖……一步步走過的中國互聯(lián)網(wǎng)，正用其特有的方式改變著中國。

回顧歷史，1966年，高錕先生發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的研究論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）可應(yīng)用于通信的基本概念，一場劃時(shí)代的光纖通信革命由此到來，對人類社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，他本人也因此獲得了2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

如今，有著通信速率高、中繼距離長等諸多優(yōu)點(diǎn)的光纖應(yīng)用系統(tǒng)，已成為互聯(lián)網(wǎng)中大容量接入與高速傳輸?shù)闹饕鉀Q方案。

2001年，北京郵電大學(xué)組建專門團(tuán)隊(duì)，開始了寬帶光接入與高速光傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究。經(jīng)過多年努力，他們在動(dòng)態(tài)高效光接入技術(shù)和高速高效長距離光傳輸技術(shù)等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)突破，通過產(chǎn)學(xué)研緊密合作融入其創(chuàng)新技術(shù)成果的設(shè)備產(chǎn)品，目前已在國內(nèi)外得到了規(guī)模性應(yīng)用。他們用10年的創(chuàng)新，為“寬帶中國”戰(zhàn)略的推進(jìn)，作出了自己的貢獻(xiàn)。

光網(wǎng)絡(luò)面臨巨大承載壓力

目前，全世界網(wǎng)民數(shù)量達(dá)到30億，普及率達(dá)到40%，世界真正變成了地球村。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣泛普及和各種寬帶業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，寬帶業(yè)務(wù)量和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)快速增長，給作為信息高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的光網(wǎng)絡(luò)（光網(wǎng)絡(luò)是指使用光纖傳輸?shù)膶拵ЬW(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）帶來了巨大的承載壓力，主要體現(xiàn)在接入網(wǎng)的寬帶接入壓力和骨干與城域網(wǎng)的高速傳輸壓力，二者彼此銜接，共同決定用戶的“端到端”帶寬提供能力。

出于對寬帶網(wǎng)絡(luò)的迫切需求與重視，2013年國務(wù)院發(fā)布了“寬帶中國”戰(zhàn)略及實(shí)施方案，明確指出，2020年我國將基本建成覆蓋城鄉(xiāng)、服務(wù)便捷、高速暢通、技術(shù)先進(jìn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

北京郵電大學(xué)寬帶光接入與高速光傳輸關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在2001年前后進(jìn)入這一領(lǐng)域開始相關(guān)的研究工作，當(dāng)時(shí)用戶業(yè)務(wù)接入主要采用銅纜接入系統(tǒng)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)傳輸開始采用10Gbps（1Gbps的傳輸速度為每秒109比特)SDH光傳輸系統(tǒng)設(shè)備。

在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題、國家863計(jì)劃課題、北京市科技計(jì)劃課題、企業(yè)委托課題等資助下，北京郵電大學(xué)項(xiàng)目組歷經(jīng)10年的研發(fā)與應(yīng)用歷程，圍繞多類型、高帶寬、廣適應(yīng)的業(yè)務(wù)屬性要求，提出了從光接入和光傳輸層面研究寬帶業(yè)務(wù)承載的發(fā)展目標(biāo)，通過與北京格林偉迪科技有限公司和中興通訊股份有限公司等單位開展緊密的產(chǎn)學(xué)研合作，積極探索核心機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建自主創(chuàng)新平臺(tái)，掌握了支持1Gbps/10Gbps速率的以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）光接入關(guān)鍵技術(shù)和支持40Gbps/100Gbps速率的大容量長距離光傳輸關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)解決了面向大容量挑戰(zhàn)的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展瓶頸——帶寬提升技術(shù)核心問題，并形成了學(xué)術(shù)研究融入國際同步發(fā)展、“理論-技術(shù)-應(yīng)用”相互促進(jìn)銜接、成果轉(zhuǎn)化參與國家網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的鮮明特色。

設(shè)備調(diào)測

動(dòng)態(tài)高效光接入技術(shù)

按照網(wǎng)絡(luò)分層的功能定位，接入網(wǎng)負(fù)責(zé)接入用戶各種業(yè)務(wù)，其帶寬大小與業(yè)務(wù)承載效率的高低對“端到端”業(yè)務(wù)的帶寬提升至關(guān)重要，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

——低復(fù)雜度編解碼技術(shù)。針對高速無源光接入網(wǎng)中前向糾錯(cuò)（FEC）所面臨的“以低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度/低成本實(shí)現(xiàn)高吞吐量、低時(shí)延譯碼”這一技術(shù)難題，項(xiàng)目組提出了一種基于并行多項(xiàng)式計(jì)算的10Gbps EPON FEC解碼器設(shè)計(jì)方法。其原理是基于新型RS（Reed-Solomon）解碼算法，采用并行計(jì)算和電路復(fù)用，一個(gè)時(shí)鐘周期就能夠完成一次迭代計(jì)算，解決了脈動(dòng)結(jié)構(gòu)校正子引入問題，并且不需要串并、并串變換電路，使得硬件實(shí)現(xiàn)能夠滿足10Gbps EPON吞吐率要求，且處理延遲很小。

——面向業(yè)務(wù)的靈活資源調(diào)度技術(shù)。不斷涌現(xiàn)的新型IP 業(yè)務(wù)使傳統(tǒng)接入網(wǎng)的行為模式與資源調(diào)度機(jī)制受到巨大挑戰(zhàn)，寬帶接入網(wǎng)資源必須由“被動(dòng)固定指配”模式向“業(yè)務(wù)自主感知資源動(dòng)態(tài)分配控制”模式轉(zhuǎn)變，從而更加動(dòng)態(tài)、靈活、高效地支撐上層業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)面向IP業(yè)務(wù)資源優(yōu)化與動(dòng)態(tài)管理并滿足服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。

在上述需求下，以太無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)廠商紛紛推出各自的多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保證動(dòng)態(tài)帶寬分配算法（DBA），為了支持不同廠家光線路終端（OLT）、不同動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，項(xiàng)目組提出并采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了區(qū)分業(yè)務(wù)上行帶寬控制和發(fā)送多組請求數(shù)據(jù)的方案。該方案既可以支持統(tǒng)一帶寬申請方案，又可以支持區(qū)分業(yè)務(wù)帶寬申請方案，解決了統(tǒng)一帶寬申請方案下，同一時(shí)間段內(nèi)、位于不同光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）下的同一業(yè)務(wù)可能獲得不同服務(wù)質(zhì)量的不公平問題，使得各類業(yè)務(wù)在全網(wǎng)內(nèi)獲得一致的區(qū)分業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保證，消除了光網(wǎng)絡(luò)單元本地二次調(diào)度所帶來的不同光網(wǎng)絡(luò)單元業(yè)務(wù)之間的不公平性。

——寬帶接入網(wǎng)核心芯片設(shè)計(jì)。項(xiàng)目組還按照IEEE 802.3av 10Gbps EPON標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了10G EPON ONU芯片原型，不僅符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范，而且具有支持靈活的深度業(yè)務(wù)識(shí)別、高效的動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)度、多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保證和支持便捷的運(yùn)行管理與維護(hù)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

高速高效長距離光傳輸技術(shù)

高速高效長距離光傳輸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超大容量光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，涉及復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)技術(shù)和核心模塊等，對帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)發(fā)展和促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步具有重要意義。

——高速矢量調(diào)制-相干接收DSP算法技術(shù)。當(dāng)傳輸速率達(dá)到100Gbps時(shí)信道損傷對系統(tǒng)性能的影響非常嚴(yán)重。經(jīng)過刻苦攻關(guān)，項(xiàng)目組突破了超高速偏振復(fù)用正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制-相干接收的關(guān)鍵技術(shù)，形成了時(shí)鐘恢復(fù)/色散補(bǔ)償/偏振解復(fù)用聯(lián)合處理機(jī)制與算法、基于訓(xùn)練序列的載波頻偏估計(jì)算法、改進(jìn)的軟判決前向糾錯(cuò)編解碼（SD-FEC）等100Gbps高速矢量調(diào)制-相干接收DSP算法技術(shù)等創(chuàng)新成果。

——低復(fù)雜度高速相干接收光模塊。核心模塊是實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新的關(guān)鍵，尤其是高速相干接收光模塊難度很大。隨著對這一問題認(rèn)識(shí)的逐漸深入，項(xiàng)目組提出了降低DSP損傷補(bǔ)償算法復(fù)雜度的實(shí)現(xiàn)方法，提出了并行處理機(jī)制，最終與企業(yè)合作成功研制出了高性能的100Gbps PM-QPSK調(diào)制-相干接收光模塊。

高速矢量調(diào)制-相干接收DSP算法技術(shù)的提出，以及低復(fù)雜度高速相干接收光模塊的研制成功，適應(yīng)了超大容量光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要，是高速高效長距離光傳輸技術(shù)的重要進(jìn)步。

圍繞上述創(chuàng)新成果，北京郵電大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過產(chǎn)學(xué)研合作的方式，在國家自然基金課題所取得的理論基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了針對寬帶光接入與高速光傳輸?shù)募夹g(shù)瓶頸問題研究，與企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)并圓滿完成了國家863計(jì)劃課題和北京市科技計(jì)劃課題，取得了多項(xiàng)突破，獲得了國家授權(quán)發(fā)明專利，有標(biāo)準(zhǔn)被采納為國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，在本領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊（Optics Express, IEEE Photonics Technology Letters等）和光通信兩大頂級(jí)會(huì)議（OFC，ECOC）上發(fā)表了系列學(xué)術(shù)論文，并多次受邀參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議做特邀報(bào)告。

產(chǎn)品成功打入國際市場

通過開展深入的產(chǎn)學(xué)研合作，項(xiàng)目組積極推動(dòng)將科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

通過產(chǎn)學(xué)研合作完成的光接入 EPON 設(shè)備

高速寬帶光纖通信系統(tǒng)成為信息網(wǎng)絡(luò)的重要支撐

在寬帶光接入領(lǐng)域，通過與企業(yè)密切的產(chǎn)學(xué)研合作，融入其創(chuàng)新技術(shù)成果的EPON寬帶光接入設(shè)備目前已經(jīng)在國內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)上獲得規(guī)模應(yīng)用，而且已成功打入國際市場，在包括俄羅斯等15個(gè)國家和地區(qū)獲得規(guī)模性應(yīng)用。

在高速光傳輸領(lǐng)域，融入創(chuàng)新技術(shù)成果的高速光傳輸設(shè)備，目前已在中國電信、德國電信等國內(nèi)外運(yùn)營商大規(guī)模應(yīng)用，整體規(guī)模與核心指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，得到了國內(nèi)外用戶廣泛好評。

這些新技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用，有效帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)了行業(yè)進(jìn)步。例如，針對光接入網(wǎng)絡(luò)速率提升的重大需求和技術(shù)難點(diǎn)，項(xiàng)目組通過產(chǎn)學(xué)研合作，掌握了以太無源光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，形成了支持雙PON口保護(hù)、TDM語音/專線接入等獨(dú)特功能的EPON局端和用戶端設(shè)備，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

通過本項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用，在光接入網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)維中，不僅能夠節(jié)省大量干線光纖資源，降低工程建設(shè)費(fèi)用，而且還可大大降低故障率，減少維護(hù)工作量，從而降低維護(hù)的成本；不僅能夠提供保證服務(wù)質(zhì)量的多業(yè)務(wù)接入，而且還可支持多種動(dòng)態(tài)帶寬分配策略與電信級(jí)保護(hù)倒換功能，從而能夠提供差異化的服務(wù)，有力提升了用戶接入水平和寬帶服務(wù)能力。

助力中國信息高速公路更暢通

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。20世紀(jì)末，美國率先提出“信息高速公路”概念。所謂“信息高速公路”，就是一個(gè)高速度、大容量、多媒體的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，它的建設(shè)對交互寬帶網(wǎng)絡(luò)信息傳輸效率的提升，起著至關(guān)重要的作用。

近年來，中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之快超出了許多人預(yù)料。

經(jīng)過20年的努力，中國如今已擁有互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民6.4億、移動(dòng)寬帶用戶5.3億，手機(jī)用戶近13億，成為全球網(wǎng)民數(shù)量最多的國家，同時(shí)，也是全球最大的電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)基地，全球最具成長性的信息消費(fèi)市場。

北京郵電大學(xué)項(xiàng)目組長期致力于光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶寬提升這一關(guān)鍵問題，從技術(shù)上持續(xù)不斷地探索并推進(jìn)我國信息高速公路的 “路網(wǎng)建設(shè)”和“路面擴(kuò)容”。因此，他們所開展的研究工作與所取得的創(chuàng)新成果是非常及時(shí)且急需的，對于“寬帶中國”戰(zhàn)略的實(shí)施發(fā)展，具有重要意義和積極作用。