楊欣宇
摘要:100Gb/s的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在調(diào)制編碼與復(fù)用、接收技術(shù)、FEC等多個方面。本文將將從這三個方面,介紹近期100G線路傳輸解決方案的最新進(jìn)展與技術(shù)。
關(guān)鍵詞:編碼技術(shù);相干技術(shù);FEC;傳輸距離1概述
WDM遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)產(chǎn)生以來,始終向著大容量、更遠(yuǎn)距、更低比特傳輸成本的方向發(fā)展。與單波10G速率向40G速率發(fā)展相比,單波40G速率演進(jìn)到100G速率面臨著更為嚴(yán)格的限制因素,需要更先進(jìn)的編碼技術(shù)和接收技術(shù)。而且從保護(hù)投資、降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運維成本角度考慮,100G傳輸技術(shù)也有可平滑升級的需求。本文將從編碼技術(shù)、新型接收技術(shù)和FEC技術(shù)三個方面,介紹近期100G線路傳輸解決方案的最新進(jìn)展。
2100G系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 編碼技術(shù)
從10G速率超長距離傳輸開始,編碼技術(shù)始終是WDM的研究重點。隨著比特率的增大和傳輸距離的延長,WDM的長距傳輸受限于4項物理條件:光信噪比、色度色散、非線性效應(yīng)、偏振模色散。這些均與傳輸?shù)牟ㄌ芈氏嚓P(guān)。如:如果碼型不變當(dāng)波特率從10G提高到40G,OSNR的要求將提升6dB,色散容限將降低到前者的1/16,PMD容限將降低到前者的1/4,光纖非線性危害程度也隨之增加。為了提升線路,速率通常采用新型的編碼技術(shù)避免以上這些物理效應(yīng)的危害以上述關(guān)系增加,通常采用新型的編碼技術(shù),主要措施包括相位調(diào)制格式、多進(jìn)制調(diào)制、RZ技術(shù)。
因為QPSK在40G系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛,所以成為100G調(diào)制方式的首選。但是100G直接采用QPSK調(diào)制,其信號譜寬會超出50GHz,無法實現(xiàn)50GHz的波道間隔,所以采用偏振復(fù)用方案,PDM-QPSK采用恒定幅度四級相位調(diào)制和正交偏振復(fù)用相結(jié)合得方式將傳輸符號的波特率降低為二進(jìn)制調(diào)制的四分之一,即100G傳輸中,采用PDM QPSK技術(shù)之后,實際線路上的波特率仍然是25G速率,這樣就實現(xiàn)了50Hz的波道間隔。
2.2 相干接收和DSP技術(shù)
采用PDM-QPSK的調(diào)制方式雖然降低了100G傳輸中光信號的波特率,因而降低傳輸碼型的譜寬,實現(xiàn)了50GHZ波道間隔,但是由于在兩個偏振上分別獨立加載了業(yè)務(wù)信息,業(yè)務(wù)信息在在光纖傳輸過程中,不同偏振上的光信號會互相耦合,并在光纖PMD效應(yīng)作用下產(chǎn)生誤碼。因此采用偏振復(fù)用,首先要在接收端進(jìn)行偏振分離,并解決PMD代價的問題。這就需要通過相干接收和數(shù)字信號處理來實現(xiàn)的。
色散效應(yīng)是頻域光電場的相位產(chǎn)生了畸變,PMD效應(yīng)是在兩個偏振的時域光電場的相位上產(chǎn)生了不同時延。在傳輸系統(tǒng)的收端的強度接收或者自相干接收過程中,這些相位上的畸變和時延均會轉(zhuǎn)化為接收眼圖的畸變和碼間干擾,而造成信號損傷。如果能探測出光信號的電場,則可以采用線性補償?shù)姆椒ǎ诠鈭錾系窒壬⒑蚉MD效應(yīng),這就是光學(xué)DSP處理的核心。由于色散和PMD效應(yīng)均是在光電場的相位或偏振上引入調(diào)制或畸變,而光相干檢測則可探測并同時獲知光場的偏振、幅度和相位信息。進(jìn)而采用數(shù)字信號處理的方法,可以消除色散和PMD導(dǎo)致的眼圖畸變和碼間干擾,重新恢復(fù)碼元信息。采用這種方法,在100G系統(tǒng)上可實現(xiàn)高達(dá)60000ps/nm的色散容限及25-30ps的PMD容限。那么在傳輸系統(tǒng)線路側(cè)上不再放置色散補償模塊,PMD效應(yīng)也不會成為限制系統(tǒng)傳送距離的因素,系統(tǒng)組網(wǎng)能力和靈活性將得到極大的提高。目前,PDM-QPSK、相干接收、DSP技術(shù)的配合使用,已經(jīng)成為100G傳輸系統(tǒng)主流的技術(shù)配置方案,并且目前PDM-QPSK與相干接收部分已形成模塊化,產(chǎn)業(yè)鏈成熟,各廠商相差不大,但DSP部分因為涉及到算法,很難用語言區(qū)分,只能從系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。
2.3 SD-FEC技術(shù)
前向糾錯始終是光傳送技術(shù)中降低OSNR要求主要手段,在線路速率不斷提升的驅(qū)動下,經(jīng)歷了三代的發(fā)展。第一代FEC采用硬判決分組碼,以RS(255,239)為代表的代數(shù)碼技術(shù),采用6.69%的開銷,主要用于2.5G系統(tǒng)和早期的10G系統(tǒng),RS(255,239)已經(jīng)被寫入ITU-T G.709和ITU-T G.975標(biāo)準(zhǔn),在光通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。后來隨著10G和40G系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了糾錯能力更強、增益更高的第二代FEC技術(shù),其采用硬判決級聯(lián)編碼技術(shù),ITU-T G.975.1標(biāo)準(zhǔn)收錄了8種第二代FEC算法,碼字開銷仍以6.69%為主,當(dāng)輸出BER=1E-15時,其中大部分FEC算法的凈編碼增益在8dB以上,可支持10G和40G的系統(tǒng)長距離傳輸需求。到了100G的時代,在相干電處理技術(shù)的驅(qū)動下,借力高速IC技術(shù)的發(fā)展,目前又誕生了基于軟判決第三代FEC技術(shù)。
軟硬判決主要區(qū)別在其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特數(shù)為1位,其判決不是0就是1。軟判決則采用多個比特位對信號進(jìn)行量化,采用“00”、“01”、“10”、“11”判決,通過各種估計算法提高判決的準(zhǔn)確率,軟判決可提供約11.5dB的凈編碼增益。第三代FEC需要更大的運算規(guī)模(1千萬門以上乃至數(shù)千萬門的ASIC),目前基于65nm工藝的ASIC技術(shù)難以為繼,需要40nm工藝的ASIC才能實現(xiàn)其高運算量和低功耗目標(biāo)。此外,SD-FEC的另一個特點是開銷更高,可高達(dá)20%(OIF建議SD-FEC的開銷不超過20%),使得100G的線路速率達(dá)到128Gbps,這有可能在非線性和濾波效應(yīng)方面對傳輸性能造成影響。
3結(jié)束語
基于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量以接近兩年翻一番的速度迅速膨脹,100G波分技術(shù)成熟和商用的步伐將進(jìn)一步加快。以偏振復(fù)用、正交四相位調(diào)制、相干接收和數(shù)字信號處理技術(shù)為核心的100G PDM-QPSK相干技術(shù)的誕生和成熟,標(biāo)志著波分系統(tǒng)由傳統(tǒng)的模擬光傳輸系統(tǒng)向數(shù)字化光傳輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變,已成為未來發(fā)展的必然趨勢。