100G波分傳輸技術(shù)發(fā)展

　　市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)

　　互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)是高速波分傳輸發(fā)展的主要推動(dòng)力，根據(jù)調(diào)研和預(yù)測(cè)，骨干網(wǎng)傳輸帶寬以每年50%以上的速度增長(zhǎng)，目前骨干傳輸網(wǎng)要求支持100G 傳輸?shù)暮袈曉絹?lái)越強(qiáng)烈。100G 波分傳輸?shù)墓こ虘?yīng)用需求總結(jié)如下。

　　● 傳輸距離：長(zhǎng)途骨干網(wǎng)要求傳輸距離至少達(dá)1000~1500 km，包含6 個(gè)ROADM(可重構(gòu)型光分插復(fù)用設(shè)備);城域網(wǎng)要求包含20 個(gè)ROADM;

　　● 傳輸容量：通道間隔為50GHz，與現(xiàn)有10G 波分系統(tǒng)相同;

　　● 應(yīng)用場(chǎng)景：可在現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)上進(jìn)行升級(jí)，無(wú)需更換新型光纖或光放大器;

　　● 成本：100G 波分系統(tǒng)相比10G 在成本/速率/距離上應(yīng)有優(yōu)勢(shì);

　　● 功耗：100G 波分系統(tǒng)相比10G 在功耗/速率以及設(shè)備集成度上應(yīng)有優(yōu)勢(shì)。

　　要完全實(shí)現(xiàn)以上需求，必須采用相干通信技術(shù)，加強(qiáng)系統(tǒng)消除傳輸損傷的能力。100G 信號(hào)速率對(duì)目前電芯片來(lái)說(shuō)仍然太高，可通過(guò)多電平調(diào)制、偏振復(fù)用、多波并行傳輸?shù)燃夹g(shù)組合將100Gbps 信號(hào)速率降為25G 波特率或更低。

　　標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

　　為推動(dòng) 100G 光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，多個(gè)光通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織積極制定100G 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋100G器件、光模塊、OTN開(kāi)銷(xiāo)處理、系統(tǒng)設(shè)備等領(lǐng)域。IEEE 于2010 年6 月發(fā)布了40G/100G以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)802.3ba，由多個(gè)光模塊廠商組成的CFP 多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶(hù)側(cè)可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議，為100G 客戶(hù)側(cè)接口制定了接口規(guī)范;ITU-T 于2009 年12 月更新了OTN 接口建議G.709，定義了支持100GE 接入的OTU4 幀結(jié)構(gòu)及映射協(xié)議，規(guī)范了100G 單板中成幀處理要求;OIF 負(fù)責(zé)制定100G 波分側(cè)光模塊電氣機(jī)械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組件、前向糾錯(cuò)技術(shù)的協(xié)議規(guī)范，有力地推動(dòng)了波分側(cè)接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。

　　100G 波分傳輸已從實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入工程測(cè)試和初期應(yīng)用階段。各大系統(tǒng)設(shè)備廠家客戶(hù)側(cè)100GE 接口嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)802.3ba 規(guī)范的4 路并行傳輸，波分側(cè)采用各具特色的傳輸技術(shù)。

　　截至2010 年7 月，大部分光器件達(dá)到可商用程度，但相干接收技術(shù)中關(guān)鍵芯片ADC 和DSP的量產(chǎn)商用還需一段時(shí)間。ADC 和DSP 是近年來(lái)阻礙100G 波分傳輸商用的最大攔路石，目前有多個(gè)芯片廠家正在積極研發(fā)集成ADC 和DSP 功能的ASIC 芯片。

　　中興通訊解決方案

　　中興通訊提供兩種解決方案，一種是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的“PDM-DQPSK+直接接收”解決方案，另一種是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解決方案。

　　PDM-DQPSK+直接接收

　　發(fā)射單元采用 PDM-DQPSK 調(diào)制，接收單元采用直接接收技術(shù)。PDM-DQPSK 即偏振復(fù)用-差分正交相移鍵控調(diào)制，激光通過(guò)偏振分束器分成2 路正交偏振態(tài)光，每路進(jìn)行DQPSK 調(diào)制(DQPSK 調(diào)制技術(shù)在40G 波分傳輸系統(tǒng)中已成熟應(yīng)用)，然后再用偏振合束器合成一束光，傳輸速率為111.8Gbps。相位調(diào)制信號(hào)的直接接收即采用延遲干涉和平衡接收實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，因輸入信號(hào)為2 路偏振態(tài)信號(hào)，還需采用光學(xué)偏振跟蹤技術(shù)分離出2 路偏振正交的DQPSK 信號(hào)。

　　該方案中光學(xué)偏振跟蹤速度快，可滿(mǎn)足工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，通道間隔最小為50GHz。系統(tǒng)中仍需配置色散補(bǔ)償，PMD 容限有限，OSNR(光信噪比)性能較差，屬于100G 波分傳輸初期解決方案。

　　PDM-DQPSK+相干接收

　　發(fā)射單元采用 PDM-DQPSK 調(diào)制，接收單元采用相干接收技術(shù)，該方案符合OIF(光互聯(lián)論壇)100G 接口規(guī)范，其功能框圖如圖1所示。

　　圖 1 相干接收PDM-DQPSK 原理框圖

　　發(fā)射單元為 PDM-DQPSK 調(diào)制，差分編碼解決相位模糊問(wèn)題。

　　接收單元由本振激光、光電解調(diào)、ASIC 芯片組成。本振激光采用大功率窄線寬可調(diào)諧激光器，雙路混頻器、4 路光電轉(zhuǎn)換完成光電解調(diào)，實(shí)現(xiàn)任意偏振態(tài)、任意相位信號(hào)的相干接收，其中4 路光電轉(zhuǎn)換采用雙PIN 平衡接收，相比單PIN 接收有更大的輸入光功率動(dòng)態(tài)范圍。

　　ASIC 芯片集成ADC 和DSP 功能，消除傳輸損傷和恢復(fù)信號(hào)。采用CMOS 技術(shù)的低功耗ASIC 芯片，DSP 算法類(lèi)似軟件無(wú)線電技術(shù)，包括如下功能模塊：重采樣、色散補(bǔ)償、自適應(yīng)濾波、頻率補(bǔ)償、相位恢復(fù)、SD-FEC 解碼。

　　相干接收 PDM-DQPSK 可實(shí)現(xiàn)50GHz 間隔波分復(fù)用，濾波特性好;OSNR 性能好，目標(biāo)傳輸距離達(dá)1500 km 以上;DSP 算法跟蹤速度快，可實(shí)現(xiàn)光層快速保護(hù)倒換;色散補(bǔ)償和偏振模塊色散補(bǔ)償均在接收機(jī)中完成，可降低系統(tǒng)整體配置成本，但如果配置光學(xué)色散補(bǔ)償，會(huì)加重系統(tǒng)非線性損傷?？紤]到發(fā)射端可能重新定義幀格式以兼容SD-FEC，接收端DSP算法各有差異，因此很難實(shí)現(xiàn)波分側(cè)互聯(lián)互通。

　　其他解決方案

　　雖然“PDM-DQPSK+相干接收”是被業(yè)界認(rèn)可的100G 標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，但有些設(shè)備制造商采用了其他解決方案。

　　(1)發(fā)射端采用雙波或3 波DQPSK 信號(hào)進(jìn)行合波，子載波頻率間隔為50GHz，接收端采

　　用光濾波器分離出2 路或3 路DQPSK 信號(hào)，然后再采用延遲干涉和平衡接收實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。該方案又叫反向復(fù)用技術(shù)，通道間隔最小為100GHz 或150GHz，傳輸容量小，OSNR 性能較差，屬于100G 波分傳輸早期解決方案。

　　(2)發(fā)射端采用雙波相干接收PDM-DQPSK，其中子載波頻率間隔為20GHz，接收端間隔20GHz 的兩個(gè)本振激光分別對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)，之后分別用低通電濾波器抑制另一子載波信號(hào)串?dāng)_，ADC 采樣后再利用DSP 算法消除傳輸損傷和恢復(fù)數(shù)據(jù)。該方案通道間隔最小為50GHz，OSNR 性能好，雖然克服了當(dāng)前ADC 器件采樣速率瓶頸，但是器件較多，功耗較大，方案集成度較差，系統(tǒng)非線性性能相對(duì)較差。該方案最早實(shí)現(xiàn)100G 波分傳輸工程應(yīng)用。

　　(3)采用更多電平的高級(jí)調(diào)制碼型。例如PDM-64QAM，波特率為信號(hào)速率的1/12，此外OFDM 研究也比較熱門(mén)，這類(lèi)調(diào)制碼型均采用相干接收技術(shù)，但發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)相對(duì)較復(fù)雜，在現(xiàn)有器件技術(shù)水平下還不適合100G 工程應(yīng)用，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，有可能應(yīng)用于未來(lái)的400G 波分傳輸。

　　以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為核心的100G 相干接收技術(shù)是光通信發(fā)展史上具有里程碑意義的革命性突破，其重要性不亞于推動(dòng)波分復(fù)用系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的摻鉺光纖放大器。隨著帶寬需求的持續(xù)增長(zhǎng)和100G 相干接收相關(guān)器件的成熟，尤其是100G 所用光器件及芯片的小型化和低功耗趨勢(shì)，100G 波分傳輸必將完全取代現(xiàn)有10G 波分傳輸，并會(huì)擠壓40G 波分傳輸?shù)膽?yīng)用空間。