100GDWDM優(yōu)化OSNR的技術(shù)

　摘要：

　　本文討論了提升R點(diǎn)系統(tǒng)OSNR門限的三種方法以及在偏振復(fù)用相干檢測(cè)技術(shù)下Q裕度的調(diào)整范圍。首先，在不增加額外速率開(kāi)銷的情況下，通過(guò)本振提升技術(shù)使得B2BOSNR與復(fù)雜算法SD-FEC性能接近。其次，基于100G技術(shù)天生對(duì)DGD和色度色散不敏感，可將Q 裕量從40G的3-3.5db 下降到2-2.5db，優(yōu)化后的100G ONSR門限完全與40G相同。第三，SD-FEC通過(guò)提升20%線路冗余可提升OSNR預(yù)算1.3 db，SD-FEC算法復(fù)雜對(duì)硬件實(shí)時(shí)處理的要求很高，軟判決和硬判決不是取代關(guān)系而是配合關(guān)系。最后，論證了芯片技術(shù)是商用SD-FEC的關(guān)鍵，阿爾卡特朗訊也在2012年Q1發(fā)布了基于400G技術(shù)的高性能處理芯片。

　　2009年以來(lái)40GDWDM已開(kāi)始在中國(guó)規(guī)模部署，隨著寬帶中國(guó)、網(wǎng)絡(luò)提速等戰(zhàn)略的實(shí)施，發(fā)達(dá)省份的骨干傳輸帶寬資源已幾乎在這快速發(fā)展的3年中而消耗殆盡，部分運(yùn)營(yíng)商在第二平面建設(shè)方案是基于40G技術(shù)還是100GDWDM技術(shù)而舉棋不定。2010年6月IEEE、ITU-T、OIF分別關(guān)于100G接口、映射、傳送等標(biāo)準(zhǔn)的定稿加快了100G整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈成熟，2011年歐美運(yùn)營(yíng)商在云計(jì)算、IDC互聯(lián)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)下規(guī)模部署100G技術(shù)，毫無(wú)疑問(wèn)為100G的商用產(chǎn)生了多米諾骨牌效應(yīng)。2012年Q1伊始，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商分別啟動(dòng)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，業(yè)界也逐步將注意力從為什么建設(shè)100G轉(zhuǎn)移到怎么建設(shè)100G。OSNR，這個(gè)DWDM系統(tǒng)最典型也最復(fù)雜的指標(biāo)，也繼PDM-DPSK碼型歸于統(tǒng)一之后成為新的熱點(diǎn)。

　　雖然從40G到100G速率提升2.5倍，頻譜效率要從0.8Bit/HZ上升到2Bit/HZ,但從工程設(shè)站的角度，具備機(jī)房條件的物理站址是不隨線路速率而變化的。在相同調(diào)制格式下100G要比40 G的OSNR門限要提升3.8-4DB，OIF建議通過(guò)統(tǒng)一100G碼型為PDM-QPSK并輔以四相位相干接收技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。40G DWDM系統(tǒng)的國(guó)標(biāo)根據(jù)不同的碼型OSNR門限分別在18或19DB，所以設(shè)備制造商也均按照這個(gè)數(shù)字來(lái)優(yōu)化各自的100G特性。與40G各種型來(lái)差分應(yīng)用場(chǎng)景不同的是，統(tǒng)一碼型和統(tǒng)一調(diào)整方式的100G DWDM留給廠商進(jìn)行各自優(yōu)化的空間并不大，只有接收側(cè)的AD高速數(shù)模轉(zhuǎn)換、DSP的軟件算法以及FEC編解碼深度。與工程設(shè)計(jì)相關(guān)的顯性指標(biāo)，就體現(xiàn)在背靠背OSNR（BOL和EOL）、OSNR和系統(tǒng)代價(jià)、FEC糾錯(cuò)能力、色度色散和偏振模色散補(bǔ)償值上。

　　一：B2BOSNR的優(yōu)化：

　　工程實(shí)踐往往和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試有較大差距。在建議的1dbm的發(fā)送功率下，第一代100G系統(tǒng)的B2B仿真數(shù)據(jù)維持15-16db.在7% 線路開(kāi)銷的112Gbit/s PDM-QPSK相干系統(tǒng)中，在誤碼率為2E-3這個(gè)閾值下，B2B OSNR性能的離線數(shù)據(jù)最佳結(jié)果為14.78DB。也有廠商離線測(cè)試結(jié)果在15-16 db，可作為最裂數(shù)據(jù)。由于仿真系統(tǒng)一般采用計(jì)算機(jī)陣列的離線處理，一般認(rèn)為商用系統(tǒng)上性能會(huì)比仿真結(jié)果大1.5DB。原因在于離線處理為獲取最佳的B2B OSNR性能而忽略考慮算法本身的復(fù)雜度，但是在線DWDM處理系統(tǒng)必須考慮算法復(fù)雜度限制，性能必然有所劣化?；谝陨戏抡娼Y(jié)果，即使退而使用15-16db的指標(biāo)，其與40G 系統(tǒng)的背靠背門限分別為13DB或14.5DB不小的差距，這個(gè)結(jié)果一度讓運(yùn)營(yíng)商在使用100G與否的決策上彷徨，也讓技術(shù)專家將注意力轉(zhuǎn)移到提升20%開(kāi)銷但可提升B2B 門限約1-2 db的SD-FEC上來(lái)，認(rèn)為其是商用系統(tǒng)不可偏離關(guān)鍵技術(shù)。

　　實(shí)際上PDM-DPSK和相干接受的基本原理在誕生之初就提供了優(yōu)化方案，即本地偏振光源性能“凈化度”的提升。如圖一右側(cè)示意圖所示，相干接收側(cè)使用一個(gè)高穩(wěn)定度的本地振蕩激光器，經(jīng)過(guò)偏振分束后與遠(yuǎn)端輸入光信號(hào)進(jìn)行90度混頻，90度混頻器輸出一個(gè)偏振態(tài)的兩路信號(hào)?；祛l器輸出光信號(hào)經(jīng)平衡接收光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。基于以上原理，源自本振光源的信噪比要遠(yuǎn)優(yōu)于輸入光信號(hào)的信噪比，我們能夠改變本地光源的“純度”，就可提升接收端光信噪比約2db的改善。同理，通過(guò)這樣的方法，就可以將B2B的OSNR從15-16db降低到13-13.5db。這個(gè)優(yōu)化的數(shù)據(jù)基本上可達(dá)到犧牲20%帶寬效率的SD-FEC的方案指標(biāo)。

　　實(shí)際上，業(yè)界已有成熟的類似解決方案。阿爾卡特朗訊在2011年Q4發(fā)布了基于商用系統(tǒng)的增強(qiáng)OTU解決方案。并不開(kāi)啟SD-FEC的情況下，在2012年Q1某國(guó)家級(jí)測(cè)試中已優(yōu)于以上關(guān)鍵指標(biāo)。

二：Q余量與Rm側(cè)系統(tǒng)OSNR的優(yōu)化：

　　40GDWDM國(guó)標(biāo)中定義的MPI-Rm參考點(diǎn)接收OSNR與背靠背OSNR 容限（EOL）值之間的差值要求為4.5～5db。關(guān)于背靠背OSNR容限的分析詳見(jiàn)第一部分，因此，這個(gè)OSNR裕度的多少將直接決定系統(tǒng)的OSNR門限。為便于分析，本節(jié)將系統(tǒng)富裕度分解為兩部分：1）通道OSNR 代價(jià)2db；2）系統(tǒng)OSNR 裕量2.5～3db?？紤]到接收機(jī)的0.5db 的老化裕量，也即EOL和BOL的差值，因此第2部分實(shí)際系統(tǒng)OSNR 裕量（BOL）一般取值為3～3.5db，同樣的，對(duì)應(yīng)的通道Q 裕量也對(duì)應(yīng)的取值3～3.5db。

　　實(shí)際上目前第二代100G商用系統(tǒng)中，光通道OSNR代價(jià)已遠(yuǎn)小于2db，例如阿爾卡特朗訊的平均通道代價(jià)只有1db，性能提升了100%。相對(duì)40G標(biāo)準(zhǔn)，基于偏振復(fù)用相干檢測(cè)的100G技術(shù)天生對(duì)DGD和色度色散不敏感，因此可將Q裕量從40G系統(tǒng)中的3-3.5db 下降到2-2.5db。因此，出于系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的保守設(shè)計(jì)，將通道代價(jià)節(jié)約的1db和Q裕量節(jié)約的1db，二者之利只取其一；Q裕量的變化實(shí)際上就是系統(tǒng)側(cè)的OSNR裕量，就可以降低1 db, 達(dá)到4-4.5 db。目前這個(gè)裕量的優(yōu)化已廣泛的被歐洲和北美運(yùn)營(yíng)商所接受。

　　通過(guò)這個(gè)方案優(yōu)化和適度的裕量放松，在不采用額外增加帶寬開(kāi)銷的情況下（例如SD-FEC）下，100G系統(tǒng)的ONSR門限就可達(dá)到18.5db,完全可現(xiàn)有的40G系統(tǒng)在跨站設(shè)置上相同，甚至優(yōu)于某些特殊碼型的40G系統(tǒng)。下表一給出了按照這個(gè)方案優(yōu)化后的不同糾錯(cuò)范圍下對(duì)應(yīng)的Q值和Q裕量建議值。

三：FEC和SD-FEC的優(yōu)化技術(shù)

　　前向糾錯(cuò)FEC技術(shù)是提高系統(tǒng)傳輸性能的傳統(tǒng)技術(shù)，也是通過(guò)優(yōu)化線路信號(hào)來(lái)優(yōu)化OSNR性能的一種有效途徑。其本質(zhì)是通過(guò)犧牲有效帶寬，以編碼冗余度（例如20%）以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理芯片的復(fù)雜度來(lái)?yè)Q取更大的凈增益。一般認(rèn)為FEC技術(shù)經(jīng)歷了三代的快速發(fā)展。

　　第一代的為滿足ITUTG.975規(guī)定的帶外FEC，采用RS(255,239)方式使用7%的開(kāi)銷，凈編碼增益為6-7DB。這個(gè)方案廣泛適用于2004年前的2.5G 和10G DWDM。第二代FEC采用G.975.1標(biāo)準(zhǔn)，自2004年開(kāi)始啟動(dòng)正式商用，采用級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)，增益可達(dá)到8-9db。當(dāng)然編碼增益的提高同時(shí)也帶來(lái)了FEC算法復(fù)雜度增加。第二代 FEC技術(shù)也跟隨芯片技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段，一個(gè)為30萬(wàn)門以上電路FPGA搭建時(shí)代，一個(gè)為百萬(wàn)門規(guī)模的ASIC單一芯片時(shí)代。普遍認(rèn)為，基于100G系統(tǒng)會(huì)迎來(lái)第三代FEC技術(shù)。具體實(shí)現(xiàn)方案既可以延續(xù)ITU-T G .975.1標(biāo)準(zhǔn)，但將原先的7%開(kāi)銷比提升到20%開(kāi)銷的實(shí)現(xiàn)高性能硬判決FEC，也即超強(qiáng)AFEC方案，這樣也可將編碼增益提升到10-11 db。這個(gè)利舊方案基于10G和40G WDM系統(tǒng)中規(guī)模應(yīng)用的硬判決(HD-FEC)算法，十分成熟，易于工程大規(guī)模實(shí)施。方案之二就是有廠商提出的希望使用軟判決SD-FEC技術(shù)，例如Turbo 碼、LDPC 碼和TPC碼，通過(guò)20%甚至20%以上的開(kāi)銷比，以獲得10-11db的編碼增益。

　　作為新實(shí)現(xiàn)方案，軟判決和對(duì)應(yīng)的碼型毫無(wú)疑問(wèn)成為業(yè)界當(dāng)之無(wú)愧的重點(diǎn)。下表二引用了來(lái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)給出的軟判決和普通硬判決的凈增益對(duì)比。可以看到開(kāi)銷（冗余度）不一樣，同樣是軟判決達(dá)到的效果也差距較大，編碼冗余度越大則能獲得更多的凈增益。OIF建議軟判決FEC開(kāi)銷比小于20%，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)誤平層影響而增益反而下降。在7%開(kāi)銷時(shí)，軟判決復(fù)雜度遠(yuǎn)超過(guò)硬判決，但復(fù)雜度換取的的增益卻十分有限，所以并不建議使用軟判決。因此，從這個(gè)對(duì)比表，可以直觀的看出并不是軟判決出現(xiàn)之后，硬判決將退出歷史舞臺(tái)，軟硬結(jié)合才是可行的方案。

　　報(bào)告說(shuō)明了該實(shí)驗(yàn)基于G.652光纖，按照10×100KM跨段來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)搭建，每個(gè)跨度平均衰耗為20.5db。系統(tǒng)采用40個(gè)符合PM-QPSK碼型的標(biāo)準(zhǔn)OUT來(lái)產(chǎn)生40個(gè)波長(zhǎng)，其中39個(gè)為線路速率112G基于硬判決的56G的采樣速率波長(zhǎng)；1個(gè)波長(zhǎng)為采用128 Gbps速率的基于軟判決的65G 的波特率采樣通道的波長(zhǎng)，這個(gè)波長(zhǎng)工作在1552.52nm中央頻段，開(kāi)通基于TPC編碼的軟判決SD-FEC。測(cè)試通道和其他39個(gè)鄰居波長(zhǎng)使用相同的WSS系統(tǒng)，在每一個(gè)跨段輸出功率為+3 dbm。在傳送10個(gè)跨段后，在測(cè)試通道加載噪聲，并使用光譜分析儀（OSA）測(cè)量ONSR, OSA和誤碼儀顯示測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)。雖然AT&T這個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)受成40nm ASCI熟套片數(shù)量的限制，只開(kāi)通了SD-FEC的波，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)40個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)試要求；系統(tǒng)的發(fā)射光功率也大于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的1-2db(這會(huì)改善ONSR性能)，但他畢竟為高性能芯片將SD-FEC帶入實(shí)踐商用做出了積極的嘗試。

　　為進(jìn)一步解決高速率通道所帶來(lái)的系列問(wèn)題，不僅僅是僅僅解決SD-FEC的錯(cuò)誤平層和算法復(fù)雜度帶來(lái)的128G速率的提升，而是面向更具有挑戰(zhàn)性的400G甚至1T應(yīng)用，阿爾卡特朗訊在2012年3月發(fā)布了業(yè)界首個(gè)基于400G速率技術(shù)的解決的ASIC芯片。如同下表二對(duì)比，這個(gè)芯片超越現(xiàn)有芯片技術(shù)200%以上，預(yù)計(jì)可在2012年Q4帶來(lái)整個(gè)業(yè)界SD-FEC解決方案的全面更新，行業(yè)內(nèi)的軟判決成熟套片的解決方案也將全面成熟。

　　在軟判決具體的碼型方案中，無(wú)論是LDPC碼還是TPC方案，均需要OTU上完成大量的硬件計(jì)算來(lái)支撐性能。為捕捉信號(hào)遠(yuǎn)離介于0和1之外的信號(hào)而做出正確的判決，譯碼器的比特吞吐量也是硬判決的好幾倍。其在復(fù)雜度上也要考慮由于信道劣化特征，即0和1信號(hào)的隨機(jī)裂化而造成的噪聲概率分布的變化。所以，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的算法復(fù)雜性大為增加。更重要的是，由于啟用軟判決后線路速度從7%開(kāi)銷的112Gbit/s速度上升到基于20%開(kāi)銷冗余的128Gbit/s后，對(duì)后級(jí)ADC器件的采樣率要求從56GHZ提升到65GHZ，DSP的計(jì)算能力也要從千萬(wàn)門電路往數(shù)千萬(wàn)門級(jí)大躍進(jìn)，系統(tǒng)關(guān)鍵芯片的搭建也將從基于100G轉(zhuǎn)變?yōu)槌?00G甚至400G而設(shè)計(jì)。最后，由于速率的提高必然帶來(lái)譜寬的變化，這必然也會(huì)在非線性、濾波效應(yīng)以及ROADM直通方面帶來(lái)連鎖影響，這些均在研究中。

　　結(jié)合上文第一部分的分析，基于20%開(kāi)銷的128Gbit/s相干接收系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)室仿真結(jié)果比較樂(lè)觀， B2B OSNR在同樣誤碼率門限情況下為14.5 db 。雖然沒(méi)有達(dá)到第二代100G系統(tǒng)不采用軟判決技術(shù)的背靠背門限指標(biāo)，但還是比第一代系統(tǒng)的仿真值提升了1.5-2 db。OFC 2010報(bào)道的國(guó)外某首個(gè)128Gbit/s速率PM-QPSK相干接收在線處理原型機(jī)的真實(shí)測(cè)試結(jié)果卻讓20%冗余度的SD-FEC技術(shù)蒙上陰影。其在2E-3誤碼率下的B2B OSNR門限居然裂化到17db，與離線仿真結(jié)果出現(xiàn)2.5-3 db的差距。究其原因，除了仿真系統(tǒng)和在線系統(tǒng)復(fù)雜度的差異之外，另一個(gè)重要的因素是在線實(shí)時(shí)芯片處理能力。這個(gè)首個(gè)128Gbit/s 在線處理原型機(jī)的DSP功能采用了大量的FPGA拼接而成，與不是基于112GBit/s系統(tǒng)常用的單ASCI芯片。業(yè)界認(rèn)為，即使采用ASCI技術(shù)也需要65nm甚至40nm工藝的ASIC才能實(shí)現(xiàn)其高運(yùn)算量和低功耗目標(biāo)。所以，芯片技術(shù)成為軟件判決從紙上談兵走向商用系統(tǒng)與否的關(guān)鍵。

　　2012年Q1，AT&T實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了其業(yè)界首個(gè)40nm的技術(shù)的MSA收發(fā)器的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，也是業(yè)界首個(gè)運(yùn)營(yíng)商測(cè)試的SD-FEC系統(tǒng)。PM-QPSK收發(fā)器示意圖如下圖二，其有4個(gè)8位、每秒65G采樣率ADC轉(zhuǎn)換通道的DSP引擎，在OTU接收端處理色度色散補(bǔ)償以及PMD補(bǔ)償和對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)恢復(fù)。同時(shí)，ASIC套片還包含SD-FEC發(fā)端編碼和接受端SD-FEC解碼。在具體的碼型算法上，試驗(yàn)系統(tǒng)的SD-FEC采用的是基于Turbo乘積碼（TPC），相應(yīng)的凈編碼增益11.1分貝。

　四：結(jié)論

　　2012年國(guó)內(nèi)100G的研討已從“Why為什么”建設(shè)深入到“How 怎么”建設(shè)100G上來(lái)。在既有碼型和固定發(fā)射功率的下，有兩種方法提升Rm點(diǎn)的系統(tǒng)OSNR門限。經(jīng)過(guò)本振技術(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)在不增加額外線路開(kāi)銷的情況下，B2B OSNR已與復(fù)雜算法的SD-FEC性能接近。由于100G相對(duì)40G技術(shù)，基于偏振復(fù)用相干檢測(cè)天生對(duì)DGD和色度色散不敏感，因此可將Q 裕量從40G的3-3.5db 下降到2-2.5db，優(yōu)化后的100G的系統(tǒng)ONSR門限完全與40G相同，甚至優(yōu)于某些碼型的40G系統(tǒng)。SD-FEC 是第三代FEC技術(shù)發(fā)展的方向，在犧牲有效帶寬到20%冗余的情況下，可以提升OSNR預(yù)算1.3 db。由于SD-FEC本身的復(fù)雜對(duì)硬件實(shí)時(shí)處理的要求很高，軟判決和硬判決不是取代關(guān)系而是配合關(guān)系。目前，AT&T首次測(cè)試了針對(duì)128G 速率千萬(wàn)門電路的40nm的芯片成熟性，阿爾卡特朗訊也在2012年Q1發(fā)布了基于400G技術(shù)的全新處理芯片。成熟套片技術(shù)的快速發(fā)展，必將大幅提升DWDM的網(wǎng)絡(luò)傳送容量以及網(wǎng)絡(luò)OSNR性能。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　郭中華，華中科技大學(xué)通信與系統(tǒng)碩士。在光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有10余年的工程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、產(chǎn)品規(guī)劃與定義、整體解決方案的經(jīng)驗(yàn)。2005年加入阿爾卡特，負(fù)責(zé)重大項(xiàng)目以及產(chǎn)品定義、跨領(lǐng)域的總體解決方案構(gòu)。曾任解決方案部副總監(jiān)以及光網(wǎng)絡(luò)首席架構(gòu)師?，F(xiàn)任阿爾卡特朗訊（上海貝爾）國(guó)內(nèi)銷售支持總部，光網(wǎng)絡(luò)總監(jiān)。