100GDWDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)原理

黃旭

【摘要】通信網(wǎng)絡(luò)中高速率業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬提出了更高、更迫切的需求。從目前主流的10/40Gbps光傳輸技術(shù)向100Gb/s演進(jìn)成為光傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文簡(jiǎn)述了100G DWDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基本原理，分析了100G系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)并詳細(xì)介紹了100Gb/s線路側(cè)光模塊基本實(shí)現(xiàn)原理。

【關(guān)鍵詞】100G DWDM；PM-QPSK；相干接收；DSP算法

【Abstract】The continuous development of high-speed services in the communication network puts forward higher and more urgent demand for the existing network transmission bandwidth. From the current mainstream 10 / 40Gbps optical transmission technology to 100Gb / s evolution as the development trend of optical transmission technology. This paper briefly introduces the basic principle of 100G DWDM system key technology， analyzes the technical characteristics and advantages of 100G system and introduces the basic realization principle of 100Gb / s line side optical module in detail.

【Key words】100G DWDM；PM-QPSK；Coherent reception；DSP algorithm

1. 100G系統(tǒng)簡(jiǎn)介

（1）根據(jù)定義，由光傳送設(shè)備承載的100G傳送數(shù)據(jù)包能夠迅速完成任何類型100G數(shù)據(jù)的傳輸，其封裝格式是OTN或者以太網(wǎng)。總流量分布在城域、局域以及長(zhǎng)途密集波分復(fù)用（DWDM）網(wǎng)絡(luò)上。目前ITU組織研究的重點(diǎn)是利用現(xiàn)有100G以太網(wǎng)規(guī)范，IEEE802.3ba，在現(xiàn)有40G和10G基礎(chǔ)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)100G OTN。

（2）這能夠滿足越來(lái)越高的帶寬需求，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少了用于管理的波長(zhǎng)，提高了頻譜總效率，最終降低了成本。根據(jù)定義，目前實(shí)現(xiàn)的100G以太網(wǎng)覆蓋距離比100G傳送網(wǎng)要短一些，一般為40Km。100G以太網(wǎng)和100G傳送網(wǎng)有相似的目標(biāo)，即，尋找以低成本實(shí)現(xiàn)高性能快速鏈接的方法。

（3）OTN含有的網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議要求能夠滿足這些需求，以系統(tǒng)方式在光介質(zhì)上傳輸信息。本文重點(diǎn)介紹通過(guò)光纖承載傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)載荷。建立同步數(shù)字體系（SDH）等OTN機(jī)制也在這一定義范圍之內(nèi)，但是我們主要關(guān)注LAN到WAN的應(yīng)用，特別是40GbE和100GbE應(yīng)用（802.3ba）。出于這一標(biāo)準(zhǔn)化以及工作規(guī)劃的目的，所有OTN新功能以及相關(guān)技術(shù)都被認(rèn)為是電信標(biāo)準(zhǔn)局（ITU-T標(biāo)準(zhǔn)）的工作范疇。

2. 100G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）。

正交相移鍵控（QPSK）是一種多元（4元）數(shù)字頻帶調(diào)制方式，其信號(hào)的正弦載波有4個(gè)可能的離散相位狀態(tài)，每個(gè)載波相位攜帶2個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。PM-QPSK將單個(gè)100G信號(hào)分成2個(gè)具有不同偏振狀態(tài)的50G載波信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)載波做QPSK調(diào)制。因此，該方式能將通道波特速率降到一半，同時(shí)，由于每個(gè)偏振態(tài)可以使用4個(gè)相位來(lái)表示bit信息，有可以實(shí)現(xiàn)通道波特速率降到一半，因此，經(jīng)過(guò)PM-QPSK編碼后，波特率可以降至bit率的四分之一。

下圖1為PM-QPSK編碼方式示意圖：

2.2 SD-FEC。

（1）FEC技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，不同的FEC能獲得不同的系統(tǒng)性能，根據(jù)接收信號(hào)處理方式的不同，F(xiàn)EC可分為硬判決碼和軟判決碼。

硬判決碼是基于傳統(tǒng)糾錯(cuò)碼觀點(diǎn)的譯碼方式，解調(diào)器首先對(duì)信道輸出值進(jìn)行最佳硬判決，硬判決的FEC冗余度約為7%，已在光通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（2）軟判決譯碼則充分利用了信道輸出的波形信息，解調(diào)器將匹配濾波器輸出的一個(gè)實(shí)數(shù)值送入譯碼器，即軟判決譯碼器需要的不僅僅是“0/1”碼流，還需要“軟信息”來(lái)說(shuō)明這些“0/1”的可靠程度，即離判決門(mén)限越遠(yuǎn)，判決的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要體現(xiàn)遠(yuǎn)近程度就要把判決空間劃分得更細(xì)。除了劃分“0/1”的門(mén)限，還要用“置信門(mén)限”將“0”和“1”空間進(jìn)行劃分以說(shuō)明判決點(diǎn)在判決空間的相對(duì)位置。與硬判決相比，軟判決包含了更多的信道信息，譯碼器能夠通過(guò)概率譯碼充分利用這些信息，從而獲得比硬判譯碼更大的編碼增益。

（3）OIF建議100G選擇冗余度小于20%的軟判決糾錯(cuò)編碼（SD-FEC），凈編碼增益可達(dá)10.5dB左右，采用SD-FEC的100G技術(shù)，能基本達(dá)到與10G同量級(jí)的傳輸距離。

2.3 相干技術(shù)。

（1）相干是指波的振動(dòng)量相同，振動(dòng)方向、頻率相同，而且相位關(guān)系固定信號(hào)的解調(diào)機(jī)制。利用調(diào)制信號(hào)的載波和接收到的已調(diào)信號(hào)相乘，然后通過(guò)低通濾波得到調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)方式。相干檢測(cè)可檢測(cè)強(qiáng)度，相位以及頻率調(diào)制的光載無(wú)線 信號(hào)。光信號(hào)在進(jìn)入光接收機(jī)之前與接收端的本振激光器（LO）進(jìn)行混頻，產(chǎn)生一個(gè)等于本振激光器的頻率和原光源頻率之差的中頻分量。

（2）與直接檢測(cè)相比，相干檢測(cè)更容易獲得大的信噪比，可恢復(fù)的信號(hào)種類較多，并且頻率選擇性較好，更適合密集波分復(fù)用系統(tǒng)。數(shù)字相干接收機(jī)通過(guò)相位分集和偏振態(tài)分集將光信號(hào)的所有光學(xué)屬性映射到電域，利用成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道線性損傷（CD、PMD）補(bǔ)償，簡(jiǎn)化傳輸通道光學(xué)色散補(bǔ)償和偏振解復(fù)用設(shè)計(jì)，減少和消除對(duì)光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。但數(shù)字相干接收機(jī)將傳輸通道設(shè)計(jì)的復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到了接收機(jī)，相干檢測(cè)獲得較好的檢測(cè)性質(zhì)代價(jià)就是大大提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且缺乏靈活性。endprint

3. 100G實(shí)現(xiàn)的基本原理

3.1 傳送網(wǎng)承載以太網(wǎng)幀。

目前，以太網(wǎng)是專網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主要LAN技術(shù)，公共傳送網(wǎng)也支持新出現(xiàn)的多協(xié)議/多業(yè)務(wù)以太網(wǎng)。從IEEE802的一系列標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，ITU-T和其他組織還在討論公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和幀傳送標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)施協(xié)議。以太網(wǎng)的主要構(gòu)成是業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層。

3.1.1 業(yè)務(wù)層。

（1）公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層（對(duì)于業(yè)務(wù)供應(yīng)商）包括不同的業(yè)務(wù)市場(chǎng)，拓?fù)溥x擇以及持有模型等。所采用的持有模型以及使用的拓?fù)漕愋投x了公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

（2）根據(jù)所支持的三類業(yè)務(wù)，對(duì)拓?fù)溥x擇進(jìn)行了分類，即線路業(yè)務(wù)、LAN業(yè)務(wù)和接入業(yè)務(wù)。線路業(yè)務(wù)本質(zhì)上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，包括以太網(wǎng)專用和虛擬線路等業(yè)務(wù)。LAN業(yè)務(wù)本質(zhì)上是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，包括虛擬LAN業(yè)務(wù)。接入業(yè)務(wù)本質(zhì)上是分散式結(jié)構(gòu)，支持一個(gè)ISP/ASP為多個(gè)客戶提供服務(wù)。（從公共網(wǎng)絡(luò)角度看，由于其相似性，線路和接入業(yè)務(wù)本來(lái)就是一樣的）。

（3）業(yè)務(wù)層提供不同的服務(wù)質(zhì)量。SDH等電路交換技術(shù)提供有保證的比特率，而MPLS等包交換技術(shù)提供各種服務(wù)質(zhì)量，從盡力而為到有保證的比特率?？梢栽谝蕴W(wǎng)MAC層以及以太網(wǎng)物理層提供以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)層。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層支持以太網(wǎng)業(yè)務(wù)端之間以太網(wǎng)MAC幀的端到端傳輸，由MAC地址區(qū)分業(yè)務(wù)端具體業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)能夠以線路、LAN和接入業(yè)務(wù)的形式，通過(guò)SDHVC和OTN ODU等電路交換技術(shù)，或者M(jìn)PLS和RPR等包交換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于以太網(wǎng)LAN業(yè)務(wù)，可以在公共傳送網(wǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC橋接，將MAC幀轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目的地址。以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù)不限于IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的物理數(shù)據(jù)速率（例如，10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、100Gbps），因此，能夠以任意比特率提供以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù)。

3.1.3 物理層。

IEEE為以太網(wǎng)定義了一組明確的物理層數(shù)據(jù)速率，并提供一組接口選擇（電或者光）。以太網(wǎng)物理層在公共傳送網(wǎng)上透明傳輸數(shù)據(jù)，使用透明GFP映射技術(shù)，將10GbEWAN等信號(hào)通過(guò)OTN傳送，或者將1GbE信號(hào)通過(guò)SDH傳送。以太網(wǎng)物理層業(yè)務(wù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，總是采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率。與以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)相比，它不夠靈活，但是延時(shí)很低。

3.2 采用運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持OTN。

（1）以太網(wǎng)最初雖然是設(shè)計(jì)用在LAN環(huán)境中，但現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)（MAN）中。以太網(wǎng)在多方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括更高的比特率和長(zhǎng)距離接口、基于以太網(wǎng)的接入網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、更新能力、骨干網(wǎng)供應(yīng)商橋接、可靠的保護(hù)技術(shù)、QoS流量控制和流量調(diào)理等，因此，它能夠作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的承載網(wǎng)。此外，以太網(wǎng)很容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈接，在現(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送技術(shù)下，需要n×（n-1）/2路鏈接。

（2）如圖2所示，運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴(kuò)展到WAN，嘗試進(jìn)入整個(gè)通信支撐系統(tǒng)中。其目的是為用戶提供WAN技術(shù)將站點(diǎn)鏈接起來(lái)，其方式與運(yùn)營(yíng)商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術(shù)相似。運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)不是LAN采用的以太網(wǎng)，例如，客戶在桌面以及服務(wù)器房間中使用的以太網(wǎng)。

3.3 100G實(shí)現(xiàn)基本原理。

3.3.1 100G線路側(cè)模塊發(fā)送端基本原理。

（1）100Gb/s線路側(cè)光模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用于長(zhǎng)距離光傳輸，支持OTU4的DWDM設(shè)備線路側(cè)傳輸。下圖3為100Gb/s線路側(cè)光模塊發(fā)送端的原理框圖。

（2）如圖所示，可調(diào)諧激光器（ITLA）輸出的連續(xù)光送入QPSK調(diào)制器（Modulator），在調(diào)制器中通過(guò)一個(gè)偏振分離器件產(chǎn)生PBS后成為兩路偏振太相互正交的光波，沒(méi)個(gè)偏振太分別由一個(gè)QPSK調(diào)制器對(duì)該光波進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號(hào)時(shí)有MUX產(chǎn)生的兩路I和O信號(hào)，通過(guò)寬帶放大器（Driver）將I和O信號(hào)放大，施加在調(diào)制器上產(chǎn)生電光調(diào)制。調(diào)制后的兩路QPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)PBC合成一路PM-QPSK偏振復(fù)用信號(hào)輸出。對(duì)于QPSK調(diào)制器（Modulator）還需要通過(guò)閉環(huán)控制對(duì)其I、Q和Pi/2相位多個(gè)偏置點(diǎn)進(jìn)行反饋控制（MZ bias control），使QPSK調(diào)制器（Modulator）長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作在正常的偏置狀態(tài)。此外，發(fā)射單元還通過(guò)SD-FEC的編碼器（SD-FEC Encoder）將需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并輸入到MUX（X）和MUX（Y）中，通過(guò)并串轉(zhuǎn)的方式產(chǎn)生4路串行數(shù)據(jù)輸出到渠道器（Driver）中。

3.3.2 模塊接收側(cè)基本原理。

（1）如圖4所示PM-QPSK光信號(hào)講過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，由光模塊的相干接收單元（Coherent Detection）接收，光信號(hào)通過(guò)偏振分束器分為兩個(gè)相互正交的偏振光信號(hào)，記為X方向和Y方向，X方向和Y方向的光信號(hào)分別于相應(yīng)本振偏振光進(jìn)行90度相干混頻（900Hybrid），混頻輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)平衡光電檢測(cè)器（O/E）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)ADC進(jìn)行抽樣和量化處理，完成模擬/數(shù)字變換，最后，抽樣量化后的離散數(shù)字序列被送入數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元中進(jìn)行處理。

（2）在數(shù)字信號(hào)處理單元（DSP）中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)鐘恢復(fù)處理實(shí)現(xiàn)同步，經(jīng)電域均衡實(shí)現(xiàn)偏振解復(fù)用及去CD，PMD及部分非線性效應(yīng)損傷，通過(guò)頻偏估計(jì)和相應(yīng)判決處理消除本振光源和發(fā)送光載波的頻差以及相位噪聲的影響。然后將處理后的數(shù)據(jù)送入SD-FEC解碼器單元（SD-FEC Decoder）進(jìn)行解碼，最后恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號(hào)。

3.3.3 DSP算法基本原理。

3.3.3.1 數(shù)字信號(hào)處理單元完成DSP算法，該算法只要可以分成5個(gè)子功能：數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)（Clock Recovery）、均衡和偏振解復(fù)用（Equalization with Polarization Demultiplexing）、頻偏估計(jì)（Carrier Estimation），相偏估計(jì)（Phase Estimation）、解碼和數(shù)據(jù)恢復(fù)（Slicer &Decoder）。其功能框圖如圖4所示。endprint

3.3.3.2 下面對(duì)將分別對(duì)框圖中各單元進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

（1）數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)。

數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)的目的是：由于ADC的采樣時(shí)鐘是獨(dú)立于發(fā)射端的符號(hào)時(shí)鐘的，所以必須利用插值濾波器接收機(jī)的符號(hào)取樣時(shí)刻，使得調(diào)整后的接收機(jī)采樣時(shí)鐘與發(fā)射符號(hào)時(shí)鐘同步，即保證ADC的采樣速率與符號(hào)速率完全吻合。

（2）均衡和偏振解復(fù)用。

均衡和偏振解復(fù)用是對(duì)單個(gè)偏振太進(jìn)行的。均衡的作用是消除由于信道的線性因素造成的信號(hào)串?dāng)_，可以采用固定或可變抽頭系數(shù)的FIR實(shí)現(xiàn)而偏振解復(fù)用需要采用蝶形濾波器實(shí)現(xiàn)；偏振解復(fù)用是為了將兩個(gè)偏振太的信號(hào)分離開(kāi)。因?yàn)樾盘?hào)傳輸時(shí)，兩個(gè)偏振太中間有串?dāng)_（偏振耦合造成），而且由于偏振旋轉(zhuǎn)，接收端PBS之后的信號(hào)偏振太與初始偏振太不對(duì)應(yīng)。

（3）載波頻偏估計(jì)。

由于激光器的非理想特性，光相干接收機(jī)種本振激光器的振蕩頻率，可能會(huì)與載波頻率之間存在一定的偏差，這個(gè)頻率偏差反映在符號(hào)上，是相位的偏移，對(duì)于PM-QPSK這種相位調(diào)制系統(tǒng)而言，必須去除頻偏帶來(lái)的相位偏移，才有可能解調(diào)出最后的數(shù)據(jù)符號(hào)，因此，頻偏估計(jì)是接收機(jī)種不可缺少的一個(gè)模塊。其原理是對(duì)頻偏大小的檢測(cè)，在根據(jù)估計(jì)出的頻偏值，對(duì)符號(hào)進(jìn)行相位修正以去除頻偏的影響。

（4）載波相偏估計(jì)。

由于激光器存在線寬，所以其真實(shí)振蕩頻率附近會(huì)產(chǎn)生一些相位偏移，再加上頻偏估計(jì)的誤差，使得頻偏估計(jì)之后的符號(hào)，其相位偏移依然存在，并且這個(gè)偏移量隨著時(shí)間而變化，可以覆蓋到0到2π所有范圍。載波相位恢復(fù)的目的就是去除這部分相位偏移量，使其輸出的符號(hào)相位可以直接用于符號(hào)判決。載波相位估計(jì)的基本原理是獲得出了信息相位意外的相位偏移量，并從每個(gè)符號(hào)中去除。

（5）解碼與數(shù)據(jù)恢復(fù)。

對(duì)于QPSK，在恢復(fù)出信號(hào)的相位后，可根據(jù)相位調(diào)制規(guī)則分別得到兩個(gè)偏振太的I、Q路信號(hào)；對(duì)于DQPSK，恢復(fù)出信號(hào)相位后，還需要將前后兩個(gè)符號(hào)的相位相減，再得到兩個(gè)偏振太的I、Q信號(hào)。

4. 100G系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

眾所周知，單信道速率的每一次提升，都會(huì)受到包括OSNR容限、色散、PMD及非線性等傳輸損傷的限制，因此需要更為先進(jìn)的技術(shù)來(lái)減小這些傳輸損傷的影響，100G融合了偏振復(fù)用、相位調(diào)制、超強(qiáng)FEC、相干檢測(cè)、DSP等多技術(shù)，現(xiàn)行100G技術(shù)解決方案特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）通過(guò)采用技術(shù)偏振復(fù)用，利用光信號(hào)的兩個(gè)偏振態(tài)之間相互正交特性來(lái)實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)光載波上攜帶兩路信息，使得信號(hào)碼元速率下降一半。

（2）利用QPSK技術(shù)可以使光載波攜帶的信息量增大一倍，與偏振復(fù)用的結(jié)合使得100G信號(hào)波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應(yīng)用在50GHz間隔的OTN系統(tǒng)中，同時(shí)也降低了信號(hào)對(duì)光纖非線性容忍度的要求。

（3）通過(guò)LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)碼）解決方案，以及軟判決方式，有效的提高和編碼增益。

（4）相干檢測(cè)與ADC和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的結(jié)合也是100G極為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)突破，相比于直接檢測(cè)和自相干解調(diào)方式，相干檢測(cè)及DSP技術(shù)結(jié)合能有效提高解調(diào)效率，提高接收機(jī)靈敏度，在電域均衡色散和PMD，降低成本等優(yōu)點(diǎn)。

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[8] 陳浩祺 40G DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 《光通信技術(shù)》 2011第三期.萬(wàn)方數(shù)據(jù).

[9] 40G光傳輸系統(tǒng)展望 《電信世界》 2002第二期.維普資訊網(wǎng).

[10] 張小丹，程丹，徐晶40G/100G以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用 《光通信技術(shù)》 2011第四期.

[11] 崔平、趙文玉等.100Gbs光收發(fā)模塊技術(shù)發(fā)展研究.中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)研究報(bào)告.（2011.11）.

[文章編號(hào)]1619-2737（2017）07-20-675endprint