100G波分傳輸技術(shù)發(fā)展

市場需求驅(qū)動

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長是高速波分傳輸發(fā)展的主要推動力，根據(jù)調(diào)研和預(yù)測，骨干網(wǎng)傳輸帶寬以每年50%以上的速度增長，目前骨干傳輸網(wǎng)要求支持100G傳輸?shù)暮袈曉絹碓綇娏摇?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/100G波分傳輸">100G波分傳輸的工程應(yīng)用需求總結(jié)如下。

● 傳輸距離：長途骨干網(wǎng)要求傳輸距離至少達1000~1500 km，包含6個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)用場景：可在現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)上進行升級，無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；

● 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。

要完全實現(xiàn)以上需求，必須采用相干通信技術(shù)，加強系統(tǒng)消除傳輸損傷的能力。100G信號速率對目前電芯片來說仍然太高，可通過多電平調(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100G光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，多個光通信國際標(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開銷處理、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，由多個光模塊廠商組成的CFP多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶側(cè)可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議，為100G客戶側(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)光模塊電氣機械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機和接收機組件、前向糾錯技術(shù)的協(xié)議規(guī)范，有力地推動了波分側(cè)接口設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。

100G波分傳輸已從實驗室研究進入工程測試和初期應(yīng)用階段。各大系統(tǒng)設(shè)備廠家客戶側(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)商用還需一段時間。ADC和DSP是近年來阻礙100G波分傳輸商用的最大攔路石，目前有多個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，一種是實現(xiàn)簡單的“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，激光通過偏振分束器分成2路正交偏振態(tài)光，每路進行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)制信號的直接接收即采用延遲干涉和平衡接收實現(xiàn)信號檢測，因輸入信號為2路偏振態(tài)信號，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。

該方案中光學(xué)偏振跟蹤速度快，可滿足工程現(xiàn)場應(yīng)用需求，通道間隔最小為50GHz。系統(tǒng)中仍需配置色散補償，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)，實現(xiàn)任意偏振態(tài)、任意相位信號的相干接收，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。采用CMOS技術(shù)的低功耗ASIC芯片，DSP算法類似軟件無線電技術(shù)，包括如下功能模塊：重采樣、色散補償、自適應(yīng)濾波、頻率補償、相位恢復(fù)、SD-FEC解碼。

相干接收PDM-DQPSK可實現(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1500 km以上；DSP算法跟蹤速度快，可實現(xiàn)光層快速保護倒換；色散補償和偏振模塊色散補償均在接收機中完成，可降低系統(tǒng)整體配置成本，但如果配置光學(xué)色散補償，會加重系統(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信號進行合波，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，然后再采用延遲干涉和平衡接收實現(xiàn)信號檢測。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的兩個本振激光分別對輸入信號進行相干檢測，之后分別用低通電濾波器抑制另一子載波信號串?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)非線性性能相對較差。該方案最早實現(xiàn)100G波分傳輸工程應(yīng)用。

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

以數(shù)字信號處理技術(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，100G波分傳輸必將完全取代現(xiàn)有10G波分傳輸，并會擠壓40G波分傳輸?shù)膽?yīng)用空間。