100G傳輸技術(shù)及應(yīng)用探討

前言

　　國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商分別完成100G系統(tǒng)測(cè)試后，也相繼或正在啟動(dòng)100G系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)（試）商用。100G技術(shù)逐漸從規(guī)模驗(yàn)證階段開(kāi)始走向商用階段。與40G系統(tǒng)以紛繁復(fù)雜的調(diào)制碼型區(qū)分應(yīng)用場(chǎng)景不同，100G系統(tǒng)的碼型和調(diào)制方式歸于統(tǒng)一，偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）傳輸碼型結(jié)合相干接收成為主流方案，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法以及前向糾錯(cuò)（FEC）編解碼成為決定100 Gbit/s性能的關(guān)鍵因素組成。本文對(duì)100G系統(tǒng)的技術(shù)特性和傳輸性能進(jìn)行了分析，同時(shí)還較深入討論了100G系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)用時(shí)面臨的混傳、OTN調(diào)度、跨段規(guī)范等問(wèn)題。

　　1 100G 系統(tǒng)主要傳輸技術(shù)

　　1.1 100G 系統(tǒng)OSNR 與FEC

　　光信噪比（OSNR）是WDM 系統(tǒng)最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。相對(duì)10G系統(tǒng)或40G系統(tǒng)，100G系統(tǒng)由于速率明顯增加，對(duì)OSNR的要求更為嚴(yán)格?；赑M-QPSK結(jié)合相干接收的100G傳輸技術(shù)方案，一方面通過(guò)多級(jí)調(diào)制降低信號(hào)波特率，降低系統(tǒng)OSNR要求，另一方面，基于相干接收原理并結(jié)合高速DSP處理也可同樣在明顯改善OSNR要求的基礎(chǔ)上，還可在電域補(bǔ)償數(shù)萬(wàn)ps/nm的色度色散（CD）和數(shù)十ps的偏振模色散（PMD）。

　　FEC技術(shù)以編碼冗余度（7%~20%）以及相應(yīng)的芯片處理復(fù)雜度來(lái)?yè)Q取更大的凈增益，同時(shí)也是改善100G系統(tǒng)OSNR要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。光互聯(lián)論壇（OIF）建議軟判決FEC開(kāi)銷比小于20%，糾錯(cuò)極限可以達(dá)到1E-2量級(jí)。根據(jù)研究結(jié)果，低于20%開(kāi)銷比時(shí)凈增益隨著冗余度增加而增大，而超過(guò)后受錯(cuò)誤平層（Error Floor）影響增益反而下降［1］。另外，信號(hào)速率提高導(dǎo)致數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）和DSP處理能力要求也急劇增加（見(jiàn)表1）。7%開(kāi)銷的硬判決（HD）方式（有些廠商也采用FEC開(kāi)銷比大于7%的HD方式），ADC的采樣率一般需要56 GSa/s左右，軟判（SD）的開(kāi)銷比達(dá)到20%時(shí)，線路速率達(dá)到128 Gbit/s，ADC采樣速率一般需要64 Gsa/s左右，功耗基本要比硬判決高出20%左右，同時(shí)也要采用40 nm 甚至28 nm 工藝的專用集成電路（ASIC）技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)高運(yùn)算量和低功耗目標(biāo)［2］。從目前設(shè)備廠商的設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)來(lái)看，大部分廠商傾向于軟硬結(jié)合的判決方式，以平衡算法復(fù)雜度、功耗等關(guān)鍵參數(shù)。
 

　　1.2 100G 系統(tǒng)非線性效應(yīng)

　　光纖非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱與入纖光功率、光信號(hào)速率、調(diào)制碼型特性、光纖色散系數(shù)以及跨段數(shù)目等均有關(guān)系。在相同傳輸碼型的前提下，光信號(hào)的調(diào)制速率越高，一般對(duì)光纖非線性效應(yīng)的忍耐程度越低［3］。從100G系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果看，非線性效應(yīng)明顯限制了100G系統(tǒng)的入纖功率大小（見(jiàn)圖1）。若按照基于2 dB 系統(tǒng)OSNR 代價(jià)衡量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)系統(tǒng)采用G.655光纖時(shí)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果顯示在長(zhǎng)距傳輸時(shí)100G系統(tǒng)入纖功率不建議超過(guò)3 dBm，G.652因光纖芯徑差異導(dǎo)致非線性效應(yīng)略弱，入纖功率可適當(dāng)提高一些。
 

　　1.3 100G 系統(tǒng)濾波效應(yīng)

　　100G系統(tǒng)多跨段長(zhǎng)距離傳輸一般都需要采用基于波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）的可重構(gòu)分插復(fù)用器（ROADM）進(jìn)行功率均衡，同時(shí)考慮到未來(lái)100G系統(tǒng)城域網(wǎng)應(yīng)用，100G系統(tǒng)也需要支持多個(gè)ROADM級(jí)聯(lián)傳輸，因此研究100G系統(tǒng)信號(hào)的多級(jí)濾波效應(yīng)非常重要。

　　由于ROADM同時(shí)對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行濾波，而且濾波器個(gè)體也存在差異，因此ROADM的級(jí)聯(lián)使用會(huì)引入一定濾波代價(jià)。從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，15 個(gè)ROADM級(jí)聯(lián)的OSNR代價(jià)小于1 dB（見(jiàn)圖2），這樣一般能夠滿足100G系統(tǒng)大部分應(yīng)用場(chǎng)景。

　　1.4 100G 系統(tǒng)傳輸性能評(píng)價(jià)參數(shù)

　　對(duì)100G系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，隨著非線性效應(yīng)的增強(qiáng)，OSNR已無(wú)法完全反映系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，因此采用結(jié)合光域（OSNR）和電域（FEC糾錯(cuò)前誤碼率）進(jìn)行系統(tǒng)傳輸性能評(píng)價(jià)的方式非常重要，單純偏向于哪一種，均對(duì)于系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用形成不利影響。
 

　　在目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，N×10G系統(tǒng)采用了OSNR作為關(guān)鍵參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的傳輸性能，N×40G系統(tǒng)則采用OSNR結(jié)合FEC糾錯(cuò)前誤碼率的方式評(píng)價(jià)系統(tǒng)傳輸性能。目前100G系統(tǒng)整體性能評(píng)價(jià)參數(shù)方法和40G系統(tǒng)趨于一致。由于FEC糾錯(cuò)前誤碼率與所采用的判決方式及開(kāi)銷占用情況密切相關(guān)，因此100G系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在40G系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上根據(jù)100G系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)類型對(duì)于FEC糾錯(cuò)前誤碼率進(jìn)行了更詳細(xì)的區(qū)分。

　　2 100G 技術(shù)工程應(yīng)用分析

　　2.1 多速率混傳應(yīng)用

　　從目前的100G系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，多速率混傳主要存在以下3種情況。

　　a）現(xiàn)有N×10G WDM系統(tǒng)直接擴(kuò)容，10G系統(tǒng)和100G系統(tǒng)多速率混傳。

　　b）現(xiàn)有N×40G WDM系統(tǒng)直接擴(kuò)容，40G系統(tǒng)和100G系統(tǒng)多速率混傳。

　　c）特定應(yīng)用需求情況下，新建網(wǎng)絡(luò)10G 系統(tǒng)和100G系統(tǒng)多速率混傳。
　　10G 系統(tǒng)和100G 系統(tǒng)混傳時(shí)，采用強(qiáng)度調(diào)制的10G系統(tǒng)與采用相位調(diào)制的100G系統(tǒng)通道間非線性效應(yīng)明顯，同時(shí)對(duì)于100G傳輸線路，10G傳輸線路使用的DCM模塊引入了非線性效應(yīng)，降低了100G系統(tǒng)的傳輸能力。在實(shí)際混傳時(shí)10G系統(tǒng)與100G系統(tǒng)采用信道保護(hù)（至少150 GHz左右）才能顯著降低不同速率信道之間的串?dāng)_影響。40G系統(tǒng)和100G系統(tǒng)混傳時(shí)，混傳代價(jià)與40G系統(tǒng)傳輸碼型相關(guān)，若傳輸碼型與100G系統(tǒng)相同，影響不大，若采用其他傳輸碼型，則存在一定影響，但從整體上來(lái)看，因40G系統(tǒng)速率普遍采用相位調(diào)制，具體影響也稍弱于10G系統(tǒng)和100G系統(tǒng)混傳情形。

　　因此，綜合來(lái)看，混傳不僅與不同速率系統(tǒng)兼容性相關(guān)，同時(shí)一定程度上會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)維難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，考慮到目前的100G系統(tǒng)主要應(yīng)用需求（路由器/數(shù)據(jù)中心連接），還是建議以新建100G 網(wǎng)絡(luò)為主。

　　2.2 OTN 調(diào)度應(yīng)用

　　基于100G系統(tǒng)（ODU4）的交叉容量需求與現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)交叉容量差異過(guò)大，如果以典型3個(gè)維度80×100G系統(tǒng)而言，交叉容量就需要24 Tbit/s，已經(jīng)超出目前業(yè)界的最大處理能力（6.4 Tbit/s）。如果采用多節(jié)點(diǎn)堆疊方式（類集群）實(shí)現(xiàn)較大的大交叉容量，會(huì)存在局部阻塞情形，如果采用基于小粒度的交叉調(diào)度（ODU0/1/2/3等），采用100 Gbit/s線路速率時(shí)，也會(huì)同樣面臨類似ODU4的交叉容量問(wèn)題。

　　綜合來(lái)看，現(xiàn)階段支持ODUk的大容量交叉設(shè)備還屬于初步發(fā)展階段，即使采用調(diào)度功能，局部100G線路調(diào)度應(yīng)該還是近期的典型調(diào)度方式。

　　2.3 跨段參數(shù)應(yīng)用

　　10G WDM 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了多種跨段模型，40G WDM系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了常規(guī)22 dB的多跨模型。在確定100G WDM系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是否需要規(guī)范除22 dB之外的其他多跨傳輸模型以滿足工程應(yīng)用需求之前，需要首

　　先討論不同模型的入纖功率和配置的EDFA噪聲指數(shù)差異性。

　　以N×25 dB跨段為例，每個(gè)跨段損耗增加3 dB，若不增加入纖功率，由于EDFA的噪聲指數(shù)變化不大，因此與衡量系統(tǒng)末端OSNR的準(zhǔn)則類似，單獨(dú)規(guī)范的意義并不大。如果可以增加入纖功率，則由于入纖功率、非線性效應(yīng)和傳輸段損的綜合變化，單獨(dú)規(guī)范的實(shí)際需求還是存在的。

　　目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了使用G.652和G.655光纖的N×22 dB傳輸規(guī)格。從100G系統(tǒng)前期的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在現(xiàn)有22 dB入纖功率的基礎(chǔ)上提升0.5~1 dB功率存在一定可行性，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)需求規(guī)范其他跨段傳輸?shù)南到y(tǒng)參數(shù)。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　100G技術(shù)在需求及技術(shù)雙重驅(qū)動(dòng)下，目前已開(kāi)始逐步進(jìn)入商用階段。采用PM-QPSK碼型、基于DSP的相干接收、軟/硬判FEC等技術(shù)，100G系統(tǒng)在CD、PMD和OSNR限制方面取得了顯著突破。同時(shí)，由于100G系統(tǒng)技術(shù)與10G系統(tǒng)、40G系統(tǒng)存在典型差異，在后期的大規(guī)模應(yīng)用當(dāng)中，多速率混傳、OTN交叉調(diào)度、性能比較與評(píng)價(jià)、測(cè)試方法、標(biāo)準(zhǔn)跨段模型等問(wèn)題還需要進(jìn)一步討論。

　　作者：湯瑞1，李允博2，趙文玉1，吳慶偉1（1. 工業(yè)和信息化部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京100191；2. 中國(guó)移動(dòng)通信研究院）