100G WDM關(guān)鍵參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的影響[圖]

1  概述

自2010年以來，IEEE、OIF、ITU-T先后發(fā)布了100G相關(guān)技術(shù)規(guī)范，包括100G以太網(wǎng)技術(shù)、100G OTN接口技術(shù)、100G WDM調(diào)制技術(shù)、FEC技術(shù)、OTU4幀結(jié)構(gòu)及映射復(fù)用方式等；國內(nèi)CCSA于2012年完成行標(biāo)《N×100 Gbit/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》，推動100G WDM技術(shù)快速發(fā)展。主流的設(shè)備供應(yīng)商分別自2011起相繼發(fā)布商用100G WDM產(chǎn)品。

2012年國內(nèi)三大運營商分別對100G WDM產(chǎn)品進行研究測試，得出100G WDM技術(shù)和產(chǎn)品基本成熟的結(jié)論，并開始在骨干網(wǎng)上部署100G WDM系統(tǒng)。

目前的100G WDM產(chǎn)品還屬于第一代產(chǎn)品，其主要具有以下特點。

a） 線路側(cè)彩光發(fā)送端統(tǒng)一采用偏振復(fù)用和QPSK調(diào)制技術(shù)（PM-（D）QPSK）、增強型的FEC編碼技術(shù)（包括軟判決和硬判決2種主要方式）；接收端采用差分相干檢測和DSP處理等方式；光纖色度色散和偏振模色散（PMD）通過高速信號處理（DSP）技術(shù)在電域進行補償，不再采用傳統(tǒng)色散補償模塊。

b） 能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 km以上的長距離傳輸，長距離傳輸能力還需要進一步提升。

c） 光模塊和芯片技術(shù)還需要進一步優(yōu)化。設(shè)備的集成度和單位功耗還沒有達到明顯優(yōu)于40G產(chǎn)品的預(yù)期。

d） 普遍采用OTN平臺，兼容傳統(tǒng)點到點WDM和OTN應(yīng)用。

e） 軟判決FEC技術(shù)的能力在不斷穩(wěn)定和提高。

隨著光放大器技術(shù)的改進、超長傳輸技術(shù)的應(yīng)用、光/電子集成技術(shù)的發(fā)展，下一代100G WDM系統(tǒng)碼型調(diào)制技術(shù)不會改變，但將在長距離傳輸能力、集成度和功耗等方面有較大的改進。

2  100G WDM關(guān)鍵參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的影響

2.1  色散/PMD補償技術(shù)的變化對系統(tǒng)設(shè)計的影響

100G WDM技術(shù)采用高速信號處理技術(shù)對光纖的色散和偏振模色散進行補償，色度色散補償能力達到30 000 ps/nm以上、PMD補償能力達到25 ps以上。根據(jù)近4年對國內(nèi)大量運營5~15年的干線光纜測試數(shù)據(jù)分析，光纖色度色散系數(shù)基本不會隨應(yīng)用時間而變化，光纖PMD隨應(yīng)用時間會有一定的增加，但1 500 km光纖的PMD還是遠(yuǎn)小于25 ps。這一技術(shù)對系統(tǒng)設(shè)計的好處是非常顯著的。

a） 與10G和傳統(tǒng)40G WDM系統(tǒng)相比，100G WDM系統(tǒng)在應(yīng)用中完全不需要考慮線路色度色散和PMD的影響和補償，將100G WDM系統(tǒng)的傳輸線路受限因素從光纖的衰減、色度色散、PMD簡化為僅考慮衰減受限，不需要再考慮在系統(tǒng)中每個光放站該如何合理選擇色散補償模塊（DCM），以保證色散補償效果和系統(tǒng)性能最佳，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。

b） 采用DSP進行色散補償，對線路色散變化不敏感，實驗室測試結(jié)果表明，在配置光復(fù)用段保護（OMSP）的系統(tǒng)中，主備用路由光纖色散相差17 000 ps/nm以上，業(yè)務(wù)保護倒換時間不超過100 ms，這樣的結(jié)果表明，在WDM系統(tǒng)中采用OLP、OMSP等光層保護技術(shù)的情況下，基本可以不考慮主備用路由色散差異對保護倒換時間的影響。相比傳統(tǒng)40G WDM系統(tǒng)，除配置DCM模塊外，還需要在每個OTU上配置單波電可調(diào)色散補償模塊（ADC）針對DCM補償后的各波道殘余色散差異進行微調(diào)補償，這種電可調(diào)色散補償模塊的響應(yīng)速度比較慢，為保證在采用OLP、OMSP等光層保護技術(shù)的系統(tǒng)中的保護倒換時間盡量短，一般要求主備用路由殘余色散差異不超過100 ps/nm。

2.2  光放大器結(jié)構(gòu)優(yōu)化對系統(tǒng)設(shè)計的影響

光放大器的噪聲系數(shù)（NF）是限制WDM系統(tǒng)長距離傳輸能力的主要參數(shù)之一，通過降低光放大器的NF可以有效提高WDM系統(tǒng)的長距離傳輸能力。在100G WDM系統(tǒng)中，由于不需要進行色散補償，光放大器的結(jié)構(gòu)可以進行優(yōu)化，降低NF。10G和40G WDM系統(tǒng)中典型EDFA結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，采用兩級放大器結(jié)構(gòu)，在兩級放大器之間，預(yù)留連接DCM的接頭，如果不需要配置DCM，則需要在配置DCM的位置配置衰耗器，兩級放大器的主要目的是補償DCM帶來的插入損耗（4~10 dB）。這種光放大器的NF比較大，一般在6 dB以上。在100G WDM系統(tǒng)中，由于不需要DCM，放大器的結(jié)構(gòu)可以簡化為單級結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。隨著結(jié)構(gòu)的簡化，同時對EDFA的泵浦源進行波長上的優(yōu)化，可將NF降低到5 dB以下。NF從6 dB以上，降低到5 dB以下，大于1 dB的NF優(yōu)化，在相同系統(tǒng)配置條件下，可以使系統(tǒng)的傳輸距離增長4個光放段，約300 km以上。

2.3  PM-（D）QPSK調(diào)制技術(shù)對長跨段應(yīng)用的影響

PM-（D）QPSK調(diào)制技術(shù)對非線性效應(yīng)非常敏感，尤其是由于入纖功率過高造成的非線性效應(yīng)的影響。入纖功率是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中關(guān)注的主要參數(shù)之一，也是唯一在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中可以通過系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化改善非線性效應(yīng)的參數(shù)。非線性效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響通常通過系統(tǒng)光通道代價來反映，通過實驗室對16個N×25 dB模型系統(tǒng)，分別在入纖功率為0、1、2和3 dBm的情況下進行OSNR光通道代價測試，結(jié)果如圖2所示。

系統(tǒng)入纖功率為0~2 dBm，系統(tǒng)OSNR代價有一定增加，在短波長區(qū)的變化比較明顯，但多數(shù)在1 dBm以內(nèi)，入纖功率升到3 dBm，系統(tǒng)的OSNR代價明顯增加，接近甚至超過2 dB。因此業(yè)界普遍認(rèn)為入纖功率在1 dBm以下，系統(tǒng)性能比較可靠，2 dBm以下可以接受，但更高的入纖功率顯然不合理。

入纖功率的限制，導(dǎo)致100G WDM系統(tǒng)對超長的光放段（衰減大于30 dB）非常敏感，在系統(tǒng)中存在這種光放段的情況下，系統(tǒng)的長距離傳輸能力將大打折扣，從而增大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本�？梢灶A(yù)見，在未來的超100G WDM系統(tǒng)中，非線性效應(yīng)仍將是非常重要的限制因素，建議在新建光纜線路時，光放段的設(shè)置應(yīng)注意避免超長跨段出現(xiàn)。

2.4  OPU4速率規(guī)范對業(yè)務(wù)應(yīng)用的影響

業(yè)務(wù)信號的全透明傳輸是對傳送網(wǎng)的基本要求，ITU-T G.709提出的OPU2和OPU3速率小于10GE以太網(wǎng)（10 312 500 kbit/s）和40GE以太網(wǎng)（41 250 000 kbit/s）的速率（見表1），導(dǎo)致10GE和40GE以太網(wǎng)信號分別映射到OPU2和OPU3中時，需要首先采用GFP封裝將以太網(wǎng)信號波特率進行壓縮，造成客戶信號不能全透明傳輸；或者采用超頻的OPU2e、OPU3e等方式，實現(xiàn)客戶信號的全透明傳輸，但這種方式無疑帶來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的復(fù)雜性，加大了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和維護的成本。

到100 Gbit/s階段，ITU-T G.709提出的OPU4比特率充分考慮了業(yè)務(wù)透明傳輸?shù)男枨�。將OPU4的速率規(guī)范為104 355 975.330 kbit/s，大于100G以太網(wǎng)的速率，100G以太網(wǎng)信號映射到OPU4中不再需要GFP封裝，可以通過GMP完全透明映射到OPU4中，實現(xiàn)全透明傳輸。

OPU4中每個1.25G TS的速率為1 301 709.251 kbit/s，千兆以太網(wǎng)（GE）信號速率為1.25 Gbit/s，可以采用GMP方式完全透明映射到一個OPU4的1.25G TS中；8個1.25G TS的速率為10 413 674.008 kbit/s，萬兆以太網(wǎng)（10GE）信號的速率為10 312 500 kbit/s，可以采用GMP方式完全透明映射到8個OPU4的1.25G TS中。

2.5  客戶側(cè)接口實現(xiàn)方式的改進可降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本

100G高速數(shù)據(jù)流在客戶側(cè)引入了多通道分發(fā)（MLD）技術(shù)，對高速數(shù)據(jù)流進行多通道的分發(fā)，降低了每個通道的速率，從而降低對接口時鐘頻率的要求和復(fù)雜度。

目前，在100G WDM系統(tǒng)的客戶側(cè)存在著4×25G和10×10G 2種多通道光接口，多個通道在光層采用粗波分復(fù)用方式，將多個通道在一根光纖中傳輸。單個光通道的速率從100G降低到25G和10G，大大提高了客戶側(cè)光接口對色度色散和PMD的容限，2種接口均可實現(xiàn)10 km以上的無中繼傳輸（實驗室驗證，可實現(xiàn)在G.652光纖上進行15 km無中繼傳輸），而40G單通道光接口在G.652光纖上無中繼傳輸距離只有2 km以上，這種變化為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供更多的靈活性，并降低網(wǎng)絡(luò)成本。

WDM系統(tǒng)的主要服務(wù)對象是為IP路由器網(wǎng)絡(luò)提供長距離中繼鏈路。為了保證IP網(wǎng)絡(luò)的安全，在國內(nèi)絕大多數(shù)城市，都設(shè)置有2個骨干IP機房，機房間的距離多數(shù)都超過2 km，但大部分在10 km以下。在傳統(tǒng)40G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，為滿足大多數(shù)城市2個機房間的中繼傳輸?shù)男枨�，往往需要�?個機房間建設(shè)40G WDM系統(tǒng)，平均每個中繼鏈路的功耗增加160 W以上，且占用大量寶貴的機房空間。而采用100G技術(shù)，針對10 km以下的中繼距離，僅僅采用光纖直驅(qū)方式即可。

2.6  2種客戶側(cè)光模塊技術(shù)的差異及對應(yīng)用的影響

目前路由器和傳輸設(shè)備背板接口速率都是基于10 Gbit/s的SerDes技術(shù)，host板卡上MAC/Framer層ASIC芯片與CFP光模塊間的互聯(lián)也是通過10 Gbit/s的SerDes接口。4×25G光接口需要采用MLG技術(shù)，實現(xiàn)25與10 Gbit/s接口速率間的轉(zhuǎn)換；10×10G光接口不需要MLG。2種光模塊的原理結(jié)構(gòu)見圖3。這種結(jié)構(gòu)上的差異也導(dǎo)致4×25G光模塊的價格比10×10G光模塊的價格高30%左右。

IEEE 802.3ba［2］對4×25G光接口進行了規(guī)范，包括100G BASE-LR4/ER4等。ITU-T G.709中針對IEEE定義的4×25G接口提出了多通道OTU4接口（OTL4.4），并在G959.1［3］中給出了OTL4.4的光接口參數(shù)。

10×10 MSA（多廠商產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）提出10×10G光接口的規(guī)范［4］，目前未被IEEE接受，但國內(nèi)在行標(biāo)《N×100 Gbit/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》［5］中接受了該接口。

針對這2種接口的光模塊的比較詳見表2。

對設(shè)備供應(yīng)商的調(diào)研結(jié)果表明，國內(nèi)主流的傳輸設(shè)備和路由器設(shè)備供應(yīng)商絕大多數(shù)都支持采用這2種光模塊。

2種光接口模塊的選擇給運營商帶來一定的困擾，互通性和管理方便性是主要考慮因素（見圖4），在實驗室針對這2個因素進行了測試研究。

測試中，共配置8個客戶側(cè)互聯(lián)點（從A到H），分別采用4×25G和10×10G光模塊。針對100GE業(yè)務(wù)和OTU4業(yè)務(wù)的測試結(jié)果表明，只需要直接互聯(lián)的2個光模塊的型號一致，其他互聯(lián)點的光模塊是否與之一致，并不影響業(yè)務(wù)的互通。這2種光模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)CFP封裝，在設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)熱插拔和互換且不影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3  結(jié)束語

100G WDM傳輸技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)基本成熟，在現(xiàn)網(wǎng)長距離傳輸能力上可達到1 000 km以上，并開始在國內(nèi)運營商骨干網(wǎng)上應(yīng)用。100G WDM技術(shù)采用PM-（D）QPSK編碼調(diào)制技術(shù)、相干檢測技術(shù)和DSP技術(shù)將基于光纜線路的受限因素從衰減、色度色散和PMD減少為以衰減為主，簡化了系統(tǒng)配置，大大提高了現(xiàn)網(wǎng)光纜的適應(yīng)性和應(yīng)用靈活性；針對100GE以太網(wǎng)信號規(guī)范的OPU4容器，業(yè)務(wù)適應(yīng)能力顯著提升；客戶側(cè)接口多通道傳輸方式大幅降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本�？梢灶A(yù)見，100G WDM技術(shù)將很快取代40G WDM成為傳輸網(wǎng)的主流傳輸技術(shù)。

參考文獻：

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［3］  ITU-T G.959.1 Optical transport networks physical layer interfaces［S/OL］. ［2013-01-11］. http://www.docin.com/p-309055120.html.

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