40 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方案
摘要:隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展,對骨干傳輸網(wǎng)提出了更高的傳輸速率需求,在此背景下40Gbit/s傳輸系統(tǒng)逐步進入了歷史舞臺。首先對40Gbit/s系統(tǒng)的應(yīng)用背景、采用的關(guān)鍵技術(shù)和所具備的優(yōu)勢進行論述;然后給出40G系統(tǒng)的商用方案,并對方案進行對比分析。
1、背景
自90年代中期以來,網(wǎng)絡(luò)容量一直以每5~6年翻4倍的速度穩(wěn)步增長。從622M到2.5G,從2.5G到10G,光纖傳輸速率的每次飛躍過程用“道路曲折,前途光明”來形容最為貼切。近期,40G也將面臨類似向10G演進時的微妙階段。目前普遍認為,向40G邁進的步伐明顯落后于容量增加的正常規(guī)律[1],其中的原因有多方面,包括市場需求迫切程度、大容量10G波分復(fù)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用、高速傳輸帶來的技術(shù)或成本難題以及電信泡沫的破裂等。同時,運營商對新技術(shù)的應(yīng)用更趨謹慎,對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)容量的提升采取了亦步亦趨的做法,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加理性。
光通信市場在經(jīng)歷低谷之后,如今元氣已基本得以恢復(fù),并呈現(xiàn)良好的上升勢頭。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)(尤其寬帶業(yè)務(wù))的迅猛發(fā)展極大地拉動了市場對帶寬的需求,加上3重播放業(yè)務(wù)的出現(xiàn),使得運營商有必要采用更高速率。因此,時隔幾年,沉寂了一段時間的40G系統(tǒng)再次進入大家的視線,讓人們又一次充滿期待。
2、40Gbit/s傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
40Gbit/s系統(tǒng)的實現(xiàn)要廣泛應(yīng)用電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)。首先,需要將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)低速顆粒復(fù)用為40Gbit/s信號,將其成幀;其次,選擇適合傳輸?shù)母袷竭M行編碼,然后進行驅(qū)動和調(diào)制;最后,將其發(fā)送到光纖上傳輸?shù)阶罱墓夥糯笳军c。完成這些工作需要解決許多關(guān)鍵技術(shù)問題,主要包括:IC材料技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、提高光信噪比(OSNR)技術(shù)、色散補償技術(shù)、超級FEC等。
(1)IC材料技術(shù)
40Gbit/s網(wǎng)絡(luò)隨著脈寬或脈沖間隔的變窄,信號抖動和碼間干擾(ISI)對信號的影響也變得更差。為了保證高質(zhì)量的波形傳輸,就必須改善數(shù)字和模擬IC技術(shù),以便高速、寬帶、低噪聲地對光波形進行整形和再定時。另外,IC功能的改良和功耗的減少是縮減成本的必要途徑。
在40Gbit/s系統(tǒng)中很多芯片需要采用InP(銦磷)材料,但是InP材料制作比較困難,同時由于芯片尺寸太小,使得與光纖的耦合變得非常困難,插損大。
(2)調(diào)制技術(shù)
目前主要有3種傳統(tǒng)光調(diào)制器:直接調(diào)制分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)、電吸收外部調(diào)制(EAM)、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3馬赫-曾德爾(MachZehnder)外部調(diào)制。這些調(diào)制器的應(yīng)用領(lǐng)域是由他們各自的帶寬、啁啾脈沖和波長相關(guān)性所決定的。前兩種方式不適合高速系統(tǒng),LiNbO3調(diào)制可以生成高速、低啁啾的傳輸信號,而且特性與波長沒有關(guān)系,被認為是40Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)的最佳選擇。
40G調(diào)制格式的選擇是一個難題。目前有多種方式,例如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼、光孤子、偽線性RZ、啁啾的RZ、全譜RZ、雙二進制等等。從最新的研究成果分析,差分相移鍵控RZ碼(DPSK)顯得最有希望,這種調(diào)制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間,比普通RZ碼的頻譜效率高,可以改進色散容限、非線性容限和PMD容限,傳輸距離比普通RZ碼長。
(3)提高光信噪比技術(shù)
同10Gbit/sWDM系統(tǒng)相比較,40Gbit/s WDM系統(tǒng)有更多與光信噪比(OSNR)、色散、非線性作用、PMD等有關(guān)的尚待解決的問題。對于40 Gbit/s系統(tǒng),為了要達到與10 Gbit/s系統(tǒng)相近的傳輸誤碼率,系統(tǒng)OSNR需提高6~8 dB。
?。?)色散補償技術(shù)
從理論上看,色度色散代價和極化模色散代價都隨比特率的平方關(guān)系增長,因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍,實現(xiàn)起來非常困難。由于小于100ps/nm色散容差很小,對于40Gbit/s的系統(tǒng)來說有可能會造成極其嚴重的限制,所以,從系統(tǒng)靈活設(shè)計和經(jīng)濟角度考慮,應(yīng)采用可變色散補償器(VDC)進行自動補償。40Gbit/s傳輸系統(tǒng)的另一個很嚴重的制約因素是偏振模色散(PMD),它是由纖心的不對稱以及內(nèi)、外壓力(如光纖的彎曲)所致。由于引入了雙折射,光纖中的兩個傳播偏振模經(jīng)歷了群時延的微分(DGD),這導(dǎo)致了脈沖的加寬,即產(chǎn)生碼間干擾(ISI)并表現(xiàn)為比特誤差率的上升。
(5)超級FEC技術(shù)[2]
這是一個相對比較古老的技術(shù),從1984年面世,至今才開始形成大規(guī)模的應(yīng)用。隨著光速率達到40G,提高光信噪比的難度越來越大,成本和代價也越來越高,F(xiàn)EC就成為一個非常關(guān)鍵的實用技術(shù)。特別是對于40Gbit/s速率,采用帶外FEC已經(jīng)成為關(guān)鍵的使能技術(shù)之一,不僅可以使傳輸距離達到實用化要求,而且在一些短距離傳輸系統(tǒng)上,可以避免實施昂貴復(fù)雜的有源PMD補償。
3、40Gbit/s傳輸系統(tǒng)的主要優(yōu)勢
基于所采用的關(guān)鍵技術(shù)以及本身的特性,40Gbit/s系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:
(1)可以比較有效地使用傳輸頻帶,頻譜效率比較高。
?。?)減少了OAM的成本、復(fù)雜性以及備件的數(shù)量。尤其在城域骨干網(wǎng)絡(luò)上,調(diào)度性、集成度要遠遠好于4個10G系統(tǒng),可以節(jié)省機房面積,減少設(shè)備堆疊,提高單節(jié)點設(shè)備的帶寬管理能力和調(diào)度能力。
(3)每比特的成本比其它的城域網(wǎng)的方案更加經(jīng)濟。
(4)通常單波長可以處理多個數(shù)據(jù)連接,核心網(wǎng)的功能將會大大地增強,40G將使業(yè)務(wù)得到更加高效和有保護的承載。
鑒于以上優(yōu)勢,40G將具有廣泛的應(yīng)用范圍。在商用模式具備后,40Gbit/s接口將會出現(xiàn)在DWDM系統(tǒng)、ADM設(shè)備、大容量帶寬管理設(shè)備及路由器上[3],將為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)POP節(jié)點提供高速互聯(lián)的功能。因此,40G系統(tǒng)將會在城域骨干網(wǎng)以及長途干線網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。
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