100Gbit/s DWDM标准进展及关键技术

2012-01-19王芳赵小强李勇

电信工程技术与标准化 2012年6期

王芳, 赵小强, 李勇

（1 北京中通海科技有限公司，北京 100088；2 中国移动通信集团河南有限公司，郑州450003；3 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

随着中国移动3G网络和宽带接入的快速发展，CMNet和IP承载网的中继链路带宽需求急剧增加，尤其是路由器100GE端口的逐步商用化，100Gbit/s DWDM系统技术的突破性进展，为100Gbit/s传输系统规模商用提供了可能。

1 100Gbit/s标准进展

为了避免100Gbit/s标准滞后对产业的不利影响，全球主流运营商、设备供应商都在积极参与IEEE、ITU-T以及OIF国际标准组织的活动。100Gbit/s的源头是100GE业务，IEEE 802.3ba对此进行了规范，ITU-T考虑100GE业务的承载，而OIF规范了业务的100Gbit/s LH模块的实现以及100Gbit/s互连互通接口规范，中国通信标准组织也在积极准备100Gbit/s标准的制定。目前100Gbit/s DWDM相关标准已基本成熟。

1.1 IEEE

IEEE 802.3ba是IEEE关于40Gbit/s和100Gbit/s以太网的专门研究组，目标是为40Gbit/s和100Gbit/s的以太网制定物理层接口规范。该标准从2006年启动，到2010年6月已完成并发布。物理编码子层（PCS）采用64B/66B编码，100GE实际物理层速度是103.125Gbit/s，如此高速率电信号无法串行处理，所以100GE物理层都是并行的多道（Lanes），与我们用户关系最密切的100GE接口是物理介质相关子层（PMD），如表1所示。

表1 100GE接口类型

其中用途最广泛的接口应是100GBase-LR4和100GBase-ER4，它是100Gbit/s WDM传输设备与核心路由器设备之间的互联接口。

1.2 ITU-T

ITU-T对100Gbit/s的标准研究在SG15的Q6/Q11进行的，2009年12月批准的G.709标准已为100Gbit/s定义了OTU4，还定义了多种低速信号到OTU4的映射复用以及100GE到OTU4映射。为了100GBase-LR4/ER4以太网接口的重用，也定义了OTM-0.4v4，如图1所示。2009年11月发布的G.959.1中参照IEEE 802.3ba制定了用4×25Gbit/s多通道域内的应用代码及参数：4I1-9D1F和4L1-9C1F。

物理层多通道并行传输是100Gbit/s的特点，不同的物理通道由于波长的不同传输速度有微小差异，不同通道物理长度及处理时延等也有微小差异，因此多通道同步是必须解决的技术问题，在最新的G.709以及IEEE 802.3ba对通道去歪斜做了详细规范。

1.3 OIF

光互联网论坛（OIF），致力于开发电信和数据网络领域的互连互通协议。100Gbit/s承载相关的标准研究主要在物理和链路层工作组（PLL WG）中进行，100Gbit/s LH DWDM技术下设了长距离DWDM传输框架、集成光子、FEC、传输模块电接口、传输模块管理接口等5个项目组，除管理接口外其它研究组工作已完成并发布。

光调制方式选择了偏振复用-正交相移键控（简称PM-QPSK或DP-QPSK等）、光相干接收。纠错编码（FEC）技术OIF推荐了冗余度在18%～20%的软判决纠错编码（SD-FEC），净编码增益可达10.5dB左右，这时线路速率接近达到126Gbit/s。

为了100Gbit/s核心模块通用，OIF正在制定100Gbit/s线路侧模块标准：Implementation Agreement for 168-pin Transponder Module。

图1 OTM-0.4v4结构

多源协议联盟（MSA）正制定100Gbit/s客户侧模块标准：CFP MSA，这些标准已基本定稿。

1.4 CCSA

中国通信标准化协会（CCSA）TC6的WG1负责100Gbit/s DWDM标准的研究制定，目前行业技术报告《N×100G DWDM传输系统技术要求》已征求意见，预计今年Q3可以形成定稿；报告《N×100G DWDM系统测试方法》正在研究中。

2 100Gbit/s传输面临的挑战及关键技术

从技术上来说，100Gbit/s信号在光纤中传输所面临的物理传输限制比10/40Gbit/s更加严峻，如相比40Gbit/s系统而言，色度色散(CD)容限要求为40Gbit/s的4/25倍，偏振模色散(PMD) 容限要求为40Gbit/s的2/5倍，非线性效应明显增加；背靠背OSNR要求提高4dB，滤波器级联造成的代价(ROADM)等方面都更加难以达到要求。

总的说来，100Gbit/s DWDM系统技术突破主要集中在光终端技术，包含线路侧光调制接收技术、更高编码增益的FEC技术、客户侧CFP模块技术以及光器件和电芯片集成技术。

2.1 线路侧光调制接收技术

虽然将目前广泛用于40Gbit/s传输的NRZDQPSK或者RZ-DQPSK直接提速到112Gbit/s也可以实现100Gbit/s传输，但这种方案的综合性能较差，系统余量较低，直接将传统的调制技术“提速”到100Gbit/s的速率，很难解决100Gbit/s速率提升带来的诸多物理限制。解决方案之一就是将100Gbit/s信号反向复用到多个10Gbit/s和40Gbit/s的OTU2、OTU3，并利用多个低比特速率的光信号进行传输上，经传输后再进行100Gbit/s业务数据的恢复。这种方案可以在现有的器件条件下实现，是当前阶段较为经济有效的方案，但波长利用率较低。同时，这种方案也存在多个接收信号在接收端进行对齐及波长管理的问题。

解决100Gbit/s速率上的物理限制的另一个更重要的技术发展方向是，寻求一种高频谱利用率的、单波长传输的新型调制格式与接收方式。与40Gbit/s采用多种多样的码型相比，100Gbit/s大家更为关注偏振复用、相干接收、多相位调制和OFDM等技术以克服物理传输的限制。

正交相移键控（QPSK）是目前100Gbit/s光调制技术的基础，再与频分复用或偏振复用或正交频分复用等技术结合是100Gbit/s光调制技术必须的，业界研究较多的是PM-DQPSK-PT（Polarization Multiplexed-Differential Quadrature Phase Shift Keying+ 接收端采用 Polarization Tracker）、PM-(D)QPSK（Polarization Multiplexed-(D)QPSK）和OFDM-QPSK（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，QPSK），性能简要比较如表2所示。

PM-QPSK光调制方式是OIF推荐的100Gbit/s长距离光传输调制方式，是目前几个主流厂家主要采用的技术，技术方案基本是成熟的。原理是：OTU4速率分成4路，即28～32Gbaud，每两路做一个（差分）正交相位调制（QPSK），两个QPSK光输出信号按偏振态正交复用，形成100Gbit/s PM-QPSK光信号。由于是28～32Gbaud，其光谱较窄，从而可以支持50GHz波长间隔及穿通多个OADM站点。

相同光调制方式下100Gbit/s跟10Gbit/s相比，OSNR容限要差10dB，PMD容限会降低10倍，CD容限降低100倍，因此必须采用先进技术手段保证100Gbit/s的实用性。选择光相干、平衡光接收技术相比NRZ直接接收提升OSNR容限近6dB。

表2 主流100Gbit/s光调制技术基本性能

由于经过长距离传输后的PM-QPSK光信号其偏振态会随机变化,接收端本地光振荡器与接收光信号存在频率差以及相位差，业界看好的解决方案是采用高速电信号处理（DSP）技术，原理如图2所示。

依赖于复杂的电处理技术，系统的PMD容限和CD容限可以优于10Gbit/s系统，可降低PMD和CD引入的传输代价，并具有较高的光接收灵敏度。

其困难是要开发包含高速ADC（50Gsample/s以上）和DSP的专用ASIC芯片以及光器件集成和降低功耗，技术工艺难度极大。

2.2 高效FEC技术

图2 相干接收DSP原理框图

目前10Gbit/s NRZ在纠错前误码率（pre-FEC）为2×10-3时（超强纠错编码纠错门限）的OSNR容限小于12dB，而业界看好的PM-QPSK的pre-FEC BER@2×10-3时OSNR容限在15.5dB左右，也就是说采用相同能力的FEC，100Gbit/s传输距离不到10Gbit/s的一半。

10Gbit/s和40Gbit/s DWDM系统已普遍采用各种增强纠错编解码技术，净编码增益（NCG）约8.5dB。OIF建议选择冗余度在18%～20%的软判决纠错编码（SD-FEC），净编码增益可达10.5dB左右，这时线路速率超过了126Gbit/s。

考虑到100Gbit/s采用了智能化的电处理技术，OSNR传输代价可以减少；省掉分布式色散补偿模块，可以提高系统的OSNR等，100Gbit/s系统传输能力可以与10Gbit/s系统相当。

2.3 客户侧CFP模块

100GE采用了多道（Lanes）并行光接口，客户侧模块比以往的10Gbit/s模块就复杂的多。MSA联盟制定的100Gbit/s CFP模块标准支持热插拔。

2.4 集成技术

100Gbit/s的线路侧光模块集成主要包括：包含高速ADC和大规模DSP的ASIC芯片；光发射机光调制器、光接收机光解调器以至于两者集成在一起。实现方案及其复杂，必须依赖光电集成技术，否则功耗、体积和成本会造成100Gbit/s难以规模商用。OIF给出的100Gbit/s线路侧光模块框图如图3所示。

另外客户侧CFP模块包含4通道TOSA和ROSA以及4路光合波和光分波、高速Mux/DeMux，也需要光集成，否则其功耗和体积难于适应大规模商用要求。

3 小结

虽然100Gbit/s DWDM技术存在诸多难题，但随着各种业务的迅猛发展，100Gbit/s的需求也逐渐明朗。目前虽然已报道了大量的实验室和现网测试，业界看好的相干PM-QPSK方案目前以离线试验为主；个别厂商完成了原型研究进行现网试验，但性能与预期还有差异；个别厂商宣称开发完成了100Gbit/s DWDM传输产品，但其产品技术还不适合规模应用，主要是设备功耗过高、性能与10Gbit/s系统差距较大。

总之，100Gbit/s技术的成熟和规模商用已经渐行渐近。从其应用特点来看，长距传输和短距互联各有侧重，但长距传输应用时面临的挑战较为显著，包括线路传输限制解决、系统余量考虑、光信噪比测试、组网OTN功能支持以及现网升级兼容性支持等；从国内100Gbit/s后续发展趋势来看，技术成熟、规模商用和成本将是影响其部署的主要因素。从今年开始，将是100Gbit/s DWDM的大发展阶段，随着其系统性能和设备的体积、功耗进一步降低后将逐步推动应用的规模商用，后续的400Gbit/s或更高速率将重新成为高速传输应用技术新的关注焦点。