40G DWDM技術(shù)及應(yīng)用

    寬帶業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，催生了核心路由器40G業(yè)務(wù)端口的出現(xiàn)，迫切需要解決40G的傳輸問題。在我國經(jīng)濟發(fā)達的珠三角、長三角、環(huán)渤海經(jīng)濟帶城域網(wǎng)核心節(jié)點之間已經(jīng)采用了并行多個10G端口的捆綁方式，但這種方式給運維、管理帶來了難度，開銷龐大、端口效率不高，電信運營商的數(shù)據(jù)部門有較強的配置40G數(shù)據(jù)端口的意愿，40G應(yīng)用已迫在眉睫。而40G傳輸面臨一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破以及工程應(yīng)用問題的解決。本文點評了40G的核心技術(shù)，簡要分析了40G工程應(yīng)用中需要關(guān)注的問題。
 
    一、40G DWDM關(guān)鍵技術(shù)
 
    在10G超長傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上，40G要走向?qū)嵱眠€需新的技術(shù)突破，主要有新型光調(diào)制技術(shù)、動態(tài)色散補償技術(shù)以及偏振模式色散補償?shù)取?
 
    1. 碼型調(diào)制技術(shù)
 
    40G要走向?qū)嵱没?，新型光調(diào)制格式是關(guān)鍵。筆者認為目前以及未來幾年可以預見并可望實用的光調(diào)制碼型有：NRZ、ODB、DPSK、DQPSK/RZ-DQPSK以及PM-QPSK。
 
    非歸零（NRZ）碼型用高光功率表示“1”碼，接近于零的低光功率表示“0”碼，相連的“1”碼之間光功率保持高水平。NRZ可以采用EA或MZ做光調(diào)制器，光發(fā)送和接收單元都比較簡單。但在40Gbps系統(tǒng)中，NRZ的OSNR容限以及傳輸?shù)姆蔷€性限制了系統(tǒng)的波長間隔和無電中繼傳輸距離，其僅適用于作為40G客戶側(cè)接口或100GHz波長間隔的城域傳輸接口。
 
    光雙二進制（ODB）碼型是三電平光調(diào)制格式，用接近于零的低光功率表示“0”碼，用高光功率表示“1”碼，但相鄰“1”碼相位可能相差π，從而有效壓縮了光譜寬度。ODB有多種實現(xiàn)方案，業(yè)界關(guān)注較多的有2種：
 
    相位整形光雙二進制（PSBT）碼型，采用5階Bessel低通濾波器實現(xiàn)2電平到3電平變換，這樣奇數(shù)個“0”兩邊的“1”相位相差π，偶數(shù)個“0” 兩邊的“1”相位相同。其優(yōu)勢為頻譜帶寬窄，色散容限高，能適用于50G波長間隔的DWDM系統(tǒng)。劣勢是眼圖不好，OSNR容限接近NRZ碼型。
 
    傳號交替反轉(zhuǎn)（AMI）碼型，“0”碼用零電平表示，相鄰“1”碼交替用“＋1”和“－1”，即相鄰“1”碼相位相差為π，并且對“1”進行了歸零。優(yōu)勢是用于100GHz間隔系統(tǒng)可以顯示歸零碼對OSNR明顯的改善效果，較PSBT會有2dB左右改善。其劣勢是光通道帶寬不能太窄，只能用于100GHz間隔以上DWDM系統(tǒng)。
 
差分相移鍵控（DPSK）碼型是將數(shù)據(jù)承載于臨近光脈沖的差分相位上，即前后兩個信號脈沖的光載波相位相同則表示是數(shù)字碼“1”，相反則表示是數(shù)字碼“0”。DPSK的頻譜能量集中，頻譜效率高，可以改進色散容限、非線性容限。DPSK光接收端需要光解調(diào)器，采用平衡檢測OSNR容限可以比NRZ改進約3dB。特別是光解調(diào)器的兩臂設(shè)置合適的延時量，可以以較小的光通道濾波損傷達到支持50GHz波長間隔DWDM系統(tǒng)的能力，因此DPSK是目前技術(shù)成熟、性價比最好的支持50GHz波長間隔的骨干網(wǎng)DWDM系統(tǒng)解決方案，用于100GHz波長間隔系統(tǒng)更有優(yōu)勢。
 
    差分正交相移鍵控DQPSK碼型實際上是兩路DPSK調(diào)制信號相差半個時鐘周期疊加。DQPSK的頻譜帶寬只有DPSK的一半，可以很好地支持50GHz間隔的40Gbps DWDM傳輸，擁有良好的PMD和色散容限。目前研究較多的是RZ-DQPSK，它結(jié)合了RZ和DQPSK的優(yōu)點，具有良好的非線性抑制能力和高的色散與PMD容限。但實現(xiàn)方案比較復雜，目前集成度低是其商用的主要障礙，性能上與10G NRZ混傳可能會受到嚴重損傷。
 
    偏振復用正交相移鍵控PM-QPSK碼型實際上是兩路偏振態(tài)正交的QPSK調(diào)制信號疊加，這樣其單個調(diào)制信號的速率就變成了10G bps。因此在性能上是與目前10G DWDM系統(tǒng)最接近的一種40G調(diào)制格式，但其實現(xiàn)方案在現(xiàn)有技術(shù)水平下過于復雜，集成度低，特別是工程中的可用性需要驗證。
 
    2. 動態(tài)色散補償（TDC）技術(shù)
 
    TDC技術(shù)是目前40G較成熟的光調(diào)制格式，色散容限都在±200ps/nm之內(nèi)，考慮到色散補償模塊補償精度及色散斜率補償與光纖的失配、環(huán)境溫度變化對色散的影響以及線路維護可能造成色散變化等，40G長距離傳輸系統(tǒng)動態(tài)色散補償是必配的。
 
    動態(tài)色散補償技術(shù)長遠來說，我們看好電色散補償（EDC）方法。但目前光的色散補償技術(shù)較成熟，主要有光纖啁啾Bragg光柵（FBG）技術(shù)、GT Etlon標準具技術(shù)、虛成像相移陣列技術(shù)等實現(xiàn)方式，光纖光柵（FBG）相比較而言最成熟。
 
    動態(tài)色散補償應(yīng)自動優(yōu)化色散補償量，而整個鏈路的殘余色散量無法在線監(jiān)測，目前基本依據(jù)接收點糾錯前的誤碼率來閉環(huán)調(diào)整，而誤碼引起的原因很多，所以必須采用有效的優(yōu)化控制算法。
 
 3. 偏振模色散補償（PMD）技術(shù)
 
    光纖鏈路PMD主要影響因素是光纖、色散補償模塊和光放大器，其他器件數(shù)量少，對鏈路PMD影響較小。較成熟的40G光調(diào)制格式，如按器件/模塊廠商提供的典型參數(shù)設(shè)計，無PMD補償時傳輸距離500km可能就是一個坎。
 
    目前關(guān)于PMD補償系統(tǒng)的研究在光域、電域和光電域結(jié)合等多個方面同時展開。主要依賴測得的偏振度（DOP）、電域特定信號譜功率、電域全部信號譜功率、誤碼率（BER）、眼圖監(jiān)控信號以及電域中的橫向濾波器和閾值電流技術(shù)等來調(diào)節(jié)PMD補償量。但目前能應(yīng)用于實際工程的PMD補償器極少，而且效果需要工程檢驗。
 
    二、工程應(yīng)用應(yīng)關(guān)注的問題
 
    40G DWDM系統(tǒng)與10G DWDM系統(tǒng)相比，在工程應(yīng)用中應(yīng)重點關(guān)注以下問題：
 
    1. 系統(tǒng)的PMD問題
 
    40G系統(tǒng)的PMD不但要關(guān)注光纜，還要考慮站點內(nèi)大量的摻鉺光纖放大器（EDFA）和色散補償光纖（DCF）。而光纜的PMD與光纖質(zhì)量、成纜工藝水平、施工維護水平等密切相關(guān)，必須依賴實測數(shù)據(jù)，理論假設(shè)或按標準給的參數(shù)對工程設(shè)計沒有太多實用意義。
 
    PMD具有統(tǒng)計特性，最大群時延（DGD）超過容限并不意味著系統(tǒng)就會癱瘓，只是表示短期（如每年2分鐘）PMD引起的代價可能會大于1dB，會占有系統(tǒng)的裕量。
 
    2. 40G與10G混傳問題
 
    10G NRZ與40 GDPSK/DQPSK混傳時，鄰近10G NRZ比特序列導致的幅度隨機起伏會引起DPSK、DQPSK的相位隨機變化，從而對40Gbps的DPSK、DQPSK帶來比純40Gbps系統(tǒng)更大的傳輸損傷。由于DPSK是兩相位，DQPSK是四相位，這種XPM導致的相位擾動對DQPSK可能是致命的。所以在工程設(shè)計中，建議10G與40G波長最好不要間插配置，建議分別配置在相鄰的波帶。
 
    3. 40G客戶側(cè)接口問題
 
    目前40G客戶側(cè)接口通常配置1550nm波長的40G NRZ接口，對G.652光纖客戶側(cè)色散容限只有2km，對G.655光纖客戶側(cè)色散容限接近10km，因此數(shù)據(jù)中心與傳輸機房之間的40G接口必須考慮其色散限制。有以下解決思路：
 
    （1）配置1310nm波長的客戶側(cè)接口，ITU-T最新已建議將波長限制在G.652光纖零色散波長附近的1307~1317nm，色散受限距離可望達40km；
 
    （2）配置1550nm波長的40G PSBT接口，G.652可達10km，G.655光纖接近40km。
 
    4. 40G業(yè)務(wù)保護問題
 
    40G DWDM系統(tǒng)相比10G系統(tǒng)每個波長通道上增加了多個動態(tài)調(diào)整的部件，如動態(tài)色散補償、DPSK解調(diào)器的相位鎖定、可能需配置的PMD補償模塊等，這些參數(shù)的調(diào)整需要糾錯前的誤碼率，并且會互相影響，需要多重循環(huán)才能完成一次優(yōu)化，與50ms保護倒換時間相差很遠。目前40G只支持客戶側(cè)的1+1保護。