基于反向復(fù)用技術(shù)的100G光傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

歐陽長(zhǎng)冬，劉其超,史朝翔，常建新，高　猛

(1. 重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.新普矽谷(北京)科技有限公司，北京 100085)

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基于反向復(fù)用技術(shù)的100G光傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

歐陽長(zhǎng)冬1，劉其超1,史朝翔1，常建新2，高猛2

(1. 重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.新普矽谷(北京)科技有限公司，北京 100085)

基于PDM-QPSK(偏振復(fù)用-正交相位調(diào)制)以及相干光加高速DSP技術(shù)的100G傳輸技術(shù)在骨干網(wǎng)的應(yīng)用越來越成熟。然而，此100G傳輸方案價(jià)格依然昂貴，當(dāng)采用100G應(yīng)用于底層網(wǎng)絡(luò)，例如接入網(wǎng)以及數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的互聯(lián)互通時(shí)，價(jià)格成本考量就顯得尤為突出。提出了一種新型的100G傳輸方案，以反向復(fù)用技術(shù)與多通道分發(fā)(MLD-MultiLaneDistribution)技術(shù)為基礎(chǔ)并實(shí)現(xiàn)了基于此方案的樣機(jī)設(shè)計(jì)，并且完成了48小時(shí)的160km的無誤碼傳輸測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，此方案基于傳統(tǒng)單模光纖的100G傳輸性能良好，且是真正實(shí)現(xiàn)了低成本的100G傳輸方案。

100GE；100GCFP；反向復(fù)用；多通道分發(fā)

隨著視頻業(yè)務(wù)、企業(yè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、大型數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)4G/5G互聯(lián)網(wǎng)的興起以及云計(jì)算等新興業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)電信傳輸網(wǎng)絡(luò)已顯露出很多不適應(yīng)。新興業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求量巨大，傳統(tǒng)以10G/40G為主的光傳輸網(wǎng)絡(luò)面臨著極大的挑戰(zhàn)。近年來，擁有100G端口的交換機(jī)、路由器已經(jīng)初步進(jìn)入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)這一改變，作為支撐的光傳輸網(wǎng)也即將開始進(jìn)入100G的傳輸時(shí)代。經(jīng)過多年的發(fā)展，100G技術(shù)已日漸成熟。以PDM-QPSK(偏振復(fù)用-正交相移鍵控)調(diào)制方式，相干接收技術(shù)為基礎(chǔ)的100G傳輸系統(tǒng)已成為業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，目前此方案的成本依然非常昂貴，相對(duì)應(yīng)的設(shè)備也是體積龐大，耗電量驚人，對(duì)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本要求也極高，這些只能是把100G傳輸應(yīng)用局限在骨干、核心網(wǎng)。這里認(rèn)為100G傳輸技術(shù)下一個(gè)階段的發(fā)展將在底層網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，例如城域網(wǎng)、接入網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)互通。而基于傳統(tǒng)的PDM-QPSK調(diào)制方式和復(fù)雜的高速DSP算法的100G傳輸方案由于其昂貴的價(jià)格和較高的芯片技術(shù)要求，使其無法應(yīng)用于對(duì)成本要求非常敏感的低端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。因此，在城域網(wǎng)、接入網(wǎng)以及大型數(shù)據(jù)中心互聯(lián)互通應(yīng)用領(lǐng)域的100G傳輸，如何在性能和成本上尋找一個(gè)平衡成為一個(gè)迫切需要解決的問題。

1　100G傳輸發(fā)展研究及系統(tǒng)特點(diǎn)

目前，在100GE長(zhǎng)途骨干網(wǎng)傳輸領(lǐng)域，多數(shù)學(xué)者將主要研究點(diǎn)放在了基于新型調(diào)制方式，例如PDM-QPSK調(diào)制，以及相干接收和DSP(數(shù)字信號(hào)處理)算法為基礎(chǔ)的傳輸方案。這種方案采用單波長(zhǎng)傳輸100G信號(hào)，波長(zhǎng)利用率較高。在配以WDM(波分復(fù)用)系統(tǒng)，傳輸帶寬將大大增加。其中，PDM-QPSK通過采用2個(gè)偏振態(tài)來傳輸bit信息，能將通道速率降低50%，同時(shí)，由于每個(gè)偏振態(tài)可以使用4個(gè)(差分)相位來表示bit信息，又可以實(shí)現(xiàn)通道速率降低50%，因此，對(duì)于112Gbit/s的比特速率而言，經(jīng)PDM4-QPSK編碼后，比特速率可以降至28Gbit/s，這樣的信號(hào)帶寬使得100Gbit/s可用于50GHz間隔DWDM系統(tǒng)。相干檢測(cè)方式基本的原理為用1個(gè)本地載波與同頻的載波信號(hào)進(jìn)行相干混頻。相干解調(diào)可比非相干獲得更高的接收機(jī)靈敏度，同樣也可獲得更好的OSNR(光信噪比)靈敏度[1]。由于100G系統(tǒng)性能要求高，單靠光層技術(shù)還不能完全滿足要求，因此需要電層方面的信號(hào)處理來進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能，這就是高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。高速DSP集成芯片的研發(fā)成為100G系統(tǒng)商用的關(guān)鍵因素之一[2]。在接收端，通過采用相干接收以及高速DSP算法，去除色散、噪聲、非線性效應(yīng)帶來的不利因素，還原出原來的100GE信號(hào)。另一方面，隨著100G傳輸在骨干網(wǎng)及核心網(wǎng)的高速發(fā)展，價(jià)格更加敏感的城域網(wǎng)、接入網(wǎng)以及大型數(shù)據(jù)中心的交換機(jī)、路由器也正在逐步向100GE和100GOTN接口升級(jí)，而骨干網(wǎng)中的PDM-QPSK調(diào)制方式和快速DSP算法的100G傳輸方案由于價(jià)格昂貴、體積龐大、耗電量高，無法滿足100G傳輸在這些低端領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)低成本的100G傳輸就尤其顯得更加具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出了一種新型的基于反向復(fù)用技術(shù)(Inverse-Multiplexing)和多通道分發(fā)技術(shù)(Multiplex-LanesDistribution)的低成本100G傳輸方案。此方案沒有采用相干接收方式和復(fù)雜的高速DSP算法，與傳統(tǒng)的基于PDM-QPSK和DSP算法的方案相比，可節(jié)約至少50%的成本代價(jià)，滿足了人們對(duì)降低100G傳輸成本的迫切要求。另一方面，小型化低功耗也是一個(gè)訴求，研究開發(fā)的設(shè)備機(jī)箱尺寸為標(biāo)準(zhǔn)電信級(jí)1RU(1.75in高，19in寬)，且是世界上目前已知的尺寸和功耗最小的100G傳輸設(shè)備(100W)。此100G方案適用于點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，例如數(shù)據(jù)中心路由器、交換機(jī)的100G接口互連互通，或者一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)企業(yè)網(wǎng)或者接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。此方案可以無中繼傳輸100GE或100GOTN至少80km。該設(shè)備自帶光放大器和色散補(bǔ)償器，通過可插拔EDFA(摻鉺光纖放大器)和DCM(色散補(bǔ)償)(基于FBG技術(shù))模塊，傳輸距離可進(jìn)一步提高，可以達(dá)到至少160km。本研究開發(fā)的另一個(gè)最大亮點(diǎn)是在同樣的硬件平臺(tái)上，用戶可以將用戶側(cè)的100GCFP光模塊，通過熱插拔的方式換成40GCFP光模塊，再加上一些必要的軟件配置，可以向下兼容40G光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。這個(gè)獨(dú)到的特性是由于在設(shè)計(jì)中采用了多通道分發(fā)(Multiplex-LaneDistribution)技術(shù)，而40G傳輸只是占用了100G傳輸中10個(gè)通道中的4個(gè)從而實(shí)現(xiàn)兼用的目的。這是目前已知唯一的用戶可以按照不同速率業(yè)務(wù)要求實(shí)現(xiàn)彈性配置，實(shí)現(xiàn)100G或40G傳輸需求的平臺(tái)設(shè)備，可以滿足城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心對(duì)不同速率接口傳輸?shù)囊蟆?/p>

2　基于反向復(fù)用技術(shù)的100G傳輸

2.1系統(tǒng)概述

如圖1是基于反向復(fù)用技術(shù)的100G傳輸方案的系統(tǒng)框圖?？蛻魝?cè)采用標(biāo)準(zhǔn)的100G信號(hào)模塊(CFP光模塊)，支持符合100BASE-SR10 (10×10G,MF,100m)和100BASE-LR4 (4×25G,1 310nm, 800GHz,10km)標(biāo)準(zhǔn)的100G信號(hào)。IEEE802.3ba標(biāo)準(zhǔn)定義了100G以太網(wǎng)傳輸?shù)男盘?hào)處理方式與線纜類型，其中，物理層被進(jìn)一步劃分為PCS(物理編碼子層)、PMA(物理介質(zhì)連接子層)和PMD(物理介質(zhì)相關(guān)子層)。在物理層劃分20路虛通道，虛通道概念是反向復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)。采用MLD(多通道分發(fā))機(jī)制處理高速的40G/100G數(shù)據(jù)流可以大大降低對(duì)硬件時(shí)鐘頻率的要求，便于適配PMD層到光纖介質(zhì)多通道的連接[6]。CFP光模塊對(duì)接收到的4路25Gbit/s的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成4路25Gbit/s電信號(hào)，再在PMA物理子層進(jìn)行4∶10的通道轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成符合CAUI接口的10路10.312 5Gbit/s的電信號(hào)，再送入主板ASIC進(jìn)行處理。為了獲得更好的傳輸性能和一些必要的網(wǎng)絡(luò)管理功能，采用10路OTN芯片，將10路CAUI信號(hào)分別采用比特透明傳輸?shù)姆绞?，映射進(jìn)OTN幀中，再加上FEC(前向糾錯(cuò)編碼)，就可成為10路獨(dú)立的OTU1e/OTU2e數(shù)據(jù)格式的OTN幀。通過OTN幀格式中的GCC通道，可以實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)OSC功能。經(jīng)過OTN的數(shù)字封裝處理后，10路信號(hào)由10路DWDM的SFP+光模塊進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。在發(fā)送端，10路光信號(hào)被MUX復(fù)用進(jìn)一根光纖中進(jìn)行傳輸，接收端采用DEMUX將接收到的信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用處理。100G傳輸設(shè)備樣機(jī)如圖2所示。

圖1　100G傳輸設(shè)計(jì)框圖

圖2　100G傳輸設(shè)備樣機(jī)

2.2調(diào)制碼型分析

在10G光通信系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)制方式一般采用NRZ(非歸零碼)，IM-DD(強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè))。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要面向城域網(wǎng)領(lǐng)域，系統(tǒng)客戶側(cè)采用NRZ(非歸零碼)碼，同時(shí)線路側(cè)的采用SFP+光模塊，線路側(cè)調(diào)制碼型同樣選用NRZ碼。NRZ碼型在10G或40G系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，其技術(shù)水平，芯片技術(shù)已經(jīng)基本成熟。文獻(xiàn)[7]指出，非歸零碼(NRZ)相對(duì)于歸零碼(RZ)能夠較好地解決功率受限問題,因?yàn)榧す馄鞯陌l(fā)光功率是有一定限度的，NRZ編碼100%的占空比能夠使系統(tǒng)獲得最大的發(fā)射功率。該調(diào)制碼型具有以下特點(diǎn)：應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低、頻譜效率高，由于NRZ碼頻譜比較窄，有利于降低WDM系統(tǒng)中相鄰信道的干擾[7]，由于采用強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制方式較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且解調(diào)方式較為簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的光電檢測(cè)器就可以將需要的信號(hào)解調(diào)出來，是目前光纖通信中應(yīng)用較為廣泛的一種調(diào)制碼型。因此與PDM-QPSK調(diào)制方式相比，成本大大降低，易于實(shí)現(xiàn)。采用QPSK調(diào)制方式的100G信號(hào)與現(xiàn)有強(qiáng)度調(diào)制的10G、40G信號(hào)混合傳輸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的XPM/XpolM效應(yīng)[8]。因此，采用10路SFP+光模塊的NRZ調(diào)制方式，可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)網(wǎng)10GNRZ信號(hào)的混合傳輸而較少地產(chǎn)生傳輸損傷，避免NRZ碼與PDM-QPSK碼混合傳輸產(chǎn)生的非線性效應(yīng)對(duì)QPSK碼的影響，這對(duì)與現(xiàn)網(wǎng)10G系統(tǒng)混合傳輸具有重要意義。

2.3虛通道時(shí)延處理

根據(jù)IEEE802.3ba標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)通信鏈路中的通道時(shí)延應(yīng)控制在180ns以內(nèi)。PCS子層采用虛通道概念，將經(jīng)過64B/66B編碼過的碼塊分發(fā)到20路虛通道上。在光纖連接的光通道中會(huì)產(chǎn)生通道時(shí)延，在PCS子層采用對(duì)齊碼塊來處理通道時(shí)延。在CFP光模塊中，一般采用FIFOs(先進(jìn)先出)緩存處理，來降低傳輸過程中的時(shí)鐘抖動(dòng)，使各虛通道時(shí)延控制在70ns以內(nèi)。

3　系統(tǒng)性能分析及結(jié)果

圖3、圖4和圖5分別展示了三種不同的傳輸性能測(cè)試方案。在光纖通信系統(tǒng)中，接收靈敏度和色散代價(jià)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。圖3采用了20dB的固定衰減器衰減模擬光纖損耗，在接收端采用可調(diào)衰減器控制接收功率大小，并由此得到BER(誤碼率)曲線，如圖6所示。

其中，接收功率為10路通道的總功率。由圖知，在誤碼率在10-12量級(jí)處10路光纖通道總的接收靈敏度為-17.8dBm左右。圖4采用80km單模光纖代替固定衰減器。經(jīng)過80km的傳輸，總接收靈敏度有所增加，如圖7所示。這是由于光纖的色散會(huì)降低系統(tǒng)傳輸性能。因此，80km傳輸?shù)纳⒋鷥r(jià)為2～2.5dB左右。

圖3　20 dB衰減點(diǎn)到點(diǎn)環(huán)回傳輸

圖4　80 km單模光纖無誤碼傳輸

圖5　160 km單模光纖無誤碼傳輸

圖6　20 dB衰減的接收靈敏度

圖7　加80 km光纖的long-haul側(cè)接收靈敏度

在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸距離可能會(huì)大于80km。圖5是160km的100G傳輸測(cè)試。其中，系統(tǒng)采用前置放大器(Pre-EDFA)、功率放大器(BoostEDFA)和色散補(bǔ)償模塊(DCM)來增大傳輸距離?？筛鶕?jù)傳輸距離，靈活配置EDFA的增益大小。采用安立公司的100G測(cè)試儀(MD1260A)，經(jīng)過24小時(shí)的100GE流量傳輸測(cè)試，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無誤碼傳輸，如圖8所示。在通信鏈路中，要合理控制各虛通道間的時(shí)延，使其在合理范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)CFP模塊中采用了FIFOs緩存處理時(shí)鐘抖動(dòng)，使20路虛通道時(shí)延控制在70ns之內(nèi)，如圖9所示。

圖8　100G測(cè)試儀(MD1260A)無誤碼傳輸測(cè)試(截圖)

圖9　各虛通道的skew測(cè)試(截圖)

4　結(jié)論

本文提出了一種基于反向復(fù)用技術(shù)(Inverse-Multiplexing)和多通道分發(fā)(MLDMultiplex-LanesDistribution))技術(shù)的100G低成本的傳輸方案。此方案樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了160km單模光纖24小時(shí)無誤碼傳輸測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)的無誤碼傳輸。此設(shè)備大小只有1RU，且功率只有100W左右，是目前已知世界上尺寸和功耗最小的100G傳輸設(shè)備。此方案與傳統(tǒng)PDM-QPSK方案相比,具有至少50%的成本優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)低成本、低功耗100G傳輸具有非?，F(xiàn)實(shí)有效的意義。此外，本研究開發(fā)的另一個(gè)亮點(diǎn)是在同樣的硬件平臺(tái)上，用戶可以依照不同要求實(shí)現(xiàn)不同速率100G或40G光信號(hào)的彈性配置以及長(zhǎng)距離的傳輸需求。

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歐陽長(zhǎng)冬(1990— )，碩士生，主研100G光纖通信；

劉其超(1990— )，女，碩士生，主研光纖通信；

史朝翔(1964— )，教授，主研光纖通信。

責(zé)任編輯：薛京

Implementationanddesignof100Gopticaltransmissionsystembasedoninverse-multiplexingtechnology

OUYANGChangdong1,LIUQichao1,SHIChaoxiang1，CHANGJianxin2，GAOMeng2

(1.School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065,China；2. CNMP Networks, INC Beijing, Beijing 100085，China)

ThecoherentPMQPSK100Gtechnologyisgettingmaturedandrapidlydeployedintelecombackbonenetwork.However,thecoherentandhighspeedDSPbased100Gtechnologyisstilltoomuchexpensive,especially,when100Ggoestoaccessnetworkanddatacenterswitchinter-connectionapplications.Anew100Gtechnologywhichisbasedoninverse-multiplexingtechnologyandMLD(Multiplex-laneDistribution)mechanismisproposed.Wehaveprototypedthisideaintoalowcostandreal100Gsystem,andsuccessfullycompletederrorfreetransmissionover48hoursthroughtheconventional160kmSMfiberusingastandard100GbEsignal.

100GE;100GCFP;inverse-multiplexing;MLD

TN915

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.022

2015-12-10

文獻(xiàn)引用格式：歐陽長(zhǎng)冬，劉其超，史朝翔，等.基于反向復(fù)用技術(shù)的100G光傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(7)：99-103.

YANGY，LIJX.Implementationanddesignof100Gopticaltransmissionsystembasedoninverse-multiplexingtechnology[J].Videoengineering，2016，40(7)：99-103.