日本骨干光纤传输系统迈向400Gbit/s时代

特约撰稿人 | 宋向东

日本骨干光纤传输系统迈向400Gbit/s时代

特约撰稿人 | 宋向东

为了实现高容量且低功耗的光纤传输，构建灵活的网络、探寻新的光传输系统解决方案势在必行。超高速率、低能耗、兼备灵活性的400Gbit/s光纤网络，就成为首选。

随着互联网和智能手机的普及，数据流量呈爆炸式成长，为了满足不断飙升的通信需求,100Gbit/s相干光纤系统顺势产生。

100Gbit/s光纤传输系统全面商用

日本NTT、日本电气、富士通、三菱电机株式会社公司等受日本总务省委托，研发出了100Gbit/s光纤传输系统。它可以用到WDM的骨干光纤网及海底光缆网络中，同时也可用在超高速数据专线网中，为客户提供超高速数据专线服务。

因100Gbit/s光通信系统必须使用数字相干光通信技术才能实现，这就要求对超高速信号进行处理，因此超高速数字信号处理电路就成为必须的选择。日本产官学联合开发出的超高速光通信信号处理芯片,对光通信大容量化及日本光通信产业的发展做出了贡献。

日本的大规模集成电路研发是通过联合方式进行的。首先，将100Gbit/s光通信系统的功能模块划分成“信号编码纠错处理单元”、“多路复用单元”、“100Gbit/s光端机单元”、“色散补偿单元”和”传输路径评估单元”等，各个单元分别由参研单位独立负责，分工进行；其次，功能模块之间主要信号耦合由NTT负责，在开发过程中如果功能模块之间需要协作时,也由NTT负责协调；最后，在功能模块间设置内存(RAM),用检测信号进行检查,哪个模块出现故障,就视为不合格。

大规模集成电路在国际电联也是个大课题。如由ITU-T制订的OTN标准与办公室或家庭等计算机网络使用的以太网不能很好匹配。但到2008年前后,100G OTN的标准化工作开始，最终决定采用创新的数字相干系统技术，OTN的下行接口配备了10G以太网接口，使10G以太网与10G OTN得以匹配。

目前应用程序服务提供商和内容提供商在东京、大阪、名古屋、横滨、札幌、仙台、京都、神户、广岛、福冈等主要城市中，都在使用视频、在线游戏、云计算等技术，以致于数据流激增，100Gbit/s的以太网出现适应了数据流激增的形势。据日本媒体报道，2013年1月23日,亚洲互联网服务提供商NTT Com公司在骨干光纤网上推出100Gbit/s以太网用户界面，用于公司的互联网超高速接入服务。当最大速率不超过10Gbit/s时，为固定费率；超过10Gbit/s时,超过部分按信息量计费。与传统使用的多条10Gbit/s以太网电路服务相比，成本可节省约20%。目前日本的100Gbit/s光纤系统商用已经相当成熟。

400Gbit/s超高速光纤传输实验系统推出

目前，日本市场上100Gbit/s光传输系统已经开始商用，然而随着大数据和M2M的普及，客户对数据的多样性需求增强，对网络速度要求不断提高，对服务期待值不断膨胀，将来要处理的数据量会远远超出预期，并且网络上的业务量波动变化巨大。为了应对这些难题，就需让光骨干网络进一步超高速率化。然而，现在的光传输技术既需要超高速率化，又要确保光传输性能，必然是相当困难的，并且随着网络中信息量增长，电信设备的功率消耗也会显著增加。为了实现高容量且低功耗的光纤传输，构建灵活的网络、探寻新的光传输系统解决方案势在必行。超高速率、低能耗、兼备灵活性的400Gbit/s光纤网络，就成为首选。

图 400Gbit/s光纤实验系统

NTT、NEC、富士通三家公司受日本总务省委托，分别从2009年开始研发“超高速光网络边缘节点”，于2010～2011年又研发“100Gbit/s数字相干光通信系统”，至2012年已将其商用。三家公司于2012年再次接受日本总务省委托，共同研发“超高速、低功耗的光网络技术”，最终在2014年10月推出了单信道400Gbit/s数字相干传输技术的实验系统。

单信道400Gbit/s的数字相干传输技术的实验系统分为3种情况：单信道速率200Gbit/s～400Gbit/s，WDM采用60个信道，用4值的正交相移键控调制（QPSK）方式，在1万km长的光纤实验线路上，传输速率达到了12.4Tbit/s；采用8值的正交振幅调制（QAM）方式，在5600km长的光纤实验线路上，传输速率达到了18.5Tbit/s；采用16值的正交振幅调制（QAM）方式，在2000km长的光纤实验线路上，传输速率达到了24.8Tbit/s。

除了在100Gbit/s系统上采用4值正交相移键控调制（QPSK）外，为了扩大容量还采用了8值正交振幅调制（QAM）和16值的正交振幅调制(QAM)，并由称为副载波多路复用的奈奎斯特滤波的频带压缩技术进行组合应用。特别是，根据光传输路径的性能、线路质量,选择适当的调制方式，并采用了包含8值正交振幅调制（QAM）等在内的电子电路算法。

400Gbit/s的数字相干传输技术的实验系统通过使用非线性光学效应的补偿功能，实现了信号数字反向处理。此外，根据光纤中每个波长传播延迟不同，可以估算出在1万km时光纤的波长色散，并采取了高性能的MSSC-LDPC纠错码技术延长传输距离。综合这些元素，在海底光传输模式下实验距离最大达到了1万km，陆地光传输模式下实验距离最大达到了3000km。实验中一个波道传输速率最大可达400Gbit/s,如果在一根光纤中采用60高密度波分复用，则这根光纤就可实现24Tbit/s（400Gbit/s×60）的传输能力。

依据本次实验成果，结合色度色散、偏振模色散高性能的补偿技术，可让传输距离传输提高1倍以上、功耗削减一半，并通过自适应调制技术，构筑成灵活的网络，具体如图所示。