100G DWDM，深度優(yōu)化OSNR的技術(shù)

2009年以來(lái)40G DWDM已開(kāi)始在中國規模部署，隨著(zhù)寬帶中國、寬帶提速等戰略的實(shí)施，發(fā)達省份的骨干傳輸帶寬資源在這快速發(fā)展的3年中已幾乎消耗殆盡，部分運營(yíng)商在第二平面建設方案是基于40G技術(shù)還是100G DWDM技術(shù)而舉棋不定。2011年歐美運營(yíng)商在云計算、IDC互聯(lián)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的驅動(dòng)下規模部署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。2012年伊始，國內三大運營(yíng)商分別啟動(dòng)詳細的實(shí)驗室和現網(wǎng)測試，業(yè)界也逐步將注意力從為什么建設100G轉移到如何建設100G。OSNR，DWDM系統最典型也最復雜的指標，也繼PDM-DPSK碼型歸于統一之后成為新的熱點(diǎn)。與40G各種類(lèi)型來(lái)區分應用場(chǎng)景不同，統一碼型和統一調制方式的100G DWDM留給廠(chǎng)商進(jìn)行各自優(yōu)化的空間并不大，只有接收側的AD高速數模轉換、DSP的軟件算法以及FEC編解碼深度。與工程設計相關(guān)的顯性指標，就體現在背靠背OSNR（BOL和EOL）、OSNR和系統代價(jià)、FEC糾錯能力、色度色散和偏振模色散補償值上。

B2B OSNR 的優(yōu)化

工程實(shí)踐往往和實(shí)驗室測試有較大差距。在建議的1dBm的發(fā)送功率下，第一代100G系統的B2B仿真數據維持15～16dB。在7%線(xiàn)路開(kāi)銷(xiāo)的112Gbit/s PDM-QPSK相干系統中，在誤碼率為2E～3這個(gè)閾值下，B2B OSNR性能的離線(xiàn)數據最佳結果為14.78dB。也有廠(chǎng)商離線(xiàn)測試結果在15～16dB。由于仿真系統一般采用計算機陣列的離線(xiàn)處理，一般認為商用系統上性能會(huì )比仿真結果大1.5dB。原因在于離線(xiàn)處理為獲取最佳的B2B OSNR性能而忽略考慮算法本身的復雜度，但是在線(xiàn)DWDM處理系統必須考慮算法復雜度限制，性能必然有所劣化?；谝陨戏抡娼Y果，即使退而使用15～16dB的指標，其與40G系統的背靠背門(mén)限分別為13dB或14.5dB不小的差距。

實(shí)際上PDM-DPSK和相干接收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。相干接收側使用一個(gè)高穩定度的本地振蕩激光器，經(jīng)過(guò)偏振分束后與遠端輸入光信號進(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?；祛l器輸出光信號經(jīng)平衡接收光電二極管轉換為模擬電信號，經(jīng)高速模數轉換器（ADC）采樣量化后轉換為數字信號?；谝陨显?，源自本振光源的信噪比要遠優(yōu)于輸入光信號的信噪比，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)化的數據基本上可達到犧牲20%帶寬效率的SD-FEC的方案指標。阿爾卡特朗訊在2011年第4季度發(fā)布了基于商用系統的增強OTU解決方案。并在不開(kāi)啟SD-FEC的情況下，在2012年第1季度某國家級測試中已優(yōu)于以上關(guān)鍵指標。

Q余量與Rm側系統OSNR的優(yōu)化

40G DWDM國標中定義的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，OSNR裕度的多少將直接決定系統的OSNR門(mén)限。

相對40G標準，基于偏振復用相干檢測的100G技術(shù)天生對DGD和色度色散不敏感，因此可將Q裕量從40G系統中的3～3.5dB下降到2～2.5dB。Q裕量的變化實(shí)際上就是系統側的OSNR裕量，就可以降低1dB, 達到4～4.5dB。目前這個(gè)裕量的優(yōu)化已廣泛地被歐洲和北美運營(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(xiāo)的情況（例如SD-FEC）下，100G系統的ONSR門(mén)限就可達到18.5dB, 完全與現有的40G系統在跨站設置上相同，甚至優(yōu)于某些特殊碼型的40G 系統。

FEC和SD-FEC的優(yōu)化技術(shù)

前向糾錯FEC技術(shù)是通過(guò)優(yōu)化線(xiàn)路信號來(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（如20%）以及對應的信號處理芯片的復雜度來(lái)?yè)Q取更大的凈增益。業(yè)界在密切關(guān)注100G超長(cháng)傳輸距離和SD-FEC軟判決的關(guān)系。

OIF建議軟判決FEC開(kāi)銷(xiāo)比小于20%，低于20%開(kāi)銷(xiāo)比時(shí)凈增益隨著(zhù)冗余度增加而增大，而超過(guò)后受錯誤平層影響而增益反而下降。在7%開(kāi)銷(xiāo)時(shí)，軟判決復雜度遠超過(guò)硬判決，但復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，可以直觀(guān)地判斷并不是軟判決出現之后，硬判決將退出歷史舞臺，軟硬結合才是可行的方案。

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算來(lái)支撐性能。為捕捉信號遠離介于0和1之外的信號而做出正確的判決，譯碼器的比特吞吐量也是硬判決的好幾倍，對應系統的算法復雜性大為增加。更重要的是，由于啟用軟判決后線(xiàn)路速度從7%開(kāi)銷(xiāo)的112Gbit/s 速度上升到基于20%開(kāi)銷(xiāo)冗余的128Gbit/s后，由于速率的提高必然帶來(lái)譜寬的變化，對后級ADC器件的采樣率要求從56GHz提升到65GHz， DSP的計算能力也要從千萬(wàn)門(mén)電路往數千萬(wàn)門(mén)級大躍進(jìn)，系統關(guān)鍵芯片的搭建也將從基于100G轉變?yōu)槌?00G甚至400G而設計。

基于128Gbit/s相干接收系統中，實(shí)驗室仿真結果B2B OSNR在同樣誤碼率門(mén)限情況下為14.5 dB。OFC 2010年報道的國外某首個(gè)128Gbit/s速率PM-QPSK相干接收在線(xiàn)處理原型機的真實(shí)測試結果卻讓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(mén)限居然裂化到17dB。究其原因，除了仿真系統和在線(xiàn)系統復雜度的差異之外，另一個(gè)重要的因素是在線(xiàn)實(shí)時(shí)芯片處理能力。這個(gè)案例也從側面證明了FPGA拼接而成而不是基于單ASIC芯片，無(wú)法真正完成SD-FEC功能。業(yè)界認為，即使采用ASCI技術(shù)也需要65nm甚至40nm工藝的ASIC才能實(shí)現其高運算量和低功耗目標，所以芯片技術(shù)成為軟判決從紙上談兵走向商用系統的關(guān)鍵。

2012年第一季度，att實(shí)驗室發(fā)布了其業(yè)界首個(gè)40nm的技術(shù)的MSA收發(fā)器的系統測試結果，也是業(yè)界首個(gè)運營(yíng)商測試的SD-FEC系統。其有4個(gè)8位、每秒65G采樣率ADC轉換通道的DSP引擎，在具體的碼型算法上，試驗系統的SD-FEC采用的是基于Turbo乘積碼（TPC），相應的凈編碼增益11.1分貝。雖然att這個(gè)實(shí)驗室測試系統受成40nm ASIC熟套片數量的限制，只開(kāi)通了SD-FEC的波，遠低于國內40個(gè)波長(cháng)的測試要求；系統的發(fā)射光功率也大于國內標準的1～2dB(這會(huì )改善ONSR性能)，但它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。