40 Gbits光傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方案

摘要　隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，對(duì)骨干傳輸網(wǎng)提出了更高的傳輸速率需求，在此背景下40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)逐步進(jìn)入了歷史舞臺(tái)。首先對(duì)40 Gbit/s系統(tǒng)的應(yīng)用背景、采用的關(guān)鍵技術(shù)和所具備的優(yōu)勢進(jìn)行論述；然后給出40 G系統(tǒng)的商用方案，并對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

1、背景

自90年代中期以來，網(wǎng)絡(luò)容量一直以每5～6年翻4倍的速度穩(wěn)步增長。從622 M到2.5G，從2.5G到10G，光纖傳輸速率的每次飛躍過程用“道路曲折，前途光明”來形容最為貼切。近期，40G也將面臨類似向10G演進(jìn)時(shí)的微妙階段。目前普遍認(rèn)為，向40G邁進(jìn)的步伐明顯落后于容量增加的正常規(guī)律 [1]，其中的原因有多方面，包括市場需求迫切程度、大容量10G波分復(fù)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用、高速傳輸帶來的技術(shù)或成本難題以及電信泡沫的破裂等。同時(shí)，運(yùn)營商對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用更趨謹(jǐn)慎，對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)容量的提升采取了亦步亦趨的做法，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加理性。

光通信市場在經(jīng)歷低谷之后，如今元?dú)庖鸦镜靡曰謴?fù)，并呈現(xiàn)良好的上升勢頭?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（尤其寬帶業(yè)務(wù)）的迅猛發(fā)展極大地拉動(dòng)了市場對(duì)帶寬的需求，加上3重播放業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，使得運(yùn)營商有必要采用更高速率。因此，時(shí)隔幾年，沉寂了一段時(shí)間的40G系統(tǒng)再次進(jìn)入大家的視線，讓人們又一次充滿期待。

2、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

40 Gbit/s系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要廣泛應(yīng)用電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)。首先，需要將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)低速顆粒復(fù)用為40 Gbit/s信號(hào)，將其成幀；其次，選擇適合傳輸?shù)母袷竭M(jìn)行編碼，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)制；最后，將其發(fā)送到光纖上傳輸?shù)阶罱墓夥糯笳军c(diǎn)。完成這些工作需要解決許多關(guān)鍵技術(shù)問題，主要包括：IC材料技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、提高光信噪比（OSNR）技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、超級(jí)FEC等。

（1）IC材料技術(shù)

40 Gbit/s網(wǎng)絡(luò)隨著脈寬或脈沖間隔的變窄，信號(hào)抖動(dòng)和碼間干擾（ISI）對(duì)信號(hào)的影響也變得更差。為了保證高質(zhì)量的波形傳輸，就必須改善數(shù)字和模擬IC技術(shù)，以便高速、寬帶、低噪聲地對(duì)光波形進(jìn)行整形和再定時(shí)。另外，IC功能的改良和功耗的減少是縮減成本的必要途徑。

在40 Gbit/s系統(tǒng)中很多芯片需要采用InP（銦磷）材料，但是InP材料制作比較困難，同時(shí)由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得非常困難，插損大。

（2）調(diào)制技術(shù)

目前主要有3種傳統(tǒng)光調(diào)制器：直接調(diào)制分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）、電吸收外部調(diào)制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3馬赫-曾德爾（Mach Zehnder）外部調(diào)制。這些調(diào)制器的應(yīng)用領(lǐng)域是由他們各自的帶寬、啁啾脈沖和波長相關(guān)性所決定的。前兩種方式不適合高速系統(tǒng)，LiNbO3調(diào)制可以生成高速、低啁啾的傳輸信號(hào)，而且特性與波長沒有關(guān)系，被認(rèn)為是40 Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)的最佳選擇。

40G調(diào)制格式的選擇是一個(gè)難題。目前有多種方式，例如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼、光孤子、偽線性RZ、啁啾的RZ、全譜RZ、雙二進(jìn)制等等。從最新的研究成果分析，差分相移鍵控RZ碼（DPSK）顯得最有希望，這種調(diào)制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進(jìn)色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長。

（3）提高光信噪比技術(shù)

同10 Gbit/s WDM系統(tǒng)相比較，40 Gbit/s WDM系統(tǒng)有更多與光信噪比（OSNR）、色散、非線性作用、PMD等有關(guān)的尚待解決的問題。對(duì)于40 Gbit/s系統(tǒng)，為了要達(dá)到與10 Gbit/s系統(tǒng)相近的傳輸誤碼率，系統(tǒng)OSNR需提高6～8 dB。

（4）色散補(bǔ)償技術(shù)

從理論上看，色度色散代價(jià)和極化模色散代價(jià)都隨比特率的平方關(guān)系增長，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。由于小于100ps/nm色散容差很小，對(duì)于40 Gbit/s的系統(tǒng)來說有可能會(huì)造成極其嚴(yán)重的限制，所以，從系統(tǒng)靈活設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)采用可變色散補(bǔ)償器（VDC）進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的另一個(gè)很嚴(yán)重的制約因素是偏振模色散（PMD），它是由纖心的不對(duì)稱以及內(nèi)、外壓力（如光纖的彎曲）所致。由于引入了雙折射，光纖中的兩個(gè)傳播偏振模經(jīng)歷了群時(shí)延的微分（DGD），這導(dǎo)致了脈沖的加寬，即產(chǎn)生碼間干擾（ISI）并表現(xiàn)為比特誤差率的上升。

（5）超級(jí)FEC技術(shù)[2]

這是一個(gè)相對(duì)比較古老的技術(shù)，從1984年面世，至今才開始形成大規(guī)模的應(yīng)用。隨著光速率達(dá)到40 G，提高光信噪比的難度越來越大，成本和代價(jià)也越來越高，F(xiàn)EC就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的實(shí)用技術(shù)。特別是對(duì)于40 Gbit/s速率，采用帶外FEC已經(jīng)成為關(guān)鍵的使能技術(shù)之一，不僅可以使傳輸距離達(dá)到實(shí)用化要求，而且在一些短距離傳輸系統(tǒng)上，可以避免實(shí)施昂貴復(fù)雜的有源PMD補(bǔ)償。

3、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

基于所采用的關(guān)鍵技術(shù)以及本身的特性，40 Gbit/s系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。

（2）減少了OAM的成本、復(fù)雜性以及備件的數(shù)量。尤其在城域骨干網(wǎng)絡(luò)上，調(diào)度性、集成度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于4個(gè)10G系統(tǒng)，可以節(jié)省機(jī)房面積，減少設(shè)備堆疊，提高單節(jié)點(diǎn)設(shè)備的帶寬管理能力和調(diào)度能力。

（3）每比特的成本比其它的城域網(wǎng)的方案更加經(jīng)濟(jì)。

（4）通常單波長可以處理多個(gè)數(shù)據(jù)連接，核心網(wǎng)的功能將會(huì)大大地增強(qiáng)，40G將使業(yè)務(wù)得到更加高效和有保護(hù)的承載。

鑒于以上優(yōu)勢，40G將具有廣泛的應(yīng)用范圍。在商用模式具備后，40 Gbit/s接口將會(huì)出現(xiàn)在DWDM系統(tǒng)、ADM設(shè)備、大容量帶寬管理設(shè)備及路由器上[3]，將為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)POP節(jié)點(diǎn)提供高速互聯(lián)的功能。因此，40G系統(tǒng)將會(huì)在城域骨干網(wǎng)以及長途干線網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。

4、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用方案

近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和各類業(yè)務(wù)的不斷興起，對(duì)路由器（尤其是核心路由器）的容量需求不斷提高，單機(jī)640 Gbit/s容量的產(chǎn)品開始出現(xiàn)。而在實(shí)際運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)中，個(gè)別核心節(jié)點(diǎn)的容量需求已達(dá)Tbit/s量級(jí)?？梢灶A(yù)見，核心路由器將會(huì)迎來40G端口時(shí)代。根據(jù)試驗(yàn)情況，40G系統(tǒng)主要有3種應(yīng)用模式。

（1）新建N×40 Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò)

支持40 Gbit/s路由器的最佳傳輸方案是40 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)。目前在40 Gbit/s WDM技術(shù)方面領(lǐng)先的是兩個(gè)新興公司：Mintera和StrataLight，一些傳統(tǒng)設(shè)備商也聲稱自己的產(chǎn)品支持40 Gbit/s速率。從研究的結(jié)論來看，只要選用合適的光纖（PMD系數(shù)在0.1 ps/km1/2以內(nèi)），目前信道間隔100 GHz、傳輸距離1000 km以內(nèi)的40 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟，如果光纖損耗和跨距合適，可以不使用拉曼放大器。

（2）10/40 Gbit/s混傳

為了支持40 Gbit/s信號(hào)在現(xiàn)網(wǎng)中的傳輸，最可行的方案是在現(xiàn)有10 Gbit/s WDM系統(tǒng)中開通若干個(gè)40 Gbit/s速率波長通道，即10/40 G混傳技術(shù)[4]。

10/40 G混傳技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是50 GHz間隔的40 Gbit/s信號(hào)傳輸。由于近幾年新建了大量50 GHz間隔（C波段80波）的10 Gbit/s WDM系統(tǒng)，混傳模式的應(yīng)用必然要求在這些系統(tǒng)上開通40 Gbit/s波長信道。因?yàn)?0 GHz間隔的40 Gbit/s WDM系統(tǒng)頻譜利用率高達(dá)80%，濾波效應(yīng)、非線性效應(yīng)等不利因素的影響將極大限制系統(tǒng)傳輸性能。研究表明，采用CSRZ碼型，50 GHz間隔系統(tǒng)中40 Gbit/s信號(hào)的ONSR容限比100 GHz間隔系統(tǒng)中要高約2 dB；而且對(duì)OTU和濾波器件的波長穩(wěn)定性提出了更嚴(yán)格的要求，中心波長偏移超過0.02 nm就會(huì)帶來約1 dB的濾波代價(jià)。

（3）4×10 Gbit/s反向復(fù)用技術(shù)

40 Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)還是成本因素都存在較多的限制，而反向復(fù)用（IMUX）技術(shù)另辟捷徑，可以在10 Gbit/s WDM系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)40 Gbit/s信號(hào)的傳輸。

反向復(fù)用指的是在發(fā)送端將一路高速率信號(hào)解復(fù)用成為若干路低速率信號(hào)，經(jīng)過低速率的傳輸系統(tǒng)的傳輸后，在接收端將多路低速率信號(hào)復(fù)用成一路高速率信號(hào)。這與常用的復(fù)用技術(shù)正好相反，所以稱為反向復(fù)用。低速IMUX技術(shù)的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，但是不能因此低估了高速IMUX技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度，實(shí)際上目前40 Gbit/s IMUX技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度甚至大于40 Gbit/s WDM技術(shù)。

40 Gbit/s IMUX技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)現(xiàn)有10 Gbit/s WDM系統(tǒng)進(jìn)行任何改造，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)40 Gbit/s業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹С帧，F(xiàn)網(wǎng)中核心路由器之間一般直接通過WDM系統(tǒng)的波長信道相連接，在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，40 Gbit/s IMUX可以如圖1所示在兩個(gè)位置實(shí)現(xiàn)：第一個(gè)位置是路由器接口，即路由器接口板對(duì)內(nèi)（核心路由模塊）提供40 Gbit/s接口，對(duì)外提供4個(gè)10 Gbit/s接口，IMUX功能在路由器接口板上實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)位置是WDM設(shè)備業(yè)務(wù)側(cè)接口，即OTU業(yè)務(wù)側(cè)提供一個(gè)40 Gbit/s接口完成與路由器40 Gbit/s接口的對(duì)接，波分側(cè)用4個(gè)10 Gbit/s接口進(jìn)行傳輸，IMUX功能在WDM設(shè)備OTU板上實(shí)現(xiàn)。 


4.1　方案比較

綜上所述，徹底解決40 Gbit/s信號(hào)的傳輸問題還有待時(shí)日，可能的解決方案發(fā)展路線如下所述：10/40 Gbit/s混傳技術(shù)可以在一些滿足使用條件的線路上首先得到應(yīng)用，但是沒有規(guī)模效應(yīng)。40 Gbit/s IMUX技術(shù)一旦成熟，可以基于現(xiàn)有10 Gbit/s WDM系統(tǒng)，提供限制條件更為寬松的40 Gbit/s信號(hào)傳輸解決方案。但是40 Gbit/s IMUX只是一種過渡技術(shù)，形成規(guī)模效應(yīng)的40 Gbit/s WDM系統(tǒng)將是解決40 Gbit/s信號(hào)傳輸問題的最終解決方案。

5、總結(jié)

下一代網(wǎng)絡(luò)的顯著特征之一就是網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)性，下一代光傳輸設(shè)備必須充分考慮到對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的支持；雖然2.5G和10G是目前網(wǎng)絡(luò)中最常用的接口，但隨著帶寬需求的進(jìn)一步增加，40 Gbit/s技術(shù)將是下一代通信網(wǎng)最關(guān)鍵的技術(shù)，傳輸網(wǎng)向著40 Gbit/s邁進(jìn)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢[4]。盡管40 Gbit/s暫時(shí)面臨一系列技術(shù)上的困難，但目前這些困難都已經(jīng)有了或即將有相應(yīng)的解決方案，在不遠(yuǎn)的將來，40 Gbit/s系統(tǒng)必將登上傳輸領(lǐng)域的舞臺(tái)，成為今后幾年骨干網(wǎng)和城域核心網(wǎng)中最重要的傳輸接口之一。

來源：泰爾網(wǎng)