行业知识|降低接入网络中每比特成本的商业逻辑和策略-凡亿课堂

引言

在电信领域，运营商面临着一个根本性的挑战。受到流媒体服务、云计算和不断增加的连接设备的推动，网络流量正以指数级增长。然而，运营商的收入却没有以同样陡峭的速度增长。这种矛盾意味着，网络运营商无法让其基础设施支出与流量需求保持同步增长，如图1所示。

图1.电信基本成本问题的图示。流量量呈指数级增长，但运营商收入却没有相应增长。因此，运营商不能让成本以指数级增长来满足流量需求。减少每比特传输成本因此成为电信提供商的一项基本任务。这一目标在接入网络中变得尤为重要，因为在接入网络中最终用户连接到主网络。这些网络是数据传递链路的最后一环，由于需要大量设备才能连接到每个终端用户，因此升级和维护成本高昂。

本文将探讨实现这一目标的三大支柱：大规模制造、光电芯片集成以节省能源，以及密集波分复用（DWDM）技术 [1]。

大规模制造

集成光电芯片的兴起彻底改变了光电子技术的部署方式。过去，安装光链路需要在两端投资昂贵的大型收发机设备。集成光电芯片降低了相干收发机的占地面积、能耗和成本。

重要的是，支配半导体行业的规模经济原理也适用于光电芯片和收发机。集成度越高则可以集成到单一芯片上的光电组件越多，紧凑度越高则单一晶圆上能够容纳的光电子系统级芯片（SoC）器件越多，综合结果是每个组件的成本就会越低。

埃因霍芬理工大学和JePPIX联盟的研究人员对这一效应进行了建模，如图2所示。如果年产量从数千个芯片增加到数百万个，每个光电芯片的价格可能会从数千欧元大大降低至仅几十欧元。

图2：光电芯片（PIC）成本随每年生产PIC总数的变化建模图。生产量指数级增长导致成本指数级下降。源自埃因霍芬理工大学Meint Smit教授提供的模型和图表。此外，通过将所有光电组件集成到单个芯片上，复杂性从组装过程转移到更高效、可扩展的半导体硅片加工流程。将多个光电子芯片互连组装成设备会增加复杂性和成本。相比之下，在硅片上组合和对准光学组件就容易得多，利用硅基光电子技术从而降低了设备成本。

集成有利于节省能源（和电力）

数据中心和5G网络很热门，但支持的基础设施运行温度更高。电子器件会产生大量热量，一个电子设备散发的热能越多，就需要花费更多资金和能源来对其进行冷却。

这些问题不仅会影响环境，而且还会影响通信公司的利润。随着流量的指数级增长和5G网络的部署，冷却成本将进一步上升。集成对于减少这种热量散失和相关成本很重要。

光电子学行业正在效仿电子行业，提高集成度以降低功耗和冷却开支。例如，在过去十年里，相干光系统已经从大型昂贵的线路卡缩小为大USB存储棒的大小。

图3：从OIF MSA线路卡模块到CFP和QSFP等可插拔模块，相干模块尺寸和功耗的演变这些高度集成光电子组件的紧凑型收发机具有更短的互连，因此达到更低的寄生效应、更少的损耗和每芯片面积上更多的组件。如图3所示，这些特性都导致功耗在过去十年有所下降。

DWDM为光纤高速公路增加通道

密集波分复用（DWDM）是一种光学技术，可极大增加通过现有光纤网络传输的数据量。来自不同信号的数据被分离、编码在不同波长上，然后复用（组合）到单根光纤中。

在接收端，不同波长被再次拆分（去复用），并重新转换为原始数字信号。换句话说，DWDM允许在不需要昂贵铺设新光纤的情况下，同时通过单根光纤发送不同的数据流。像在不修建新路的情况下，为信息高速公路增加更多车道!

图4：双向DWDM系统示例。在中心办公室，收发机模块选择不同波长通道进行发射，这些通道通过一种叫做复用器的设备被合并到单根光纤中。在远程端，一个去复用器将波长通道分成单独光纤连接到接收模块。由于这是双向系统，传输也可以从远程端传回中心办公室。与其他光学方法相比，DWDM所带来的数据容量扩展是巨大的。标准收发机（通常称为灰色收发机）是单通道设备——每根光纤只有一个激光源，传输10 Gbps。粗波分复用（CWDM）具有多个通道，但远远少于DWDM。例如，使用4通道CWDM可以传输40 Gbps。