李純丹

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責任公司，成都 610041）

100 Gbit/s波分的關(guān)鍵技術(shù)及推進策略探討

李純丹

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責任公司，成都 610041）

波分系統(tǒng)速率的每一次提升，都會受到衰耗、CD、PMD及非線性效應等引起的傳輸損傷的限制，因此迫切需要更為先進的技術(shù)來減小這些傳輸損傷帶來的影響，從而解決系統(tǒng)速率和傳輸距離受限的問題。本文主要介紹了100 Gbit/s波分技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)，并對未來的推進策略提出了建議。

100 Gbit/s；DWDM；CD；PMD；非線性效應；PDM-DQPSK；OSNR

1 100 Gbit/s波分的發(fā)展現(xiàn)狀

相對于40 Gbit/s技術(shù)從提出到商用經(jīng)歷近10年發(fā)展過程而言，100 Gbit/s技術(shù)從提出到接近設(shè)備成熟可謂異常迅速。為推動100 Gbit/s光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，多個光通信國際標準組織積極制定100 Gbit/s相關(guān)標準，涵蓋100 Gbit/s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40 Gbit/s/ 100 Gbit/s以太網(wǎng)接口標準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100 Gbit/s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100 GE接入的OTU4幀結(jié)構(gòu)及映射協(xié)議，規(guī)范了100 Gbit/s板卡中成幀處理要求；OIF負責制定100 Gbit/s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)計標準化。

2 100 Gbit/s波分的關(guān)鍵技術(shù)

相比現(xiàn)有成熟的10 Gbit/s和40 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)，由于單信道速率的提升，100 Gbit/s對光信噪比（OSNR）的要求分別提高了10 dB和4 dB，色散容限也隨著傳輸速率的平方成反比下降。因此，為了實現(xiàn)100 Gbit/s的高速光傳輸，必須降低系統(tǒng)對OSNR以及色散容限的要求，克服非線性效應的影響。OIF建議通過統(tǒng)一100 Gbit/s碼型為PDM-DQPSK并輔以四相位相干檢測技術(shù)來解決這些問題，其功能示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，100 Gbit/s波分PDM-DQPSK相干通信主要采用的關(guān)鍵技術(shù)有：偏振復用、新型編碼調(diào)制、高效FEC、相干檢測、高速ADC及DSP技術(shù)等。

2.1 偏振復用

偏振復用是利用光信號的兩個偏振態(tài)之間相互正交特性來實現(xiàn)在同一個光載波上攜帶兩路信息，使得信號碼元速率下降一半。偏振復用對于發(fā)射機來說只需要一些比較簡單的無源器件即可實現(xiàn)，而難點主要在于接收機的解偏部分。但隨著相干通信技術(shù)的不斷成熟，偏振解復用已能夠非常容易地在電域中處理。

圖1 100Gbit/s波分PDM-DQPSK相干通信的功能示意圖

2.2 新型編碼調(diào)制

編碼調(diào)制技術(shù)有很多種，有基于強度調(diào)制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位調(diào)制的差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制和差分正交相移鍵控（DQPSK）調(diào)制，以及結(jié)合偏振復用的正交相位調(diào)制技術(shù)PDM-DQPSK等。利用DQPSK技術(shù)可以使光載波攜帶的信息量增大一倍，頻譜效率也更高，從而降低傳輸波特率，同時降低了ADC采樣速率的要求，提高了數(shù)字信號處理技術(shù)的可實現(xiàn)性。

2.3 高效FEC技術(shù)

FEC技術(shù)經(jīng)歷了三代的快速發(fā)展。第一代的為滿足ITU TG.975規(guī)定的帶外FEC硬判決，采用RS（255，239）方式使用7%的開銷，凈編碼增益為6～7 dB。第二代FEC采用G.975.1標準，采用級聯(lián)編碼和硬判決技術(shù)，增益可達到8～9 dB。第三代FEC技術(shù)采用軟判決譯碼技術(shù)，將開銷比提升到20%以上實現(xiàn)高性能軟判決，這樣可將編碼增益提升到10～11 dB。在相同碼率下，軟判決FEC增益性能比硬判決高1.5 dB左右。OIF建議選擇冗余度在18～20%的軟判決糾錯編碼，凈增益編碼可達10.5 dB左右，能有效支撐100 Gbit/s系統(tǒng)的應用需求。

2.4 相干檢測技術(shù)

相干檢測技術(shù)是在接收側(cè)使用一個大功率、窄線寬、高穩(wěn)定度的本地振蕩激光器，經(jīng)過偏振分束后與遠端輸入的光信號進行90°混頻，90°混頻器輸出一個偏振態(tài)的兩路信號?；祛l器輸出光信號經(jīng)雙PIN平衡接收光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電信號，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP芯片通過先進的算法實現(xiàn)偏振跟蹤，相位、時鐘、數(shù)據(jù)恢復，以及色散和偏振模色散（PMD）的補償。

2.5 高速ADC及DSP

在高速相干光接收機中，最主要的核心器件是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）器件（50 Gsample/s以上）和高速數(shù)字信號處理（DSP）芯片。高速ADC和DSP對信號的偏振進行解復用，并結(jié)合使用電子色散補償（EDC）來抑制偏振模色散的影響。利用DSP技術(shù)在電域均衡色散和PMD理論上可以獲得無限寬的色散和PMD容限，考慮到芯片設(shè)計復雜度和可實現(xiàn)性，通常色散容限可設(shè)計在幾萬ps/nm，PMD容限可設(shè)計在上百ps。

除了以上提及的關(guān)鍵技術(shù)外，還有其他一些主要技術(shù)，如封裝映射技術(shù)、客戶側(cè)CFP接口技術(shù)等。這些多項重要技術(shù)相結(jié)合共同幫助100 Gbit/s波分克服技術(shù)瓶頸，達到工程實用化、規(guī)?；囊?。

3 100 Gbit/s波分的建網(wǎng)模式

業(yè)界普遍認為100 Gbit/s DWDM生命周期比40 Gbit/s更長，至少有8～10年。各運營商已基本完成對主要廠家100 Gbit/s設(shè)備的測試并逐漸開始建設(shè)實驗網(wǎng)，準備適時大規(guī)模引入100 Gbit/s的建設(shè)。OIF根據(jù)業(yè)界對100 Gbit/s傳輸?shù)臉I(yè)務需求，歸納了對100 Gbit/s波分性能的要求。

（1）100 Gbit/s業(yè)務信號一定要在不影響現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務和網(wǎng)絡拓撲的情況下，可以與10 Gbit/s、40 Gbit/s業(yè)務信號混傳；

（2） 長途傳輸無電中繼傳輸距離達1000 km以上；

（3）必須支持50 GHz信號間隔，即80波以上；

（4）系統(tǒng)色散和PMD容限與10 Gbit/s系統(tǒng)相當，比40 Gbit/s系統(tǒng)更好；

（5）城域網(wǎng)中穿通ROADM 能力大于10個ROADM；

（6）兼容現(xiàn)存的波分系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計規(guī)則，減少100 Gbit/s應用對現(xiàn)存系統(tǒng)的沖擊和風險。

采用PM-DQPSK+相干檢測的100 Gbit/s波分系統(tǒng)，能夠很好的滿足業(yè)界對100 Gbit/s傳輸業(yè)務的需求。對于長途傳輸組網(wǎng)，不需要色散補償，可以簡化鏈路上放大器的數(shù)量，能夠有效節(jié)約建網(wǎng)的成本；對于城域組網(wǎng)，無需考慮路由長短造成的色散變化，可以穿通多個ROADM節(jié)點，組網(wǎng)更加靈活高效。100 Gbit/s波分的建網(wǎng)模式，從技術(shù)上來說有兩種可行方案：10 Gbit/s/ 40 Gbit/s/100 Gbit/s混傳模式和純100 Gbit/s傳輸模式。

3.1 10 Gbit/s/40Gbit/s/100Gbit/s混傳模式

由于100 Gbit/s波分系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)超越40 Gbit/s波分，在現(xiàn)有40 Gbit/s波分系統(tǒng)上加載100 Gbit/s波道是可行的。目前中國電信和中國聯(lián)通在干線層面建設(shè)有大量的40 Gbit/s波分系統(tǒng)，其中省際干線以純40 Gbit/s傳輸方式建網(wǎng)，省內(nèi)干線輔以10 Gbit/s/ 40 Gbit/s混傳方式建網(wǎng)。從10 Gbit/s向40 Gbit/s發(fā)展的歷史經(jīng)驗來看，100 Gbit/s混傳模式也是必定會經(jīng)歷的一個過程。

國內(nèi)運營商通過對主流波分廠家的100 Gbit/s PDMQPSK波分系統(tǒng)進行測試，也驗證了100 Gbit/s混傳的可行性。從測試結(jié)果來看，100 Gbit/s與40 Gbit/s混傳有很好的傳輸質(zhì)量，但與10 Gbit/s波道混傳則有較大的傳輸損傷，典型的測試結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以清晰的看出，100 Gbit/s PDMQPSK與10 Gbit/s NRZ信號混傳代價很大，50 GHz間隔配置與單波傳輸系統(tǒng)相比，Q值代價達到3 dB。100 Gbit/s PDM-QPSK與40 Gbit/s RZ-DQPSK信號混傳代價很小，50 GHz間隔配置與單波傳輸系統(tǒng)相比，Q值代價只有0.5 dB。隨著波道間隔的增加，Q值代價逐漸減小，因此在采用100 Gbit/s混傳模式建網(wǎng)時，通常需要將不同速率的波道分隔開。

總的說來，100 Gbit/s混傳方式會給100 Gbit/s信號帶來一定的傳輸損傷，同時也會給網(wǎng)絡運營維護帶來額外的復雜度；另外從40 Gbit/s技術(shù)發(fā)展及規(guī)模應用部署的前期經(jīng)驗來看，混傳也不是國內(nèi)運營商網(wǎng)絡主流的方式，因此，在100 Gbit/s技術(shù)應用中，與較低速率一起部署的混傳方式只能是一種過渡性的建網(wǎng)模式。

3.2 純100 Gbit/s傳輸模式

純100 Gbit/s傳輸模式最適用于新建省際干線網(wǎng)絡的場景，它的優(yōu)點是不存在混傳中會產(chǎn)生的傳輸損傷，同時網(wǎng)絡維護運營也更簡單。但缺點是它比起原波分擴容100 Gbit/s混傳需要更大的初期投資，需要重新選擇機房，新增設(shè)備并考慮機房條件及電源等配套設(shè)施。

4 100 Gbit/s波分的推進策略

圖2 100 Gbit/s分別與10 Gbit/s和40 Gbit/s混傳時的Q值曲線

從業(yè)務需求、技術(shù)及成本三方面來看，40 Gbit/s向100 Gbit/s演進屬于主動轉(zhuǎn)型，其中成本和技術(shù)為主要因素。從技術(shù)層面來看，100 Gbit/s技術(shù)明顯優(yōu)于40 Gbit/s，已不存在技術(shù)瓶頸；主流廠商已推出商用100 Gbit/s DWDM設(shè)備，部分廠商已有商用案例。何時引入100 Gbit/s技術(shù)，幾乎完全取決于其成本因素，業(yè)界普遍認為，當100 Gbit/s的單比特成本與 40 Gbit/s系統(tǒng)相當?shù)臅r候，將是大規(guī)模引入100 Gbit/s系統(tǒng)建設(shè)的時間點。而目前各主流通信廠家的報價，離運營商的期望值還有一定的差距。

目前100 Gbit/s波分的部署針對不同的場景建議采用不同的推進策略。

4.1 省際干線層面

在省際干線層面建議采用純100 Gbit/s的傳輸模式進行建設(shè)。省際干線主要承載各省會骨干路由器節(jié)點之間的電路，目前主要為40 Gbit/s電路。隨著業(yè)務帶寬的不斷提升，省際干線層面預計年底或明年初將會有單端口100 Gbit/s速率的傳輸需求，在此種場景下，建議采用純100 Gbit/s的傳輸模式進行建設(shè)。新建的波分系統(tǒng)專門承載100 Gbit/s電路，新增的40 Gbit/s和10 Gbit/s電路將只通過原有波分系統(tǒng)承載，盡量避免混傳。這是由于省際干線的電路都非常重要，電路安全是首要考慮的問題。同時省際干線各跨段距離大都比較長，現(xiàn)網(wǎng)40 Gbit/s波分很多段落的OSNR都沒有太大的冗余量，而且隨著設(shè)備光源和光纜的老化，系統(tǒng)的OSNR還會逐漸降低，如果盲目的引入100 Gbit/s波道，不僅新增的100 Gbit/s波道會受到其他波道的傳輸損傷，而且原有波道電路的安全性還會受到影響。

那么，在100 Gbit/s波分設(shè)備的成本還未到達期望值之前，怎樣應對骨干路由器間越來越大的帶寬傳送需求呢？這需要數(shù)據(jù)和傳輸專業(yè)密切配合，做好專業(yè)間的協(xié)同發(fā)展。隨著集群路由器技術(shù)的快速發(fā)展，雖然已經(jīng)具備單接口100 Gbit/s的吞吐能力，而且單比特成本也逐漸比40 Gbit/s和10 Gbit/s端口更有優(yōu)勢，但不能因此就在路由器上大量配置100 Gbit/s端口，而需要顧全大局，充分兼顧到100 Gbit/s波分的成本因素，盡量推遲100 Gbit/s端口在省際干線層面的傳輸需求。當綜合考慮數(shù)據(jù)和傳輸同時配置100 Gbit/s具有綜合成本優(yōu)勢時，才是省際干線大量引入100 Gbit/s波分的最佳時間點。

4.2 省內(nèi)干線層面

在省內(nèi)干線層面建議采用100 Gbit/s混傳的傳輸模式進行建設(shè)。但針對不同場景還可以細分為新建波分實現(xiàn)100 Gbit/s混傳和利舊原有波分實現(xiàn)100 Gbit/s混傳兩種模式。

（1）對于現(xiàn)有波分系統(tǒng)波道占用率比較高的省份，建議采用新建波分實現(xiàn)100 Gbit/s混傳模式。這些省份的經(jīng)濟通常比較發(fā)達，數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展得非常好，100 Gbit/s業(yè)務的需求會最先出現(xiàn)在這些地區(qū)。當出現(xiàn)100 Gbit/s業(yè)務需求時，建議新建100 Gbit/s波分系統(tǒng)。對新增的10 Gbit/s和40 Gbit/s業(yè)務，首先考慮在原有波分系統(tǒng)上承載，當原有系統(tǒng)無法承載時再通過新建100 Gbit/s波分混傳。原則上新建100 Gbit/s波分系統(tǒng)上不配置10 Gbit/s波道，防止其對100 Gbit/s波道產(chǎn)生較大的傳輸損傷。

（2）對于現(xiàn)有波分系統(tǒng)波道占用率比較低的省份，建議采用利舊原有波分實現(xiàn)100 Gbit/s混傳模式建設(shè)。這些省份的數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展不及發(fā)達省份，他們的100 Gbit/s業(yè)務需求也會晚于發(fā)達省份出現(xiàn)，短期內(nèi)100 Gbit/s業(yè)務的需求量也比較少。對于這種場景，由于原有10 Gbit/s或40 Gbit/s系統(tǒng)通常有較大的空閑波道，從保護前期投資充分挖掘現(xiàn)網(wǎng)潛力角度出發(fā)，建議利舊原有波分在波道上擴容100 Gbit/s波道實現(xiàn)混傳。由于原有波分系統(tǒng)配置的10 Gbit/s/40 Gbit/s波道為非相干檢測，其對100 Gbit/s電路的傳輸損傷較大，因此新增100 Gbit/s波道要與原波道保持盡量遠的波道間隔。鑒于目前還缺少這種建設(shè)方式的實際案例和維護經(jīng)驗，在應用前必須經(jīng)過原波分廠家對OSNR的計算和系統(tǒng)仿真，經(jīng)過現(xiàn)網(wǎng)測試確保傳輸損傷在可接受范圍內(nèi)再進行建設(shè)。

4.3 本地網(wǎng)層面

在本地網(wǎng)層面應充分采用具有OTN交叉功能的波分系統(tǒng)，本地網(wǎng)近期內(nèi)預計不會有100 Gbit/s電路的需求，遠期將有100 Gbit/s OTN的建網(wǎng)需求，線路側(cè)建議采用純100 Gbit/s的傳輸模式。由于OTN可以實現(xiàn)支路側(cè)和線路側(cè)分離，通過強大的光電混合交叉進行連通，因此100 Gbit/s OTN的支路側(cè)速率可以是100 Gbit/s、40 Gbit/s、10 Gbit/s和GE。支路側(cè)不同板卡、不同端口、不同速率的電路可以通過交叉匯聚成線路側(cè)100 Gbit/s（OTU4）電路后進行傳輸。長遠來看，100 Gbit/s OTN將在技術(shù)上和成本上全面超越40 Gbit/s OTN，因此線路側(cè)將不會有10 Gbit/s、40 Gbit/s和100 Gbit/s混傳的情形，將全部采用純100 Gbit/s傳輸。

目前，幾乎所有本地網(wǎng)都建設(shè)有10 Gbit/s OTN系統(tǒng)，而且主流廠家的OTN都支撐10 Gbit/s和40 Gbit/s的混傳，因此近期新增的10 Gbit/s和40 Gbit/s電路都將通過現(xiàn)有OTN擴容來滿足需求。原則上只有當波道占用率超過70%時，才建議新建OTN二平面。當然，如果原有OTN平面安全性較差，在資金允許的情況下可以提前開展OTN二平面的建設(shè)，在建設(shè)二平面時，盡量采用與第一平面不同的光纜路由，通過負荷分擔進一步增強本地網(wǎng)電路的安全性。同時這樣組網(wǎng)有利于格狀網(wǎng)的形成，未來通過在OTN上加載WSON控制平面將能夠向WSON網(wǎng)絡演進。

總的說來，成本因素已成為制約100 Gbit/s波分是否能夠快速規(guī)模部署的決定性因素。從目前國內(nèi)多個廠家的近期100 Gbit/s波分報價來看，100 Gbit/s波道板卡的價格大約為40 Gbit/s板卡價格的3～4倍，單比特率價格差異已經(jīng)不到1.5倍，100 Gbit/s設(shè)備價格正不斷接近運營商的期望值。

5 結(jié)論及展望

總而言之，多項關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)合使得100 Gbit/s波分已跨越技術(shù)瓶頸，雖然目前它仍受到成本因素的制約，但隨著電子工藝的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸成熟，設(shè)備價格將逐漸下降，100 Gbit/s波分很快將迎來蓬勃發(fā)展的春天。從更長遠來看，光傳輸網(wǎng)絡整體將朝著超大容量。

[1] IEEE P802．3ba/D3．1[S]． 10th Feb 2010．

[2] OIF-FD-100 G-DWDM-01．0：100 G Ultra Long Haul DWDM Framework Document[S]．

[3] 湯瑞， 趙文玉， 吳慶偉， 等． 40 G/100 G標準化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]． 郵電設(shè)計技術(shù)，2011(4)．

[4] 余銀鳳， 袁秀森． 100 G傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案[J]．郵電設(shè)計技術(shù)，2012(9)．

[5] 曹云， 馮勇華． 烽火通信跨越技術(shù)瓶頸100 G商用近在咫尺[J]．電信網(wǎng)技術(shù)，2012(6)．

[6] 王占碩， 張芙蓉， 張建新． 100 G DWDM傳輸系統(tǒng)的發(fā)展研究[J]．現(xiàn)代電信科技，2011(8)．

Investigate of 100Gbit/s DWDM’s key technique and strategy to carry out

LI Chun-dan
(Sichuan Communication Resarch Planning & Designing Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

Once the rate increase, the DWDM system would be limited by the transmission impairments that caused by attenuation,CD, PMD and nonlinear effects.There is an urgent need for more advanced technology to reduce the impact of these transmission impairments, so as to solve the systemrate and the transmission distance is limited by the problemes.This paper mainly introduces the current developing condition and key technique of 100G DWDM, and makes some suggestions for future strategy to carry out.

100Gbit/s; DWDM; chromatic dispersion; polarization mode dispersion; nonlinear effects; polarization multiplexed-differential quadrature phase shift keying; OSNR

TN913.7

A

1008-5599（2013）03-0054-05

2013-01-06