讓100G波分傳得更遠(yuǎn)的秘密[圖]

隨著寬帶業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，承載網(wǎng)骨干層面臨著越來越大的帶寬壓力。同時，路由器100GE端口需求開始出現(xiàn)，10G/40G傳送承載網(wǎng)已經(jīng)不能滿足超寬帶和100GE端口的需求，在骨干層實(shí)現(xiàn)100G傳輸將已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流。

波分系統(tǒng)，單波速率從2.5G到10G，從10G到40G，一直面臨著一系列的物理限制。線路速率再次提升到100G，這些物理限制因素仍然存在，并且產(chǎn)生的傳輸損傷也更為嚴(yán)重。這些因素直接限制了100G系統(tǒng)的傳輸距離。而100G技術(shù)的發(fā)展，主要是不斷地克服這些因素的影響讓信號傳得更遠(yuǎn)的過程。

影響100G傳輸?shù)膸讉�因素

1、要求更高的系統(tǒng)OSNR

波分傳輸系統(tǒng)采用光放大器來克服光纖損耗，延長無電中繼傳輸距離，光放大器在對光信號進(jìn)行功率放大的同時也引入了噪聲信號，另一方面，在波特率提升時，光接收機(jī)的帶寬也需要隨之而線性增加，而更寬的接收機(jī)帶寬將使得更高功率的噪聲進(jìn)入接收機(jī)的判決電路，從而會造成誤碼率的增加，這樣就必須要求OSNR容限提升。

2、要求更高的色散容限

光信號在光纖中的色散效應(yīng)來自調(diào)制光信號的光譜中的不同頻率成分在光纖中的傳輸速度不同，從而導(dǎo)致承載業(yè)務(wù)信號的一串光脈沖發(fā)生畸變，導(dǎo)致相鄰光脈沖之間的碼間干擾，從而產(chǎn)生誤碼。傳輸光信號的色散容限與光信號的光譜寬度成反比，同時和光信號的時域?qū)挾龋�脈沖周期）成正比。對于100G信號，由于其光信號的波特率提升，其光譜寬度會相應(yīng)提升，其時域波形周期也會隨之降低，如果100G同樣采用傳統(tǒng)的OOK/ASK調(diào)制方法（二進(jìn)制振幅鍵控），則其色散容限將非常小，現(xiàn)有的DCM補(bǔ)償方式已經(jīng)完全不能滿足要求。對于100G傳輸，色散容限問題已經(jīng)成為嚴(yán)重的問題，而傳統(tǒng)的光學(xué)色散補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不能克服色散容限降低帶來的危害，必須采用更新的補(bǔ)償措施，才能使100G傳輸成為可能。

3、要求更高的PMD容限

同色度色散（CD）一樣，偏振模色散（PMD）也同樣限制著高速波分系統(tǒng)的傳輸能力。偏振模色散（PMD）是指對相同頻率的光，只要其偏振模式不同，光纖也會導(dǎo)致其傳播速度不同，偏振模色散會導(dǎo)致光纖傳輸系統(tǒng)的碼間干擾（ISI），進(jìn)而引起誤碼和系統(tǒng)代價。

如果100G同樣采用傳統(tǒng)的OOK/ASK調(diào)制方法（二進(jìn)制振幅鍵控），其PMD容限不足1ps，無法達(dá)到工程預(yù)算要求。在100G傳輸系統(tǒng)中，PMD容限也被認(rèn)為是一個非常嚴(yán)重的問題，常規(guī)的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）碼型調(diào)制及接收方式無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在技術(shù)上必須尋找新的解決方案。

4、光纖非線性效應(yīng)增強(qiáng)

光纖非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱與入纖光功率、光信號的光譜寬度、調(diào)制碼型特性、光纖色散系數(shù)以及跨段數(shù)目均有關(guān)系，光信號的調(diào)制速率越高，對光纖非線性效應(yīng)的忍耐程度越低。而一些特殊的碼型調(diào)制技術(shù)技術(shù)，如相位調(diào)制、RZ碼型調(diào)制等，有利于增強(qiáng)傳輸碼型對光纖非線性效應(yīng)的抵抗能力。100G傳輸系統(tǒng)，如果要克服由于調(diào)制速率提升而帶來的更差的非線性忍耐度，就必須從調(diào)制技術(shù)上尋找新突破。

如何才能讓100G傳得更遠(yuǎn)

1、采用偏振復(fù)用正交四進(jìn)制相位調(diào)制（PDM QPSK），降低光信號的波特率

光信號的光譜帶寬是由波特率決定的，波特率越大，光信號的光譜就越寬，兩者之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。光信號的光譜不能大于WDM信道之間的頻率間隔，否則各個WDM信道的光譜會相互交疊，導(dǎo)致各個WDM信道所承載的業(yè)務(wù)碼流之間發(fā)生干擾，從而產(chǎn)生誤碼和系統(tǒng)代價。當(dāng)波特率提高到100Gbaud/s時，普通調(diào)制碼型的光譜寬度已經(jīng)超過50GHz，更加無法實(shí)現(xiàn)50GHz間隔傳輸。

在100G系統(tǒng)中，為了能同樣達(dá)到50GHZ間隔傳輸，就必須采用偏振復(fù)用技術(shù)，使得一個光信道內(nèi)部存在多個二進(jìn)制信道，在保持線路比特率不變的基礎(chǔ)上降低傳輸?shù)牟ㄌ芈省?/P>

100G PDM QPSK調(diào)制的本質(zhì)是通過在光場相位上選取4個可能的取值，使得在不降低線路速率的基礎(chǔ)上，將光信號的波特率降低一半。這種復(fù)用方式可以將光信號的光譜帶寬降低一半，同時又提出了“偏振復(fù)用（PDM）”的方案，將100G數(shù)據(jù)首先通過復(fù)用到光波長的兩個偏振態(tài)上，進(jìn)一步將傳輸光信號的波特率再降低一半。

圖1 PDM QPSK調(diào)制模型

與傳統(tǒng)得二進(jìn)制調(diào)制不同， 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(shí)際線路上的波特率仍然是25G速率。

偏振復(fù)用也有可能帶來一些問題，由于在兩個偏振上分別獨(dú)立加載了業(yè)務(wù)信息，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，一個首先要克服的障礙是要在接收端進(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(shí)現(xiàn)的。

2、相干接收技術(shù)與光數(shù)字處理技術(shù)（oDSP）

PDM QPSK的調(diào)制方式主要是降低100G傳輸中光信號的波特率，降低100G傳輸碼型的譜寬，使之能實(shí)現(xiàn)50GHZ間隔傳輸，并部分解決了100G傳輸?shù)腛SNR要求過高問題，但100G系統(tǒng)的色散容限過小和PMD容限過小的問題依然存在，這對長距離100G傳輸尤其不利。

色散和PMD效應(yīng)均是在光電場的相位或偏振上引入的線性調(diào)制或畸變，如果能探測出光信號的電場，則可以采用線性補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ�在光場上抵消色度色散和PMD效應(yīng)，這就是光學(xué)DSP處理的核心。

在100G PDM QPSK傳輸中，主要就是利用光數(shù)字信號處理技術(shù)（ODSP）在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道線性損傷（CD、PMD）補(bǔ)償，即通過數(shù)字化算法，在電域進(jìn)行色度色散補(bǔ)償以及偏振態(tài)色散補(bǔ)償，以此減少和消除對光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。

圖2 相干接收機(jī)與DSP結(jié)構(gòu)圖

采用這種基于電域的oDSP技術(shù)，在100G系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限。在做波分設(shè)計(jì)時，傳輸線路上將不再放置DCM模塊，PMD效應(yīng)也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，使得100G系統(tǒng)具備長距離傳輸?shù)哪芰Α?/P>

3、100G 軟判決SD/硬判決HD技術(shù)

隨著線路速率的不斷提升，前向糾錯（FEC）技術(shù)也經(jīng)歷了三代的發(fā)展，第一代FEC采用以RS（255, 239）為代表的代數(shù)碼技術(shù)，采用7％的開銷，主要用于2.5G系統(tǒng)和早期的10G系統(tǒng)。隨著后期的10G及目前40G系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了凈編碼增益更高、糾錯能力更強(qiáng)的第二代FEC技術(shù)的誕生，第二代FEC采用級聯(lián)編碼技術(shù)。

在100G相干電處理技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化力量的驅(qū)使下，并借助高速IC技術(shù)的發(fā)展，目前又引進(jìn)了基于軟判決（SD）的第三代FEC編碼技術(shù)。軟硬判決的區(qū)別在于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?cái)?shù)為1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。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Viterbi等估計(jì)算法提高判決的準(zhǔn)確率，軟判決也讓FEC的凈編碼增益達(dá)到11.5dB左右，大大提升了100G系統(tǒng)的傳輸能力。

目前，100G系統(tǒng)中，硬判決和軟判決兩種技術(shù)各有各自的特點(diǎn)，適用于不用距離的不同應(yīng)用場景。

華為100G第二代軟判實(shí)現(xiàn)4000公里傳送

華為創(chuàng)新性地結(jié)合PDM QPSK調(diào)制技術(shù)、oDSP技術(shù)以及首發(fā)的第二代軟判決技術(shù)，實(shí)現(xiàn)100G超長距4000公里的無電中繼傳送，一舉解決100G傳送最大的技術(shù)難題。截至2012年底，華為已經(jīng)幫助全球超過50家運(yùn)營商部署100G網(wǎng)絡(luò)，引領(lǐng)100G走向規(guī)模部署。