T比特传输解密

烽火通信 | 许佳力

T比特传输解密

烽火通信 | 许佳力

由烽火牵头的国家973项目“超高速、超大容量、超长距离光传输基础研究”近日通过验收，刷新我国光传输最高纪录，推动我国光传输技术实现新突破。

DWDM光传输系统其单通道传输速率经历了由2.5Gbit/s→10Gbit/s→40Gbit/s的提升，正在实现由40Gbit/s→100Gbit/s的跨越，并酝酿下一代超100Gbit/s光传输系统。

超100Gbit/s光传输意在可用频带资源不变的情况下进一步提升单根光纤的传输容量，其关键在于提高频谱资源的利用率和频谱效率。超100Gbit/s光传输将继承100Gbit/s光传输系统的设计思想，采用偏振复用、多级调制提高频谱效率；采用OFDM技术规避目前光电子器件带宽和开关速度的限制；采用数字相干接收提高接收机灵敏度和信道均衡能力。关于下一代超100Gbit/s的传输速率目前有两种提法，分别为400Gbit/s和1Tbit/s。

烽火通信Tbit传输系统工程师冯勇华介绍说：“对于光传输系统而言，光纤损耗窗口导致的可用带宽限制和光传输通道光器件级联引起的窄带滤波效应，要求光传输的频谱效率最大化；光传输通道的非线性效应要求光传输功率的效率最大化。光纤色散以及光电器件水平对光传输符号基带带宽亦有限制，这就要求高容量光传输系统充分利用光信号可调制维度（幅度、相位、偏振态）来承载数据以提高频谱效率，采用OFDM技术提高频谱利用率并降低符号传输的波特率以抑制色散的影响，减小对光、电器件带宽的要求；采用数字相干接收技术提高接收机的灵敏度和信道均衡能力；采用更高增益的纠错编码提高系统的健壮性。”

多维度调制技术

如图1所示，多维度、多进制调制技术可在一个符号上承载多个比特信息，能够有效提高频谱效率，降低符号发送的波特率，减小基带带宽及与之相关的色度色散和偏振模色散，减小对传输通道和光电器件带宽的要求。充分利用两线性正交偏振态可有效复用的特性可进一步降低数据传输的波特率，提高频谱效率和通道损伤容忍能力。但多级调制会减小星座图上符号之间的最小间距，降低OSNR灵敏度以及非线性容忍能力，要求在频谱效率和接收灵敏度以及OSNR要求之间进行权衡。

正交频分复用技术

图1 多维度多级调制星座图

图2 相干接收光正交频分复用系统结构

时间周期为T且中心频率间隔为1/T整数倍的脉冲信号在时域和频域具有正交性。将传统的宽带光载波通道细分为多个相互正交的窄带子载波分别进行编码调制后复用传输，以减小和消除宽带载波调制所固有的色度色散和偏振模色散，抑制同一载波通道上前后符号间的干扰。（如图2所示）

OFDM具有如下优势：第一，子频带割分降低了系统对光电器件的带宽要求，增强了光电器件和模块选择的灵活性；第二，导频副载波便于信道和相位估计；第三提高了频谱资源利用率，具有很好的可扩展性。

数字相干接收技术

相干检测可将光信号的所有光学属性（偏振态、幅度、相位）映射到电域，可解析任意光调制格式的信息。

数字相干接收机采用偏振分集和相位分集方式将光脉冲信号所承载的数据信息映射转换为电信号，经高速模数转换器在时间和幅度的离散化后通过数字信号处理实现色散(CD、PMD)补偿、时序恢复、偏振解复用、载波相位估计、符号估计和线性解码。数字相干接收利用廉价而成熟的数字信号处理技术提高数据传输的可行性和可靠性。数字信号处理的自适应算法可动态补偿随时间变化的传输损伤，并可实现高效的前向纠错编码算法。光信号在完成光电转换经高速模数转换器采样量化为数字信号后，可采用数字信号处理技术实现载波频率相位估计和线性相位噪声的均衡和补偿。

前向纠错编码

在调制、检测、均衡以及复用技术无法满足系统传输性能要求的情况下，可采用线性编码技术进一步改善系统性能。FEC可有效提高系统传输性能，优化OSNR要求，提高信号对通道损伤的容忍能力。迭代FEC编码如Turbo、LDPC编码以其高编码增益广受关注，其中迭代解码LDPC较Turbo编码具有更优的纠错特性和实现复杂度。

除了采用新的编码算法外，采用软判决也可以提高FEC编码增益。软硬判决的区别在于其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位，其判决非“0”即“1”。软判决则采用多个比特位对信号进行量化，并通过Viterbi等估计算法提高判决的准确率。当FEC编码开销为7%和25%时，理论上软判决比硬判决的编码增益分别高出1.1dB和1.3dB，实际实现上软判决比硬判决的编码增益分别高出0.5dB和0.9dB。软判决需多位ADC采样量化，并通过数字信号处理进行估计，其硬件复杂度以及处理时延较大和功耗，选用时需权衡其性价比。基于软判决和加乘算法的迭代式LDPC算法具有逼近香农极限的编码增益并易于采用并行处理的方式实现，可用于超100Gbit/s光传输系统。

由烽火牵头的国家“973项目”——“超高速、超大容量、超长距离光传输基础研究”（简称“三超”）通过验收，在国内首次实现一根头发丝般粗细的普通单模光纤中以超大容量超密集波分复用传输80公里，传输总容量达到100.23Tb/s，相当于12.01亿对用户在一根光纤上同时通话，10万部高清电影1秒钟下载完毕。

“三超”实验成功刷新我国光传输最高纪录、推动我国光传输技术实现突破，有效解决“高阶调制、高谱效率实现、非线性效应抑制”等超高速高谱效率、超长距离传输系统等关键技术问题，为超高速、超密集波分复用、超长距离传输的实用化奠定了技术基础，推动我国迈向传输容量100T全球前列。