100G技術、標準及應用研究

        移動互聯網、云計算、物聯網等未來潛在高帶寬應用驅動超高速光傳輸技術快速發(fā)展。借助于40Gb/s技術發(fā)展的經驗教訓和研究基礎，業(yè)界最終傾向于100Gb/s選擇偏振復用、QPSK調制碼型、基于DSP的相干技術等關鍵技術，結束了40Gb/s時代多國演義局面，在主導技術路線上趨于統一。本文主要介紹了100Gb/s技術、設備和標準最新進展，同時對未來100G應用策略提出了相應建議。

　　1 概述

　　隨著云計算、物聯網、新型互聯網等未來寬帶傳送需求的強力驅動，100Gb/s已經逐漸從幕后的技術研究走向了商用前臺，尤其是最近兩年國內發(fā)展更為迅速。從2011年年底開始，中國電信、中國移動、中國聯通三大運營商依次開展并整體上完成了100Gb/s技術首次實驗室規(guī)模測試驗證，其間華為、中興、烽火、上海貝爾、諾西等公司參與了100Gb/s傳輸設備的測試，Cisco、Juniper、華為、上海貝爾等參與了路由器設備的測試，中國移動與工信部電信研究院合作更是進行了路由器和傳輸設備的100Gb/s現網試點測試，這些測試驗證為100Gb/s設備在商用前功能、性能、穩(wěn)定性等評估奠定了堅實基礎。從100Gb/s標準化進展來看，國內標準化組織中國通信標準化協會（CCSA）、國際電信聯盟（ITU-T）、國際電氣電子工程師學會（IEEE）、光互聯論壇（OIF）等均得了明顯進展。100Gb/s技術和標準最新進展進一步推動了100Gb/s技術步入商用化的進程，如何合理部署100Gb/s成為業(yè)界關注的焦點。本文將在介紹100Gb/s關鍵技術、設備及應用現狀、標準化進展的最新信息基礎上，對于未來如何合理部署100Gb/s技術提出相應建議。

　　2 100G關鍵技術

　　和40Gb/s技術類似，除了支持現有通路間隔（如100GHz、50GHz）和盡量提高頻譜利用率之外，100Gb/s的關鍵技術主要體現在調制編碼與復用、色度色散容限、偏振模色散容限、OSNR容限、非線性效應容限、FEC等多個方面。

　　（1）調制編碼與復用

　　從實現方式上來看，100Gb/s的調制格式和復用方式相對40Gb/s而言類型更為豐富，除了基于偏振復用結合多相位調制的調制方式，如偏振復用－（差分）四相相移鍵控（PDM-（D）QPSK）之外,還包括更多級相位和幅度調制的調制碼型，如8 /16相相移鍵控（8PSK/16PSK），16/32/64級正交幅度調制(16QAM/32QAM/64QAM)等，以及基于低速子波復用的正交頻分復用（OFDM）等。這些編碼同時也可以和偏振復用技術結合，組合類型非常豐富。另外，從調制編碼的解調來看，目前主要可采用兩種方式，直接解調和相干解調，其中相干解調主要采用數字信號處理（DSP）技術來實現，這就顯著降低了相干通信中對于激光器特性的要求。

綜合目前系統性能要求、相應功能的實現復雜性和性價比等多種因素考慮，目前對于100Gb/s傳輸商用設備，業(yè)界一般選擇的長距傳輸碼型為采用相干接收的PDM-（D）QPSK。另外，由于模數轉換器（DAC）和DSP芯片等處理技術涉及超高速電路處理技術，多個廠商于2011年后半年才普遍實現基于100Gb/s信號的實時相干接收處理（阿爾卡特-朗訊公司研發(fā)實時處理芯片產品提前實現了1~2年）。

　　（2）色度色散容限

　　100Gb/s技術的色度色散容限主要依賴于兩種途徑解決，一是采用多級調制降低波特率，從而等效提高色散容限；二是采用數字（電）域的信號處理進行色散均衡，而40Gb/s技術根據調制碼型可以選擇多種方式解決（也包含100Gb/s技術采用的方式），典型的如采用傳統色散補償結合可調色散的方式。傳統逐段進行色散補償的方式在100Gb/s基于DSP進行色散均衡的系統中并不需要，而且在線路中逐段引入色散補償將對于系統性能造成一定的影響，如圖1所示。
       

        （3）偏振模色散容限

　　對于PMD容限，和CD容限提高的解決思路類似，100Gb/s技術主要采用多級調制、或者多級調制結合電域的信號處理進行PMD均衡，如采用PM-（D）QPSK直接檢測，差分群時延（DGD）最大值(@1dB OSNR代價)可達到10ps左右，而采用相干檢測時可達到75ps左右。對于采用其他調制格式的，如OFDM、16QAM、32QAM等，則支持的差分群時延值更高（由于波特率或子波速率很低）?？紤]到實際光纖網絡光纖鏈路的PMD特性（實際應用系統PMD值一般均小于小于75ps），100Gb/s信號采用PM-QPSK和相干接收技術以后，采用線路直接進行PMD補償的必要性已不復存在。

        （4）OSNR容限

　　OSNR容限是100Gb/s技術的另外一關鍵參數。對于相同的調制格式，100Gb/s相對于40Gb/s的OSNR容限要求要提升4dB左右，這對于系統實際研發(fā)而言挑戰(zhàn)性很大。目前采用不同調制格式的OSNR容限差異較大，但相同的調制格式另外采用相干接收后可顯著提升OSNR容限1～2dB以上。幾種比較典型的碼型OSNR容限與頻譜效率之間的關系如圖 2所示(包括相干接收的相位?余量比較)。另外，具體容限值由于不同文獻可能采用不同的參考定義和具體物理實現，其相對值僅有參考意義。

　　注：1P表示單個偏振態(tài)，2P表示偏振復用（雙偏振態(tài)）。

        （5）非線性效應容限

　　100Gb/s由于采用了多級的相位（幅度）結合偏振復用的調制方式，其非線性效應不但包括主要自相位調制（SPM）和交叉相位調制（XPM）等效應，同時也包括偏振態(tài)變化的非線性效應（光纖雙折射效應引起）。另外，由于100Gb/s速率相對于40Gb/s而言，在采用相同調制格式時，比特率和波特率均上升2.5倍，其對于非線性效應的容忍特性與40Gb/s有所差異，如圖 3所示。另外，對于不同相鄰通路的速率的XPM效應，100Gb/s相對于40Gb/s而言非線性容限要高一些，如圖 4所示。

（6）FEC

　　FEC技術引入到高速傳輸系統后可顯著增加系統傳輸距離，但編碼增益與增加FEC開銷后所帶來的代價兩者之間需要平衡，同時FEC技術還需要考慮到現有芯片實現技術的可行性和兼容性等因素。由于具體實現軟硬件技術差異、市場競爭需要等多種因素，目前對于100Gb/s技術僅在域間接口規(guī)范采用基于ITU-T G.709的RS(255,239)編碼，對于其他更復雜且編碼增益更高的編碼，目前不同國內外研發(fā)機構正在研究，ITU-T和OIF等標準組織也正在進一步地討論規(guī)范化的可能性。

　　3 100G設備及應用現狀

　　借鑒了40Gb/s技術多年的探索和研究經驗，100Gb/s技術在實現路線選擇上避免了百花齊放的格局，采用偏振復用、正交相移鍵控（QPSK）調制、基于數字信號處理（DSP）相干接收的技術方案業(yè)界基本統一，這就對于整體產業(yè)鏈的合理發(fā)展形成了有力的驅動。從最近100Gb/s傳輸設備的具體實現來看，目前主要傳輸設備均采用了類似的技術路線，但技術細節(jié)、設備功能、設備性能等方面存在一定差異性。目前100Gb/s設備及應用現狀如下：

　　（1）FEC支持類型和實現存在差異，軟判和硬判均在使用

　　隨著信息傳輸波特率的提升，100Gb/s WDM系統的彩光接口一般都需要采用不同的FEC技術來提升系統傳輸性能。目前不同廠商的100Gb/s設備選擇支持基于硬判決（HD）和軟判決（SD）兩種基本類型，而且具體HD或SD的冗余速率也不統一，典型如7%或20%的HD，15%或20%的SD等等。具體選擇HD或SD與系統性能、集成度和功耗等密切相關，一般而言相同冗余速率的SD將比HD性能有所提升，但同時帶來集成度降低和功耗提升的額外代價。

　　（2）和OTN結合已成業(yè)界共識，但目前交叉容量有限

　　雖然100Gb/s本身的技術焦點是長距傳輸，但隨著OTN組網及應用的發(fā)展，支持100Gb/s長距傳輸的OTN設備應用需求明顯，主要是為了在提升鏈路傳輸容量的同時支持大粒度業(yè)務的調度和生存性保障。目前100Gb/s WDM設備大都支持和OTN交叉技術結合，一般采用兩種模式，即100Gb/s板卡直接作為OTN交叉的線路輸出（OTN和WDM緊耦合），或者OTN交叉板卡的線路輸出作為100Gb/s長距板卡的客戶側輸入（OTN和WDM松耦合）。另外，受限于目前技術實現水平，實驗室驗證的最大交叉能力達到12.8Tb/s，相對于8T/s的100Gb/s傳輸容量而言，OTN調度容量有所偏小。

　　（3）智能控制功能已基本具備，主要基于OTN平臺

　　隨著未來云計算、物聯網等業(yè)務應用驅動，光傳送網絡的智能控制功能變得更為重要。目前基于100Gb/s的OTN設備大都支持不同ODUk的智能控制功能。另外，業(yè)內也有在同一傳輸平臺上同時提供L0~L2的多層交換和跨層控制功能的技術發(fā)展趨勢。從業(yè)務的基本恢復功能來看，不同廠商設備的ODUk粒度業(yè)務恢復時間還存在一定差異，目前基本量級是數百ms量級。

        （4）100Gb/s設備基本成熟，已啟動初步（試）商用

　　經過國內三大運營商、中國教育網等開展的100Gb/s設備測試結果來看，100Gb/s設備整體上趨于基本成熟，100Gb/s設備的（試）商用化進程即將開啟。從關鍵測試指標來看，100Gb/s WDM設備在實驗室采用G.655/G.652最長可達到20×22dB(80km)甚至更長的傳輸距離（注：采用常規(guī)EDFA放大），相應的光信噪比（OSNR）代價和品質因子（QdB）代價均在要求的范圍以內，而且穩(wěn)定的溫度循環(huán)結果等測試結果也進一步驗證了100Gb/s設備關鍵芯片、模塊以及設備整體的穩(wěn)定性。另外，中國教育和科研計算機網（CERNET）于2012年年初啟動了100Gb/s 光波分復用（WDM）系統的國內招標，中國移動更是在2012年11月份啟動了較大規(guī)模的100Gb/s 光傳送網（OTN）/WDM設備的招標,中國電信和中國聯通近期正在籌備相應項目，100Gb/s技術的（試）商用進程即將開啟。

　　（5）部分關鍵器件芯片依賴性強，產業(yè)鏈發(fā)展尚待進一步完善，

　　雖然國內100Gb/s 設備基本成熟，但其關鍵器件芯片部分依賴進口，典型如調制器、模數轉換（ADC）、DSP處理芯片等。從2013 OFC全球大會的情況來看，提供100G相應器件芯片的廠商已越來越多，這為100Gb/s技術整體的產業(yè)健康發(fā)展奠定了良好的基礎，也將進一步降低100Gb/s部署成本。但是，受限于商業(yè)芯片的技術現狀，目前100Gb/s設備整體集成度較低，功耗偏大，更高集成度和更低功耗的新一代100Gb/s設備有待繼續(xù)研發(fā)。

　　4 100G標準進展

　　100Gb/s技術的國內標準化工作主要由CCSA的傳送網與接入網工作委員會（TC6）的傳送網工作組（WG1）和光器件工作組（WG4）來制定。最近取得的主要標準進展包括：WG1完成了“N×100Gb/s光波分復用（WDM）系統技術要求”的報批稿，以及“N×100Gb/s光波分復用（WDM）系統測試方法”（近期報批），同時WG4已開始開展100Gb/s光模塊及組件的標準參數研究。其中“N×100Gb/s光波分復用（WDM）系統技術要求”中主要規(guī)范了N×22dB傳輸模型在G.655和G.652光纖上的關鍵傳輸參數規(guī)范，同時考慮了系統技術實現的差異性，采用背靠背OSNR容限、系統傳輸距離規(guī)則、FEC糾錯前誤碼率等多種參數量化，目前規(guī)范的最遠傳輸能力達到18×22dB（18×80km，適用G.652光纖）和16×22dB（16×80km，適用G.655光纖）。

　　100Gb/s 的國際標準主要由ITU-T、IEEE和OIF等標準組織制定。其中ITU-T的SG15主要負責光傳送網及接入網的標準化工作，其中Q6主要負責物理層傳輸標準的規(guī)范工作，Q11主要負責邏輯層傳送標準的規(guī)范工作。目前針對100Gb/s的標準化工作主要在G.682、G.sup39、G.709等標準中規(guī)范，其中G.682今年已經明確提出進行100Gb/s參數的規(guī)范，而G.sup39逐步引入100Gb/s技術涉及的一些工程參數考慮，同時G.709的ODUk容器已經支持基于100Gb/s速率的ODU4。

        IEEE的802.3主要負責以太網物理層規(guī)范的制定，目前已經完成了基于40GE和100GE的物理層規(guī)范802.3ba，目前正在開展背板互聯（802.3bj）以及新一代40Gb/s和100Gb/s物理接口的規(guī)范（802.3bm），其中802.3bm是2012年3月IEEE 802全會上通過的新標準項目立項，其主要目標是完成多模光纖20/100m以上、以及單模光纖500m以上的傳輸距離，預計2014年3月802.3bj標準完成，2015年3月802.3bm標準完成。

　　OIF的PLL主要負責高速模塊及器件的規(guī)范制定工作，目前已經完成了100Gb/s 長距傳輸模塊、相干接收機等實現協議（IA），目前正在進行第二代的100Gb/s長距傳輸模塊和相干接收機的IA、基于城域應用（中距離）的100Gb/s DWDM傳輸框架、以及基于28G的甚短距離傳輸的通用電接口（CEI-VSR）等IA的制定工作。

　　從100Gb/s標準化整體進展來看，目前100Gb/s標準基本完善，正在進行進一步提升集成度、降低功耗等相關標準的規(guī)范制定過程之中，預計到2015年左右新一代的100Gb/s標準化工作也將完成。

　　5 100G應用建議

　　隨著100Gb/s技術的逐步成熟和標準化的基本完善，基于100Gb/s技術的應用策略成為目前業(yè)界關注的焦點問題。綜合考慮目前40Gb/s和100Gb/s商用關系、100Gb/s關鍵技術差異、以及100Gb/s產業(yè)整體發(fā)展等諸多因素，未來100Gb/s部署時建議應考慮如下一些應用策略：

　?。?）推進100Gb/s和40Gb/s按需部署，協同發(fā)展

　　面對大容量業(yè)務的傳送需求，目前主要有40Gb/s和100Gb/s兩種高速傳輸技術選擇。40Gb/s網絡已規(guī)模商用，100Gb/s初具商用能力，兩者在未來實際部署時面臨競爭和協作，主要涉及到帶寬承載能力、部署成本、運維管理、技術發(fā)展趨向等方面。從帶寬承載能力上看，按照思科預測的互聯網流量年均28%左右的增長率估計，未來3-5年整體傳輸帶寬需求增長2-4倍左右，綜合考慮現有網絡規(guī)模10Gb/s遠大于40Gb/s的現狀，40Gb/s尚能滿足帶寬傳輸需求；對于部署成本而言，由于100Gb/s系統處于初期應用階段，整體價格明顯大于40Gb/s 2.5倍以上，但考慮到100Gb/s技術路線及產業(yè)鏈的趨同性，同時40Gb/s多種傳輸碼型導致整體價格很難顯著下降(雖然目前支持趨同100Gb/s路線的40Gb/s設備增多)，未來100Gb/s系統的價格優(yōu)勢將逐步體現；在運維管理和技術發(fā)展趨向方面，基于單一傳輸碼型、單波長更大容量和無色散補償的100Gb/s系統無疑優(yōu)勢明顯。國內運營商的研究機構認為，從技術上講，100G技術已經基本成熟，已步入規(guī)模應用的全新階段，從成本上講，100G OTU每比特傳送成本目前已達到40G OTU 0.8～1.5倍，比起11年接近2倍的價格水平有了顯著降低，因此，國內一些運營商正在考慮跨越40G直接部署100G?？偠灾?，預計未來100G將逐步主導高速傳輸市場。

　?。?）100Gb/s技術商用應循序漸進，推動100Gb/s網絡合理部署

　　100Gb/s技術雖然目前在實驗室進行了比較充分的測試驗證，而且測試驗證結果整體較好，但相對工程應用，實驗室短期測試尚不能完全驗證所有存在問題?？紤]到100Gb/s系統承載容量巨大（滿波8Tb/s），網絡的安全穩(wěn)定性尤為重要，建議100Gb/s技術在具體部署時應循序漸進，在選擇一定規(guī)模試商用網絡較長期運行的基礎上，逐步驗證100Gb/s技術在規(guī)模商用前期存在的問題，逐步反饋并解決后逐步擴大商用規(guī)模，推動100Gb/s網絡合理部署，在進一步顯著提升傳送網傳輸容量的同時，盡可能保證傳輸系統的穩(wěn)定性和可靠性。

      （3）維持合理價格水平，促進產業(yè)健康發(fā)展

　　40Gb/s技術多傳輸碼型的產業(yè)格局和惡意的市場競爭等因素導致整體產業(yè)基本處于微利或虧本的狀態(tài)，在一定程度上嚴重阻礙了40Gb/s產業(yè)鏈的健康發(fā)展。100Gb/s技術雖然傳輸碼型趨同，但多家供應商并存的現狀也有可能導致100Gb/s設備在競標時的惡意價格競爭，如不及時遏制，100Gb/s產業(yè)應用將會重蹈40Gb/s技術的覆轍，整個高速傳輸產業(yè)的發(fā)展將會受到嚴重阻礙，而承載巨大信息容量的100Gb/s傳輸設備的在線生命周期將可能顯著縮短。為防止類似現象發(fā)展，建議運營商、設備商、器件模塊商、設計和研究機構等業(yè)務集體努力，維持100Gb/s新技術在商用時的合理價格水平，保持一定的盈利水平，維護并促進100Gb/s產業(yè)鏈健康穩(wěn)定發(fā)展。

　　6 結論

　　100Gb/s關鍵技術涉及傳統光域、超高速電域數字信號處理等諸多方面，目前技術及設備發(fā)展基本成熟，同時CCSA、ITU-T、IEEE、OIF等相應國內外標準制定基本完善。在未來實際部署100Gb/s時，運營商應充分考慮自身現網情況，注重考慮100Gb/s技術與10Gb/s、40Gb/s技術共存和平滑演進、100Gb/s關鍵技術差異、以及100Gb/s產業(yè)整體發(fā)展等諸多因素，推進100Gb/s循序漸進地進行規(guī)模應用。