淺析100G波分技術(shù)及其發(fā)展

一、引言

隨著寬帶業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，承載網(wǎng)骨干層面臨著越來越大的帶寬壓力。同時(shí)，路由器100GE端口需求開始出現(xiàn)，10G/40G傳送承載網(wǎng)已經(jīng)不能滿足超寬帶和100GE端口的需求，在骨干層實(shí)現(xiàn)100G傳輸已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流。100G波分傳輸?shù)墓こ虘?yīng)用需求總結(jié)如下：

⊙ 傳輸距離：長(zhǎng)途骨干網(wǎng)要求傳輸距離至少達(dá)1000~1500km，包含6個(gè)ROADM（可重構(gòu)型光分插復(fù)用設(shè)備）；城域網(wǎng)要求包含20個(gè)ROADM。

⊙ 傳輸容量：通道間隔為50GHz，與現(xiàn)有10G波分系統(tǒng)相同。

⊙ 應(yīng)用場(chǎng)景：可在現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)上進(jìn)行升級(jí)，無需更換新型光纖或光放大器。

⊙ 成本：100G波分系統(tǒng)相比10G在成本/速率/距離上應(yīng)有優(yōu)勢(shì)。

⊙ 功耗：100G波分系統(tǒng)相比10G在功耗/速率以及設(shè)備集成度上應(yīng)有優(yōu)勢(shì)。

波分系統(tǒng)，單波速率從2.5G到10G，從10G到40G，一直面臨著一系列的物理限制。線路速率再次提升到100G，這些物理限制因素仍然存在，并且產(chǎn)生的傳輸損傷也更為嚴(yán)重。這些因素直接限制了100G系統(tǒng)的傳輸距離。而100G技術(shù)的發(fā)展，主要是不斷地克服這些因素的影響讓信號(hào)傳得更遠(yuǎn)的過程。

影響10 0 G傳輸?shù)膸讉€(gè)因素有：要求更高的系統(tǒng)OSNR，要求更高的PMD容限，要求更高的色散容限，光纖非線性效應(yīng)增強(qiáng)。

二、100G波分的關(guān)鍵技術(shù)

下面將從關(guān)鍵碼型調(diào)制技術(shù)、新型接收技術(shù)和FEC技術(shù)三個(gè)方面，介紹近期100G線路傳輸解決方案的最新進(jìn)展。

1.碼型調(diào)制技術(shù)

從10G超長(zhǎng)距離傳輸開始，碼型調(diào)制技術(shù)一直是波分系統(tǒng)技術(shù)研究的重點(diǎn)。隨著比特速率的增加和傳輸距離的延長(zhǎng)，波分長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)將遇到一系列物理限制因素的挑戰(zhàn)，它們主要是：OSNR要求的增高、色散容限降低、非線性效應(yīng)增強(qiáng)以及PMD效應(yīng)的增加等。這些物理效應(yīng)都和傳輸?shù)牟ㄌ芈视嘘P(guān)，波特率越高，這些物理效應(yīng)及其對(duì)系統(tǒng)性能的危害也隨之而加劇。例如，在不改變傳輸碼型的前提下，當(dāng)波特率從10G提升到40G，光信號(hào)的OSNR要求將提升6dB，色散容限將降低到前者的1/16，PMD容限將降低到前者的1/4，光纖非線性危害程度也隨之增加。為了在提升線路速率的同時(shí)避免這些物理效應(yīng)的危害增加，業(yè)界通常選用更高級(jí)的碼型調(diào)制格式，主要措施包括：

（1）采用相位調(diào)制格式。從原理上講，和相同比特率的OOK碼型相比，二進(jìn)制差分相位調(diào)制（DPSK）技術(shù)的OSNR要求可降低3dB。此外，相移鍵控調(diào)制（PSK）是一種恒包絡(luò)調(diào)制，有利于降低比特圖形相關(guān)的非線性效應(yīng)。因此，在40G傳輸中開始廣泛使用PSK調(diào)制作為主要的調(diào)制格式。

（2）采用多進(jìn)制調(diào)制。用于40G傳輸系統(tǒng)的DPSK碼型的波特率約為42.8Gb/s，其光譜寬度較大，不能直接用于50GHz間隔的WDM傳輸。雖然可以通過一些技術(shù)改進(jìn)使DPSK能支持50GHz間隔，但仍嚴(yán)重制約于50GHz濾波器級(jí)聯(lián)代價(jià)大、PMD容限小（2～3ps）等問題。正交四相位調(diào)制（QPSK）克服了上述問題，用光場(chǎng)的實(shí)部和虛部分別承載業(yè)務(wù)，可以在維持40Gb/s比特率不變的條件下將波特率降低到約20Gb/s，有效降低了光譜帶寬，以支持50GHz間隔傳輸，且PMD容限增加到6～8ps，可滿足2000km超長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枰?/p>

（3）采用RZ技術(shù)。和常規(guī)NRZ-OOK技術(shù)相比，RZ碼型技術(shù)可有效降低傳輸系統(tǒng)的OSNR要求、增強(qiáng)抵抗非線性效應(yīng)的能力，以及增加抗PMD效應(yīng)的目的。帶啁啾的RZ碼型可進(jìn)一步補(bǔ)償線路中的非線性效用產(chǎn)生的相位畸變，獲得更好的傳輸性能。目前，啁啾歸零碼差分正交四相位調(diào)制碼型(CRZ-DQPSK)已經(jīng)成為40G系統(tǒng)中最主流、市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的碼型。

基于在40G系統(tǒng)中的成熟、廣泛應(yīng)用，QPSK在100G系統(tǒng)中也成為最成熟的選擇?？紤]到100G系統(tǒng)的比特率將達(dá)到112Gb/s甚至更高，如果直接采用QPSK調(diào)制，要求光收發(fā)模塊的mux芯片、MZ調(diào)制器等也要達(dá)到56GHz左右，這對(duì)（光）電器件的工藝提出了很高的要求。

目前，業(yè)界又提出了“偏振復(fù)用（PDM）”方案。偏振復(fù)用技術(shù)利用光的兩個(gè)獨(dú)立偏振態(tài)各自承載56Gb/s業(yè)務(wù)信息，每個(gè)偏振態(tài)采用QPSK調(diào)制，從而將100G系統(tǒng)的波特率降低到28Gb/s，大大降低了對(duì)（光）電器件的帶寬要求，使得目前成熟的40G光電器件也可用于100G系統(tǒng)，有利于降低功耗和網(wǎng)絡(luò)初期投資成本。

也有其他更復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，如多電平（8PSK）、多載波（OFDM）等用于100G系統(tǒng)的研究。與之相比，PDM-QPSK技術(shù)在成熟度和復(fù)雜度之間取得了最佳的平衡點(diǎn)，已成為100G傳輸?shù)闹饕{(diào)制碼型技術(shù)。此外，PDM-QPSK調(diào)制技術(shù)還可很好地支持相干接收及DSP等其他100G關(guān)鍵技術(shù)，業(yè)已成為各設(shè)備商、模塊或子系統(tǒng)商競(jìng)相研究的重點(diǎn)，并被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織確定為未來100G長(zhǎng)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。

2.相干接收和DSP技術(shù)

PDM-QPSK調(diào)制技術(shù)主要解決了100G傳輸?shù)腛SNR要求和關(guān)鍵光電芯片的成熟度問題，但是100G系統(tǒng)的色散容限過小和PMD容限過小的問題依然存在。

從原理上講，色散效應(yīng)是在頻域光電場(chǎng)的相位上產(chǎn)生了畸變，PMD效應(yīng)是在兩個(gè)偏振的時(shí)域光電場(chǎng)的相位上引入了不同時(shí)延。在傳輸系統(tǒng)收端的強(qiáng)度接收（OOK碼型）或者自相干接收（非相干PSK碼型）過程中，這些相位上的畸變和時(shí)延均會(huì)轉(zhuǎn)化為接收眼圖的畸變和碼間干擾，并造成系統(tǒng)損傷。波分傳輸系統(tǒng)通常利用色散補(bǔ)償模塊（DCM）進(jìn)行在線色散補(bǔ)償，以及收端進(jìn)行可調(diào)色散補(bǔ)償模塊（TDCM），來將殘余色散量控制在傳輸碼型可容忍的程度。但這些色散補(bǔ)償措施往往會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和實(shí)施造成限制，尤其對(duì)ROADM網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)靈活調(diào)度是不利的。而PMD的光學(xué)補(bǔ)償方法還不成熟，一般靠碼型自身有限的PMD容忍度，以及合理分配OSNR裕量來抵消PMD效應(yīng)造成的代價(jià)。

由于色散和PMD效應(yīng)均是在光電場(chǎng)的相位或偏振上引入調(diào)制或畸變，而光相干檢測(cè)則可探測(cè)并同時(shí)獲知光場(chǎng)的偏振、幅度和相位信息。進(jìn)而采用數(shù)字信號(hào)處理的方法（包括電濾波和均衡措施），可以消除色散和PMD導(dǎo)致的眼圖畸變和碼間干擾，重新恢復(fù)“干凈”的碼元信息。采用這種基于電域的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方法，在40G/100G系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)高達(dá)40000～60000ps/nm的色散容限，和25～30ps的PMD容限。傳輸線路上不再放置DCM模塊，PMD效應(yīng)也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，系統(tǒng)組網(wǎng)能力及靈活性將得到極大的提高。目前，PDM-QPSK、相干接收和DSP技術(shù)的配合使用，已經(jīng)成為100G傳輸系統(tǒng)最主流的技術(shù)配置方案。100G相干光通信系統(tǒng)的技術(shù)原理圖如圖1所示。

圖1 100Gb/s PDM-QPSK相干電處理光通信系統(tǒng)

在PDM-QPSK相干接收及電處理方案的實(shí)現(xiàn)過程中，涉及多種新型光/電器件及其算法的研制開發(fā)，其中包括高速成幀器、Mux/Demux、CDR、28Gb/s高速雙偏振QPSK調(diào)制器、雙偏振相干接收裝置、56GS/s高速ADC和DSP芯片及其均衡算法的實(shí)現(xiàn)，有較高的復(fù)雜度和技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)過業(yè)界最近幾年的努力，上述關(guān)鍵技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)均得到克服，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟（見表1）。

表1 關(guān)鍵器件商用時(shí)間表

3.FEC技術(shù)

前向糾錯(cuò)（FEC）一直是光傳輸技術(shù)中降低OSNR要求的重點(diǎn)技術(shù)之一，并隨著光線路速率的提升而得到迅猛發(fā)展。第一代的帶外FEC采用以RS(255,239)為代表的代數(shù)碼技術(shù)，滿足G.975標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用7%的開銷，凈編碼增益為6.3dB，糾前BER容限約為8.3×10-5，主要用于2.5G系統(tǒng)和早期的10G系統(tǒng)。第一代FEC的復(fù)雜度較低，算法規(guī)模較?。s100,000LUT），采用FPGA即可滿足其運(yùn)算速度的要求。

隨著后期的100G及目前40G系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)傳輸距離和更高的波特率，要求傳輸系統(tǒng)的糾前BER容限進(jìn)一步降低，這驅(qū)動(dòng)了凈編碼增益更高、糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的第二代FEC技術(shù)的誕生。第二代FEC采用級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)，凈編碼增益可達(dá)到8～9dB，糾前BER容限可低至1×10-3～4×10-3。G.975.1中制定了第二代FEC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。凈編碼增益的提高同時(shí)也伴隨著FEC算法復(fù)雜度的和運(yùn)算規(guī)模的增加。第二代FEC技術(shù)一般需要300,000LUT的FPGA或百萬門規(guī)模的ASIC芯片來承載。

在100G相干技術(shù)產(chǎn)業(yè)化力量的驅(qū)使下，并借助高速IC技術(shù)的發(fā)展，基于軟判決（SD）的第三代FEC編碼技術(shù)誕生了。這種FEC一般采用LDPC碼（低密度奇偶校驗(yàn)碼）、TPC碼（Turbo乘積碼)，可提供約11dB的凈編碼增益。第三代FEC需要更大的運(yùn)算規(guī)模（1千萬門以上乃至數(shù)千萬門的ASIC），目前基于65nm工藝的ASIC技術(shù)難以為繼，需要40nm工藝的ASIC才能實(shí)現(xiàn)其高運(yùn)算量和低功耗目標(biāo)。此外，SD-FEC的另一個(gè)特點(diǎn)是開銷更高，可高達(dá)20%（OIF建議SD-FEC的開銷不超過20%），使得100G的線路速率達(dá)到128Gb/s，這有可能在非線性和濾波效應(yīng)方面對(duì)傳輸性能造成影響。表2給出了現(xiàn)階段幾種SD-FEC技術(shù)的編碼增益和規(guī)模等參數(shù)。

表2 現(xiàn)階段幾種SD-FEC技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)比較

基于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量以接近兩年翻一番的速度迅速膨脹，以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在100GE上支持OTU4接口的進(jìn)展，100G波分技術(shù)成熟和商用的步伐將進(jìn)一步加快。以偏振復(fù)用、正交四相位調(diào)制、相干接收和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為核心的100G PDM-QPSK相干技術(shù)的誕生和成熟，標(biāo)志著波分系統(tǒng)由傳統(tǒng)的模擬光傳輸系統(tǒng)向數(shù)字化光傳輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，已成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

三、結(jié)束語

技術(shù)的成熟和先進(jìn)一直以來是對(duì)立面，而對(duì)于技術(shù)的選擇又要考慮到網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)的完全性。40G是我們走上100G的必經(jīng)之路，而100G的商用步伐正在加快，OTN、PTN等新技術(shù)在網(wǎng)上規(guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用的不斷深入，100G必將迎來更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展。