运力协同支撑数字经济加速发展
　　新一轮科技革命和产业变革正在席卷全球，产业数字化深入发展，数字经济成为支撑经济增长的重要引擎。在数字经济时代，大数据的运送、计算、加工产生新动能，赋能行业新应用、催生新业态、推动生产力发展。数据要素的往复循环，支撑了各种不同场景的创新应用和数字化转型，带来了全新的发展模式。
　　信息基础设施提供蓬勃的算力和运力，成为数字经济发展的坚实基础。围绕加强数字化转型，我国国民经济和社会发展“十四五”规划和2035远景目标纲要指出，要布局建设信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等新型基础设施，其中信息基础设施包括以千兆光网、5G为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施，见图1。算力基础设施提供超强算力，通信网基础设施提供强大数据运力，算力和运力赋能千行百业，成为支撑数字经济发展的关键能力。
　　

研究报告全文：全光运力研究报告2022年中国信息通信研究院技术与标准研究所2022年12月版权声明本报告版权属于中国信息通信研究院并受法律保护转载摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的应注明来源中国信息通信研究院违反上述声明者编者将追究其相关法律责任前言我国国民经济和社会发展十四五规划和2035远景目标纲要指出要布局建设信息基础设施融合基础设施创新基础设施等新型基础设施以千兆光网和5G网络为代表的网络基础设施是信息基础设施的重要组成部分其提供的强大数据运送能力即运力成为支撑数字经济发展的关键要素之一以OTN技术为支撑的全光运力具备超大带宽超低时延安全可靠等原生技术优势在新一轮数字经济发展中成为提供运力的坚实底座本研究报告立足数字经济发展对运力的需求以及全光运力在其中发挥的核心作用等研判全光运力算间互联用户入算运力管控等三个方面需求探讨全光运力未来目标架构在此基础上剖析面向超大带宽超低时延安全可靠泛在覆盖灵活敏捷智能管控绿色节能等七大典型特征的关键技术初步构建全光运力评估指数建议产业各方协同推进全光运力技术标准化及产业多维合作助力数字经济高质量发展目录一全光运力发展背景1一运力协同支撑数字经济加速发展1二OTN全光技术构筑运力坚实底座2二全光运力需求特性3一算间互联超大带宽超低时延高效协同3二用户入算便捷接入安全可靠灵活敏捷7三运力管控跨域大网管控算网协同资源智管9三全光运力目标架构10四全光运力关键技术11一超大带宽11二超低时延14三安全可靠16四泛在覆盖18五灵活敏捷20六智能管控22七绿色节能24五全光运力评估指数25六全光运力未来展望27图目录图1信息基础设施提供算力和运力2图2冷温热数据业务时延需求5图3云边数据中心互联需求6图4全光运力目标架构11图5高速线路技术方案12图6频谱扩展技术线路13图7全光运力时延优化规划15图8全光交叉OXC系统16图9光电切片隔离17图10单节点光电保护协同18图11OTNP2MP组网技术架构19图12波长数扩展技术20图13全光运力多维灵活感知21图14光电协同调度22图15多因子算路技术23图16光纤链路质量检测系统24图17全光运力多层次节能技术25图18全光运力指数1026表目录表1各省数据中心规划及出局带宽预估4表2新型光纤G654E与G652D典型参数对比13表3全光运力指数27全光运力研究报告2022年一全光运力发展背景一运力协同支撑数字经济加速发展新一轮科技革命和产业变革正在席卷全球产业数字化深入发展数字经济成为支撑经济增长的重要引擎在数字经济时代大数据的运送计算加工产生新动能赋能行业新应用催生新业态推动生产力发展数据要素的往复循环支撑了各种不同场景的创新应用和数字化转型带来了全新的发展模式信息基础设施提供蓬勃的算力和运力成为数字经济发展的坚实基础围绕加强数字化转型我国国民经济和社会发展十四五规划和2035远景目标纲要指出要布局建设信息基础设施融合基础设施创新基础设施等新型基础设施其中信息基础设施包括以千兆光网5G为代表的通信网络基础设施以人工智能云计算等为代表的新技术基础设施以数据中心智能计算中心为代表的算力基础设施见图1算力基础设施提供超强算力通信网基础设施提供强大数据运力算力和运力赋能千行百业成为支撑数字经济发展的关键能力1全光运力研究报告2022年来源中国信息通信研究院图1信息基础设施提供算力和运力二OTN全光技术构筑运力坚实底座政务医疗金融教育等行业数字化加速转型带来算力的旺盛需求对运力相应也提出了高效可靠和确定性等高品质要求以光传送网络OTN技术为主要支撑的全光运力具备超大带宽超低时延安全可靠等原生技术优势使其在新一轮数字经济发展中的价值日益凸显成为运力的核心和坚实底座加快发展和建设全光运力已成为业界多方关注焦点2022年2月国家发改委中央网信办工业和信息化部国家能源局联合印发通知同意在京津冀长三角粤港澳大湾区成渝内蒙古贵州甘肃宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点东数西算工程正式全面启动优化东西部间互联网络和枢纽节点间直连网络是其中一项重要的任务国家十四五规划提出发展千兆光网工业和信息化部信息通信业十四五规划进一步对全光运2全光运力研究报告2022年力的发展提出了明确的要求和目标部署骨干网200G400G超大容量光传输系统打造P比特级骨干网传输能力引导100G及更高速率光传输系统向城域网下沉加快光传送网OTN设备向综合接入节点和用户侧延伸部署地方政府也高度重视OTN全光运力的发展山东湖北陕西广西云南安徽等地的双千兆协同发展行动计划中相继提出推广部署全光交叉OXC加速100G200Gbps及以上超高速光传输系统向城域网下沉光传送OTN节点进一步向网络边缘延伸等要求2021年11月中国电信发布全光网20技术白皮书指出建设云网融合的新型信息基础设施全光网是新型信息基础设施的基石2021年11月中国移动发布算力网络白皮书提出网络基于全光底座和统一IP承载技术实现云边端高速互联满足数据高效无损传输需求2022年5月中国联通发布算力时代的全光底座白皮书提出数字经济的发展依赖运力和算力对全光底座的发展进行了系统阐述二全光运力需求分析产业数字化正在成为数字经济发展的重要引擎千行百业加速上云其中具备大带宽低时延安全可靠等内生特性的全光运力不可或缺同时在算间互联用户入算运力管控等方面提出了新的需求一算间互联超大带宽超低时延高效协同1枢纽间互联提升超大带宽需求3全光运力研究报告2022年数据中心带宽大幅增长对运力枢纽出口带宽带来巨大挑战东数西算工程将在全国设立8个算力枢纽十大数据中心集群将东部算力需求有序引导到西部促进东西部之间算力高效互补和协同联动受新基建数字化转型等国家政策推动以及企业降本增效需求驱动我国数据中心近年来发展迅速截至2022年6月底全国在用数据中心机架总规模超过590万服务器规模近2000万台近五年年均复合增速超过30其中大型数据中心机架规模增长更为迅速占比达到801根据部分省市发布的枢纽集群建设规划预计十大集群节点规划规模总计超500万机架到2025年单个枢纽节点的出局带宽将超过百T见表12021年各省市互联网省际出口带宽统计中广东达到100Tbps量级其余省市均为几十Tbps量级西部地区的宁夏则仅有962Tbps各省市现有省际出口带宽无法满足未来运力枢纽节点的出局带宽需求另一方面西部枢纽以服务全国算力需求为主出省带宽预计超70当完成规划的机架数时预计骨干网带宽将增加1000T以上对枢纽之间运力带宽同样提出了巨大挑战表1各省数据中心规划及出局带宽预估枢纽2025年机架每机架带2025年出局2021年互联网省际规划宽带宽预估出口带宽现状万架MbpsTbpsTbps广东韶关50500180971广东长三角上海28500100672上海宁夏中卫66500230962宁夏甘肃庆阳30500110234甘肃贵州贵安80500280315贵州1数据来源中国信息通信研究院数据中心白皮书20224全光运力研究报告2022年来源工业和信息化部2021年通信业年度统计数据2算间互联催生确定性低时延需求数据中心互联需要稳定与可靠的低时延按照业务对时延的敏感性差异可划分为热业务温业务和冷业务三类业务调度需求不同如数据中心双活的热业务时延要求1ms2ms而AI训练异地灾备等冷业务时延需求不敏感见图2网络时延越低可牵引更多的业务到西部集群全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案中明确提出枢纽之间数据中心端到端单向网络时延原则上应在20ms范围内来源中国信息通信研究院图2冷温热数据业务时延需求全光运力需面向数据中心布局优化端到端时延部分枢纽集群所在地不是传统的中心城市网络层级较低使得枢纽间的互联还存在路由绕行等情况据全球互联网网络感知平台统计数据我国骨干网络网内平均时延为3297ms骨干网络网间平均时延为3714ms与东数西算枢纽之间的时延要求存在较大差距全光运力亟需对东西部枢纽节点之间及地市数据中心的互联路由进行优化完善枢纽及地市数据中心直连网络通过光缆拓扑优化及光层交叉5全光运力研究报告2022年调度减少路由绕行弥补时延短板3算间高效协同催生组网架构优化云边多数据中心协同要求全光运力进一步优化组网架构随着边缘计算在智慧交通安防监控工业互联网等场景中的应用越来越广泛大量经过处理的数据需要从边缘节点汇集到数据中心云以完成进一步的大数据分析挖掘数据共享和算法模型的训练同时边缘节点存储的大量数据也需要备份到云端防止边缘节点故障导致数据丢失全光运力作为连接云边数据中心的纽带和桥梁需要提供灵活调度能力如图3所示以匹配云与云云与边边与边之间存在高效协同需求随着数据中心间东西向互联流量持续增大全光运力迫切需要围绕数据中心布局进行网络重构增强东西向流量业务疏导能力由南北向为主向南北向东西向转变逐步向网状化立体化组网方式演进来源中国信息通信研究院图3云边数据中心互联需求6全光运力研究报告2022年二用户入算便捷接入安全可靠灵活敏捷1用户便捷接入催生网络泛在覆盖需求用户实现便捷接入算力需要运力实现泛在覆盖支撑业务快速开通受疫情影响居家办公远程教育远程考试已经逐渐成为生活常态个人用户及政府金融教育等机构用户广泛分布在城市内不同地理位置需要快速接入网络获取算力服务以满足差异化的应用需求以广东省某市的政务外网建设为例其目标是实现市-镇-村三级全覆盖总计有超过1400个政务部门需要接入网络从而实现政务各部门的网通数通应用融通为企业群众提供丰富的政务应用服务为满足泛在覆盖需求全光运力应进一步向城市边缘延伸提高覆盖能力在满足家庭企业高品质服务需求的同时为用户提供便捷全光运力接入能力2政企核心业务急需高安全低时延保障数字政府要求网络安全可靠十四五规划强调要提高数字政府建设水平推动政务信息化共建共享完善国家电子政务网络集约建设政务云平台和数据中心体系推进政务信息系统云迁移数字政府服务涉及到的部门众多数据量庞大如何保障业务的安全可靠性成为首要问题企业核心业务需要大带宽低时延高安全的网络承载金融企业要求极致低时延并确保数据安全金融系统高频交易要求极致低时延根据市场研究公司TABBGroup评估在金融电子交易中交易处理时间包括电脑系统处理及网络传输时间比竞争对手慢5ms将损失1的利润慢10ms则损失扩大到7全光运力研究报告2022年10同时为保证金融信息系统的数据免受网络攻击其核心交易数据需要确保数据安全智慧医疗需要大带宽低时延高安全保障智慧医疗将医疗影像系统PACS部署在云端单个患者的CT影像数据通常包含500张左右图片资料大小高达GB量级医生阅片要求秒级打开要保证这些数据在云和各种终端之间流畅转移需要大带宽低时延高安全的网络给予保障全光运力面向企业核心业务可利用大颗粒波长管道全光转发业务硬隔离丰富的保护恢复机制等特性满足大带宽低时延高安全承载需求3新型应用助推网络灵活敏捷能力提升大数据分析和科学计算等新型业务要求运力能够灵活调整随着大数据的应用和人工智能的发展新型业务对网络的需求正在发生变化呈现显著的动态性特点如汽车原型车碰撞试验每秒产生的几十EB数据在传输到超算中心过程中需要大带宽以实现数据快速搬运而在后续的数据分析期间对运力需求很小具备典型的动态突发型业务特征各类科学计算存在超大数据量及显著的动态突发性特征如中国天眼FAST天文观测每秒产生6GB数据对观测数据的计算分析要求高速传输便于更快发现科学目标避免因堆积的数据得不到及时处理造成观测任务等待全光运力需要提供超大带宽承载能力缩短数据传到数据中心或超算中心的时间同时具备灵活敏捷的调整能力满足新型业务的动态突发特点要求快速响应客户需求变化及时匹配资源和释放资源8全光运力研究报告2022年三运力管控跨域大网管控算网协同资源智管全国范围内实现跨区域一体化大网调度管控能力跨域协同管控能力要求对目前按照分省分市分级管理的方式提出了挑战具不完全统计和估算各运营商在大规模省份平均约152万台OTN设备中等规模省份平均约7千台小规模省份平均约3千台全光运力管控系统要具备跨域大规模网络的管控能力实现端到端的运力调度同时可融合AI与数字孪生等新技术解决网络规模变大后带来的告警管理分析复杂定界定位和隐患分析困难等网络运维挑战用户一跳入算要求全光运力管控具备算网协同能力枢纽算力省级算力地市边缘算力分级部署用户算力需求可由不同的算力资源进行响应算网资源协同编排需要综合考虑时延带宽运送能力和算力资源使用因素做出判断和选择全光运力管控系统应向开放可编程方向发展支撑与算网资源编排系统高效协同统筹算力资源选择和网络连接的建立实现只需用户一次性选择算网服务即可同时开通所需的网络业务和算力服务全光运力安全运行需要提高光纤层面管理能力光纤作为全光运力的传输媒介其性能和实际路由决定了承载业务的质量时延等光纤故障是网络故障发生的最主要原因之一对其进行管理进行隐患的提前识别和排除对于保障网络的安全运转至关重要全光运力管控应针对光纤哑资源的无源物理特征着力解决性能劣化业务主备光纤同路由等隐患难以提前识别的问题提升光9全光运力研究报告2022年纤哑资源层面的管理能力三全光运力目标架构面向算间互联带来的大容量低时延及云边协同需求用户入算带来的便捷接入安全可靠及灵活敏捷需求一体化算力调度带来的大网管控算网协同及资源智管需求现有传送网络应面向超大带宽超低时延安全可靠泛在覆盖灵活敏捷智能管控和绿色节能等方向发展全面升级网络架构和传输能力构建泛在覆盖的全光运力基于三类功能节点三级时延圈的光电协同全光运力目标架构见图4光网关是算力资源接入全光运力的入口一般部署在城域和干线OTN网络的入云节点可以通过光网配置将不同的光网关进行连接实现算力资源的互联光调度节点用于在全光网络中实现无阻塞的灵活调度业务流量可包含为光电混合调度节点和全光调度节点完成光层连接的快速端到端配置光锚点是接入全光运力的入口节点可以通过光网配置一跳直达光网关支持用户实现对算力节点的访问光网关光调度节点和光锚点三类功能节点通过网状互联构建覆盖全国的1ms5ms20ms三级时延圈架构实现各级算力资源的灵活互联和用户高品质应用入算SDN化的全光运力管控系统通过标准北向接口对接算网协同编排系统并与算力管理平台协同实现网随算动算网一体的自动化能力10全光运力研究报告2022年来源中国信息通信研究院图4全光运力目标架构四全光运力关键技术一超大带宽1高速线路传输单波速率逐步提升400Gbps长距传输系统逐步试用800Gbps稳步推进目前面向城域内中短距传输场景的400Gbps传输技术已基本成熟面向骨干网长距离传输场景400Gbps需要在光电器件调制格式频谱传输媒质等多方面进行技术革新针对PCS-16QAM和PM-QPSK两种技术方案业界正在进行试验验证和评估同时超400Gbps传输如800Gbps12Tbps等也在持续发展相关标准化工作正在推进当中随着高带宽芯片与器件及算法技术的演进结合频谱扩展以及先进的链路技术实现大容量长距离的传输预计超400Gbps系统传输距离将从短距发展到长距超长距应用场11全光运力研究报告2022年景也将从数据中心互联应用逐渐扩展到城域网及干线网络来源中国信息通信研究院图5高速线路技术方案2频谱多维扩展频谱扩展成为400Gbps及更高速率光传输系统重点关注的技术方向在频谱扩展技术方面将频谱从传统C波段4THz扩展到SuperC6THz再扩展到SuperCL12THz是提升单纤传输容量的一个重要方向其中C波段扩展技术成熟L波段扩展成为当前技术主流方向但还需相关光模块无源器件光放大器算法芯片等的技术突破涉及到整个产业链端到端的技术创新基于新型增益材料与掺杂工艺的L波段EDFA技术是实现L波段长距应用的关键目前国内产业界已经规模商用SuperC波段扩展传输系统近期看产业界需要聚焦到L波段EDFA的技术实现和性能优化长期看需要新的技术突破将光传输系统的工作波长范围进一步拓展至SUO波段甚至全波段通过开展光电核心芯片器件和模块的研制实现Pbps级光纤传输系统12全光运力研究报告2022年来源中国信息通信研究院图6频谱扩展技术线路3新型光纤探索新型光纤成为超大容量传输的重要支撑对于单模光纤传输系统更低的损耗系数或更大的有效面积有利于实现光通信系统超高速超大容量和超长距离传输相较于常规的G652光纤G654E低损耗大有效面积光纤通过增大模场面积降低高速信号传输的非线性效应是一种可满足目前与未来光传输发展趋势的新型单模光纤随着低损耗光纤制备技术的成熟目前国内外多个公司已实现低损耗光纤的规模化生产国内三大运营商也正在积极推进G654E的应用并已完成部分G654E链路的建设工作表2新型光纤G654E与G652D典型参数对比光线参数单位G652DG654E有效截面积Aeff80112130截止波长212601530典型衰减系数02017色散系数D1689215来源中国信息通信研究院1550空分复用光纤SDM空芯光纤等新型光纤及其应用前景引13全光运力研究报告2022年起业界关注空分复用技术可以从空间维度进一步提升单纤传输容量基于光纤对的空分复用技术已经在海缆通信系统中获得应用多芯复用光纤系统模式复用光纤系统也在持续研究当中仍有一些问题亟待解决包括关键器件如低插损高稳定性的复用器解复用器空分复用放大器以及熔接成缆等技术的成熟性和稳定性都有待进一步规模验证空芯光纤经过多年的发展目前实验室内已经实现0174dBkm衰耗系数在低延迟低非线性以及更大的传输带宽等方面的巨大优势为其在高速光通信领域的应用开辟了可能性运营商也正在开展新型光纤传输系统的测试验证总的来看新型光纤相关技术和特性仍需进一步研究与之配套的光纤制备技术光电器件还未达到成熟和产业化阶段需要产业界持续开展技术研究和应用探索二超低时延1时延规划优化时延规划优化技术通过时延测量及基于时延的路由满足业务端到端低时延需求时延规划优化首先通过基于ODUk开销的电层时延测量技术和基于OTS的光层时延测量技术获取所有光层链路和路径的时延见图7时延规划优化不仅只考虑支持光层和电层时延测量还需光电协同将光层时延信息同步到电层基于业务时延约束要求综合考虑链路成本波长利用率等计算端到端的光层和电层路径最终由管控系统驱动创建满足要求的光层和电层链路满足复杂场景下的时延要求14全光运力研究报告2022年来源中国信息通信研究院图7全光运力时延优化规划2高维全光交叉光交叉连接技术向更高交换容量和调度方向持续提升基于全光背板互联的ROADM可重构光分插复用OXC光交叉连接系统包括全光背板高维度波长选择开关WSS和数字化光层三大核心技术见图8全光背板采用高精度自动布纤机集成3D点阵算法将光纤印刷到背板上实现业务单板间全光互联高维度WSS具备至少32维度无阻塞交换数字化光层利用光模块调顶高精度波长监控等技术实现光纤质量波长资源和性能可视化目前网络干线和城域核心已经规模部署高维度ROADMOXC设备应持续加大高维度OXC部署规模提升业务流量全光调度的比例优化光层路由减少链路绕行降低光电信号转接时延随着宽谱高分辨率交叉技术的更新和网络应用需求的驱动OXC的交换容量15