100G波分傳輸技術(shù)發(fā)展

市場(chǎng)需求驅動(dòng)

互聯(lián)網(wǎng)數據業(yè)務(wù)的爆炸式增長(cháng)是高速波分傳輸發(fā)展的主要推動(dòng)力，根據調研和預測，骨干網(wǎng)傳輸帶寬以每年50%以上的速度增長(cháng)，目前骨干傳輸網(wǎng)要求支持100G傳輸的呼聲越來(lái)越強烈。100G波分傳輸的工程應用需求總結如下。

● 傳輸距離：長(cháng)途骨干網(wǎng)要求傳輸距離至少達1000~1500 km，包含6個(gè)ROADM（可重構型光分插復用設備）；城域網(wǎng)要求包含20個(gè)ROADM；

● 傳輸容量：通道間隔為50GHz，與現有10G波分系統相同；

● 應用場(chǎng)景：可在現有光纖通信系統上進(jìn)行升級，無(wú)需更換新型光纖或光放大器；

● 成本：100G波分系統相比10G在成本/速率/距離上應有優(yōu)勢；

● 功耗：100G波分系統相比10G在功耗/速率以及設備集成度上應有優(yōu)勢。

要完全實(shí)現以上需求，必須采用相干通信技術(shù)，加強系統消除傳輸損傷的能力。100G信號速率對目前電芯片來(lái)說(shuō)仍然太高，可通過(guò)多電平調制、偏振復用、多波并行傳輸等技術(shù)組合將100Gbps信號速率降為25G波特率或更低。

標準及產(chǎn)業(yè)鏈現狀

為推動(dòng)100G光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，多個(gè)光通信國際標準組織積極制定100G相關(guān)標準，涵蓋100G器件、光模塊、OTN開(kāi)銷(xiāo)處理、系統設備等領(lǐng)域。IEEE于2010年6月發(fā)布了40G/100G以太網(wǎng)接口標準802.3ba，由多個(gè)光模塊廠(chǎng)商組成的CFP多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶(hù)側可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議，為100G客戶(hù)側接口制定了接口規范；ITU-T 于2009年12月更新了OTN接口建議G.709，定義了支持100GE接入的OTU4幀結構及映射協(xié)議，規范了100G單板中成幀處理要求；OIF負責制定100G波分側光模塊電氣機械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機和接收機組件、前向糾錯技術(shù)的協(xié)議規范，有力地推動(dòng)了波分側接口設計標準化。

100G波分傳輸已從實(shí)驗室研究進(jìn)入工程測試和初期應用階段。各大系統設備廠(chǎng)家客戶(hù)側100GE接口嚴格符合標準802.3ba規范的4路并行傳輸，波分側采用各具特色的傳輸技術(shù)。截至2010年7月，大部分光器件達到可商用程度，但相干接收技術(shù)中關(guān)鍵芯片ADC和DSP的量產(chǎn)商用還需一段時(shí)間。ADC和DSP是近年來(lái)阻礙100G波分傳輸商用的最大攔路石，目前有多個(gè)芯片廠(chǎng)家正在積極研發(fā)集成ADC和DSP功能的ASIC芯片。

中興通訊解決方案

中興通訊提供兩種解決方案，一種是實(shí)現簡(jiǎn)單的“PDM-DQPSK+直接接收”解決方案，另一種是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解決方案。

PDM-DQPSK+直接接收

發(fā)射單元采用PDM-DQPSK調制，接收單元采用直接接收技術(shù)。PDM-DQPSK即偏振復用-差分正交相移鍵控調制，激光通過(guò)偏振分束器分成2路正交偏振態(tài)光，每路進(jìn)行DQPSK調制（DQPSK調制技術(shù)在40G波分傳輸系統中已成熟應用），然后再用偏振合束器合成一束光，傳輸速率為111.8Gbps。相位調制信號的直接接收即采用延遲干涉和平衡接收實(shí)現信號檢測，因輸入信號為2路偏振態(tài)信號，還需采用光學(xué)偏振跟蹤技術(shù)分離出2路偏振正交的DQPSK信號。

該方案中光學(xué)偏振跟蹤速度快，可滿(mǎn)足工程現場(chǎng)應用需求，通道間隔最小為50GHz。系統中仍需配置色散補償，PMD容限有限，OSNR（光信噪比）性能較差，屬于100G波分傳輸初期解決方案。

PDM-DQPSK+相干接收

發(fā)射單元采用PDM-DQPSK調制，接收單元采用相干接收技術(shù)，該方案符合OIF（光互聯(lián)論壇）100G接口規范，其功能框圖如圖1所示。

圖1 相干接收PDM-DQPSK原理框圖

發(fā)射單元為PDM-DQPSK調制，差分編碼解決相位模糊問(wèn)題。

接收單元由本振激光、光電解調、ASIC芯片組成。本振激光采用大功率窄線(xiàn)寬可調諧激光器，雙路混頻器、4路光電轉換完成光電解調，實(shí)現任意偏振態(tài)、任意相位信號的相干接收，其中4路光電轉換采用雙PIN平衡接收，相比單PIN接收有更大的輸入光功率動(dòng)態(tài)范圍。ASIC芯片集成ADC和DSP功能，消除傳輸損傷和恢復信號。采用CMOS技術(shù)的低功耗ASIC芯片，DSP算法類(lèi)似軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，包括如下功能模塊：重采樣、色散補償、自適應濾波、頻率補償、相位恢復、SD-FEC解碼。

相干接收PDM-DQPSK可實(shí)現50GHz間隔波分復用，濾波特性好；OSNR性能好，目標傳輸距離達1500 km以上；DSP算法跟蹤速度快，可實(shí)現光層快速保護倒換；色散補償和偏振模塊色散補償均在接收機中完成，可降低系統整體配置成本，但如果配置光學(xué)色散補償，會(huì )加重系統非線(xiàn)性損傷?？紤]到發(fā)射端可能重新定義幀格式以兼容SD-FEC，接收端DSP算法各有差異，因此很難實(shí)現波分側互聯(lián)互通。

其他解決方案

雖然“PDM-DQPSK+相干接收”是被業(yè)界認可的100G標準化解決方案，但有些設備制造商采用了其他解決方案。

（1）發(fā)射端采用雙波或3波DQPSK信號進(jìn)行合波，子載波頻率間隔為50GHz，接收端采用光濾波器分離出2路或3路DQPSK信號，然后再采用延遲干涉和平衡接收實(shí)現信號檢測。該方案又叫反向復用技術(shù)，通道間隔最小為100GHz或150GHz，傳輸容量小，OSNR性能較差，屬于100G波分傳輸早期解決方案。

（2）發(fā)射端采用雙波相干接收PDM-DQPSK，其中子載波頻率間隔為20GHz，接收端間隔20GHz的兩個(gè)本振激光分別對輸入信號進(jìn)行相干檢測，之后分別用低通電濾波器抑制另一子載波信號串擾，ADC采樣后再利用DSP算法消除傳輸損傷和恢復數據。該方案通道間隔最小為50GHz，OSNR性能好，雖然克服了當前ADC器件采樣速率瓶頸，但是器件較多，功耗較大，方案集成度較差，系統非線(xiàn)性性能相對較差。該方案最早實(shí)現100G波分傳輸工程應用。

（3）采用更多電平的高級調制碼型。例如PDM-64QAM，波特率為信號速率的1/12，此外OFDM研究也比較熱門(mén)，這類(lèi)調制碼型均采用相干接收技術(shù)，但發(fā)射和接收實(shí)現相對較復雜，在現有器件技術(shù)水平下還不適合100G工程應用，目前仍處于實(shí)驗室研究階段，有可能應用于未來(lái)的400G波分傳輸。

以數字信號處理技術(shù)為核心的100G相干接收技術(shù)是光通信發(fā)展史上具有里程碑意義的革命性突破，其重要性不亞于推動(dòng)波分復用系統大規模應用的摻鉺光纖放大器。隨著(zhù)帶寬需求的持續增長(cháng)和100G相干接收相關(guān)器件的成熟，尤其是100G所用光器件及芯片的小型化和低功耗趨勢，100G波分傳輸必將完全取代現有10G波分傳輸，并會(huì )擠壓40G波分傳輸的應用空間。