浅析100G波分技术及其发展

2013-09-04胡国锦

数字通信世界 2013年7期

一、引言

随着宽带业务的持续发展，承载网骨干层面临着越来越大的带宽压力。同时，路由器100GE端口需求开始出现，10G/40G传送承载网已经不能满足超宽带和100GE端口的需求，在骨干层实现100G传输已经是网络建设的主流。100G波分传输的工程应用需求总结如下：

⊙ 传输距离：长途骨干网要求传输距离至少达1000~1500km，包含6个ROADM（可重构型光分插复用设备）；城域网要求包含20个ROADM。

⊙ 传输容量：通道间隔为50GHz，与现有10G波分系统相同。

⊙ 应用场景：可在现有光纤通信系统上进行升级，无需更换新型光纤或光放大器。

⊙ 成本：100G波分系统相比10G在成本/速率/距离上应有优势。

⊙ 功耗：100G波分系统相比10G在功耗/速率以及设备集成度上应有优势。

波分系统，单波速率从2.5G到10G，从10G到40G，一直面临着一系列的物理限制。线路速率再次提升到100G，这些物理限制因素仍然存在，并且产生的传输损伤也更为严重。这些因素直接限制了100G系统的传输距离。而100G技术的发展，主要是不断地克服这些因素的影响让信号传得更远的过程。

影响10 0 G传输的几个因素有：要求更高的系统OSNR，要求更高的PMD容限，要求更高的色散容限，光纤非线性效应增强。

二、100G波分的关键技术

下面将从关键码型调制技术、新型接收技术和FEC技术三个方面，介绍近期100G线路传输解决方案的最新进展。

1.码型调制技术

从10G超长距离传输开始，码型调制技术一直是波分系统技术研究的重点。随着比特速率的增加和传输距离的延长，波分长距离传输系统将遇到一系列物理限制因素的挑战，它们主要是：OSNR要求的增高、色散容限降低、非线性效应增强以及PMD效应的增加等。这些物理效应都和传输的波特率有关，波特率越高，这些物理效应及其对系统性能的危害也随之而加剧。例如，在不改变传输码型的前提下，当波特率从10G提升到40G，光信号的OSNR要求将提升6dB，色散容限将降低到前者的1/16，PMD容限将降低到前者的1/4，光纤非线性危害程度也随之增加。为了在提升线路速率的同时避免这些物理效应的危害增加，业界通常选用更高级的码型调制格式，主要措施包括：

（1）采用相位调制格式。从原理上讲，和相同比特率的OOK码型相比，二进制差分相位调制（DPSK）技术的OSNR要求可降低3dB。此外，相移键控调制（PSK）是一种恒包络调制，有利于降低比特图形相关的非线性效应。因此，在40G传输中开始广泛使用PSK调制作为主要的调制格式。

（2）采用多进制调制。用于40G传输系统的DPSK码型的波特率约为42.8Gb/s，其光谱宽度较大，不能直接用于50GHz间隔的WDM传输。虽然可以通过一些技术改进使DPSK能支持50GHz间隔，但仍严重制约于50GHz滤波器级联代价大、PMD容限小（2～3ps）等问题。正交四相位调制（QPSK）克服了上述问题，用光场的实部和虚部分别承载业务，可以在维持40Gb/s比特率不变的条件下将波特率降低到约20Gb/s，有效降低了光谱带宽，以支持50GHz间隔传输，且PMD容限增加到6～8ps，可满足2000km超长距离传输的需要。

（3）采用RZ技术。和常规NRZ-OOK技术相比，RZ码型技术可有效降低传输系统的OSNR要求、增强抵抗非线性效应的能力，以及增加抗PMD效应的目的。带啁啾的RZ码型可进一步补偿线路中的非线性效用产生的相位畸变，获得更好的传输性能。目前，啁啾归零码差分正交四相位调制码型(CRZ-DQPSK)已经成为40G系统中最主流、市场应用最广泛的码型。

基于在40G系统中的成熟、广泛应用，QPSK在100G系统中也成为最成熟的选择。考虑到100G系统的比特率将达到112Gb/s甚至更高，如果直接采用QPSK调制，要求光收发模块的mux芯片、MZ调制器等也要达到56GHz左右，这对（光）电器件的工艺提出了很高的要求。

目前，业界又提出了“偏振复用（PDM）”方案。偏振复用技术利用光的两个独立偏振态各自承载56Gb/s业务信息，每个偏振态采用QPSK调制，从而将100G系统的波特率降低到28Gb/s，大大降低了对（光）电器件的带宽要求，使得目前成熟的40G光电器件也可用于100G系统，有利于降低功耗和网络初期投资成本。

也有其他更复杂的调制技术，如多电平（8PSK）、多载波（OFDM）等用于100G系统的研究。与之相比，PDM-QPSK技术在成熟度和复杂度之间取得了最佳的平衡点，已成为100G传输的主要调制码型技术。此外，PDM-QPSK调制技术还可很好地支持相干接收及DSP等其他100G关键技术，业已成为各设备商、模块或子系统商竞相研究的重点，并被国际标准化组织确定为未来100G长距离传输的标准调制方式。

2.相干接收和DSP技术

PDM-QPSK调制技术主要解决了100G传输的OSNR要求和关键光电芯片的成熟度问题，但是100G系统的色散容限过小和PMD容限过小的问题依然存在。

从原理上讲，色散效应是在频域光电场的相位上产生了畸变，PMD效应是在两个偏振的时域光电场的相位上引入了不同时延。在传输系统收端的强度接收（OOK码型）或者自相干接收（非相干PSK码型）过程中，这些相位上的畸变和时延均会转化为接收眼图的畸变和码间干扰，并造成系统损伤。波分传输系统通常利用色散补偿模块（DCM）进行在线色散补偿，以及收端进行可调色散补偿模块（TDCM），来将残余色散量控制在传输码型可容忍的程度。但这些色散补偿措施往往会对网络规划和实施造成限制，尤其对ROADM网络的业务灵活调度是不利的。而PMD的光学补偿方法还不成熟，一般靠码型自身有限的PMD容忍度，以及合理分配OSNR裕量来抵消PMD效应造成的代价。

由于色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入调制或畸变，而光相干检测则可探测并同时获知光场的偏振、幅度和相位信息。进而采用数字信号处理的方法（包括电滤波和均衡措施），可以消除色散和PMD导致的眼图畸变和码间干扰，重新恢复“干净”的码元信息。采用这种基于电域的数字信号处理（DSP）方法，在40G/100G系统上可实现高达40000～60000ps/nm的色散容限，和25～30ps的PMD容限。传输线路上不再放置DCM模块，PMD效应也不再成为限制系统传输距离的因素，系统组网能力及灵活性将得到极大的提高。目前，PDM-QPSK、相干接收和DSP技术的配合使用，已经成为100G传输系统最主流的技术配置方案。100G相干光通信系统的技术原理图如图1所示。

图1 100Gb/s PDM-QPSK相干电处理光通信系统

在PDM-QPSK相干接收及电处理方案的实现过程中，涉及多种新型光/电器件及其算法的研制开发，其中包括高速成帧器、Mux/Demux、CDR、28Gb/s高速双偏振QPSK调制器、双偏振相干接收装置、56GS/s高速ADC和DSP芯片及其均衡算法的实现，有较高的复杂度和技术挑战。经过业界最近几年的努力，上述关键技术中的实现难点均得到克服，整个产业链日趋成熟（见表1）。

表1 关键器件商用时间表

3.FEC技术

前向纠错（FEC）一直是光传输技术中降低OSNR要求的重点技术之一，并随着光线路速率的提升而得到迅猛发展。第一代的带外FEC采用以RS(255,239)为代表的代数码技术，满足G.975标准规定，采用7%的开销，净编码增益为6.3dB，纠前BER容限约为8.3×10-5，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。第一代FEC的复杂度较低，算法规模较小（约100,000LUT），采用FPGA即可满足其运算速度的要求。

随着后期的100G及目前40G系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前BER容限进一步降低，这驱动了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生。第二代FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到8～9dB，纠前BER容限可低至1×10-3～4×10-3。G.975.1中制定了第二代FEC的行业标准。净编码增益的提高同时也伴随着FEC算法复杂度的和运算规模的增加。第二代FEC技术一般需要300,000LUT的FPGA或百万门规模的ASIC芯片来承载。

在100G相干技术产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术诞生了。这种FEC一般采用LDPC码（低密度奇偶校验码）、TPC码（Turbo乘积码)，可提供约11dB的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC的另一个特点是开销更高，可高达20%（OIF建议SD-FEC的开销不超过20%），使得100G的线路速率达到128Gb/s，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。表2给出了现阶段几种SD-FEC技术的编码增益和规模等参数。

表2 现阶段几种SD-FEC技术的关键参数比较

基于数据网络流量以接近两年翻一番的速度迅速膨胀，以及国际标准在100GE上支持OTU4接口的进展，100G波分技术成熟和商用的步伐将进一步加快。以偏振复用、正交四相位调制、相干接收和数字信号处理技术为核心的100G PDM-QPSK相干技术的诞生和成熟，标志着波分系统由传统的模拟光传输系统向数字化光传输系统的转变，已成为未来发展的必然趋势。