100 Gbit/s波分的关键技术及推进策略探讨

李纯丹

（四川通信科研规划设计有限责任公司，成都 610041）

100 Gbit/s波分的关键技术及推进策略探讨

李纯丹

（四川通信科研规划设计有限责任公司，成都 610041）

波分系统速率的每一次提升，都会受到衰耗、CD、PMD及非线性效应等引起的传输损伤的限制，因此迫切需要更为先进的技术来减小这些传输损伤带来的影响，从而解决系统速率和传输距离受限的问题。本文主要介绍了100 Gbit/s波分技术的发展现状、关键技术，并对未来的推进策略提出了建议。

100 Gbit/s；DWDM；CD；PMD；非线性效应；PDM-DQPSK；OSNR

1 100 Gbit/s波分的发展现状

相对于40 Gbit/s技术从提出到商用经历近10年发展过程而言，100 Gbit/s技术从提出到接近设备成熟可谓异常迅速。为推动100 Gbit/s光通信产业链的发展，多个光通信国际标准组织积极制定100 Gbit/s相关标准，涵盖100 Gbit/s器件、光模块、OTN开销处理、系统设备等领域。IEEE于2010年6月发布了40 Gbit/s/ 100 Gbit/s以太网接口标准802.3ba；由多个光模块厂商组成的CFP多源协议联盟也发布了客户侧可热插拔光模块硬件和软件接口协议，为100 Gbit/s客户侧接口制定了接口规范；ITU-T于2009年12月更新了OTN接口建议G.709，定义了支持100 GE接入的OTU4帧结构及映射协议，规范了100 Gbit/s板卡中成帧处理要求；OIF负责制定100 Gbit/s波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议规范，有力地推动了波分侧接口设计标准化。

2 100 Gbit/s波分的关键技术

相比现有成熟的10 Gbit/s和40 Gbit/s光传输系统，由于单信道速率的提升，100 Gbit/s对光信噪比（OSNR）的要求分别提高了10 dB和4 dB，色散容限也随着传输速率的平方成反比下降。因此，为了实现100 Gbit/s的高速光传输，必须降低系统对OSNR以及色散容限的要求，克服非线性效应的影响。OIF建议通过统一100 Gbit/s码型为PDM-DQPSK并辅以四相位相干检测技术来解决这些问题，其功能示意图如图1所示。

从图1可以看出，100 Gbit/s波分PDM-DQPSK相干通信主要采用的关键技术有：偏振复用、新型编码调制、高效FEC、相干检测、高速ADC及DSP技术等。

2.1 偏振复用

偏振复用是利用光信号的两个偏振态之间相互正交特性来实现在同一个光载波上携带两路信息，使得信号码元速率下降一半。偏振复用对于发射机来说只需要一些比较简单的无源器件即可实现，而难点主要在于接收机的解偏部分。但随着相干通信技术的不断成熟，偏振解复用已能够非常容易地在电域中处理。

图1 100Gbit/s波分PDM-DQPSK相干通信的功能示意图

2.2 新型编码调制

编码调制技术有很多种，有基于强度调制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位调制的差分相移键控（DPSK）调制和差分正交相移键控（DQPSK）调制，以及结合偏振复用的正交相位调制技术PDM-DQPSK等。利用DQPSK技术可以使光载波携带的信息量增大一倍，频谱效率也更高，从而降低传输波特率，同时降低了ADC采样速率的要求，提高了数字信号处理技术的可实现性。

2.3 高效FEC技术

FEC技术经历了三代的快速发展。第一代的为满足ITU TG.975规定的带外FEC硬判决，采用RS（255，239）方式使用7%的开销，净编码增益为6～7 dB。第二代FEC采用G.975.1标准，采用级联编码和硬判决技术，增益可达到8～9 dB。第三代FEC技术采用软判决译码技术，将开销比提升到20%以上实现高性能软判决，这样可将编码增益提升到10～11 dB。在相同码率下，软判决FEC增益性能比硬判决高1.5 dB左右。OIF建议选择冗余度在18～20%的软判决纠错编码，净增益编码可达10.5 dB左右，能有效支撑100 Gbit/s系统的应用需求。

2.4 相干检测技术

相干检测技术是在接收侧使用一个大功率、窄线宽、高稳定度的本地振荡激光器，经过偏振分束后与远端输入的光信号进行90°混频，90°混频器输出一个偏振态的两路信号。混频器输出光信号经双PIN平衡接收光电二极管转换为模拟电信号，经高速模数转换器（ADC）采样量化后转换为数字信号。DSP芯片通过先进的算法实现偏振跟踪，相位、时钟、数据恢复，以及色散和偏振模色散（PMD）的补偿。

2.5 高速ADC及DSP

在高速相干光接收机中，最主要的核心器件是高速模数转换（ADC）器件（50 Gsample/s以上）和高速数字信号处理（DSP）芯片。高速ADC和DSP对信号的偏振进行解复用，并结合使用电子色散补偿（EDC）来抑制偏振模色散的影响。利用DSP技术在电域均衡色散和PMD理论上可以获得无限宽的色散和PMD容限，考虑到芯片设计复杂度和可实现性，通常色散容限可设计在几万ps/nm，PMD容限可设计在上百ps。

除了以上提及的关键技术外，还有其他一些主要技术，如封装映射技术、客户侧CFP接口技术等。这些多项重要技术相结合共同帮助100 Gbit/s波分克服技术瓶颈，达到工程实用化、规模化的要求。

3 100 Gbit/s波分的建网模式

业界普遍认为100 Gbit/s DWDM生命周期比40 Gbit/s更长，至少有8～10年。各运营商已基本完成对主要厂家100 Gbit/s设备的测试并逐渐开始建设实验网，准备适时大规模引入100 Gbit/s的建设。OIF根据业界对100 Gbit/s传输的业务需求，归纳了对100 Gbit/s波分性能的要求。

（1）100 Gbit/s业务信号一定要在不影响现网业务和网络拓扑的情况下，可以与10 Gbit/s、40 Gbit/s业务信号混传；

（2） 长途传输无电中继传输距离达1000 km以上；

（3）必须支持50 GHz信号间隔，即80波以上；

（4）系统色散和PMD容限与10 Gbit/s系统相当，比40 Gbit/s系统更好；

（5）城域网中穿通ROADM 能力大于10个ROADM；

（6）兼容现存的波分系统架构和设计规则，减少100 Gbit/s应用对现存系统的冲击和风险。

采用PM-DQPSK+相干检测的100 Gbit/s波分系统，能够很好的满足业界对100 Gbit/s传输业务的需求。对于长途传输组网，不需要色散补偿，可以简化链路上放大器的数量，能够有效节约建网的成本；对于城域组网，无需考虑路由长短造成的色散变化，可以穿通多个ROADM节点，组网更加灵活高效。100 Gbit/s波分的建网模式，从技术上来说有两种可行方案：10 Gbit/s/ 40 Gbit/s/100 Gbit/s混传模式和纯100 Gbit/s传输模式。

3.1 10 Gbit/s/40Gbit/s/100Gbit/s混传模式

由于100 Gbit/s波分系统在技术上已经超越40 Gbit/s波分，在现有40 Gbit/s波分系统上加载100 Gbit/s波道是可行的。目前中国电信和中国联通在干线层面建设有大量的40 Gbit/s波分系统，其中省际干线以纯40 Gbit/s传输方式建网，省内干线辅以10 Gbit/s/ 40 Gbit/s混传方式建网。从10 Gbit/s向40 Gbit/s发展的历史经验来看，100 Gbit/s混传模式也是必定会经历的一个过程。

国内运营商通过对主流波分厂家的100 Gbit/s PDMQPSK波分系统进行测试，也验证了100 Gbit/s混传的可行性。从测试结果来看，100 Gbit/s与40 Gbit/s混传有很好的传输质量，但与10 Gbit/s波道混传则有较大的传输损伤，典型的测试结果如图2所示。

从图2中可以清晰的看出，100 Gbit/s PDMQPSK与10 Gbit/s NRZ信号混传代价很大，50 GHz间隔配置与单波传输系统相比，Q值代价达到3 dB。100 Gbit/s PDM-QPSK与40 Gbit/s RZ-DQPSK信号混传代价很小，50 GHz间隔配置与单波传输系统相比，Q值代价只有0.5 dB。随着波道间隔的增加，Q值代价逐渐减小，因此在采用100 Gbit/s混传模式建网时，通常需要将不同速率的波道分隔开。

总的说来，100 Gbit/s混传方式会给100 Gbit/s信号带来一定的传输损伤，同时也会给网络运营维护带来额外的复杂度；另外从40 Gbit/s技术发展及规模应用部署的前期经验来看，混传也不是国内运营商网络主流的方式，因此，在100 Gbit/s技术应用中，与较低速率一起部署的混传方式只能是一种过渡性的建网模式。

3.2 纯100 Gbit/s传输模式

纯100 Gbit/s传输模式最适用于新建省际干线网络的场景，它的优点是不存在混传中会产生的传输损伤，同时网络维护运营也更简单。但缺点是它比起原波分扩容100 Gbit/s混传需要更大的初期投资，需要重新选择机房，新增设备并考虑机房条件及电源等配套设施。

4 100 Gbit/s波分的推进策略

图2 100 Gbit/s分别与10 Gbit/s和40 Gbit/s混传时的Q值曲线

从业务需求、技术及成本三方面来看，40 Gbit/s向100 Gbit/s演进属于主动转型，其中成本和技术为主要因素。从技术层面来看，100 Gbit/s技术明显优于40 Gbit/s，已不存在技术瓶颈；主流厂商已推出商用100 Gbit/s DWDM设备，部分厂商已有商用案例。何时引入100 Gbit/s技术，几乎完全取决于其成本因素，业界普遍认为，当100 Gbit/s的单比特成本与 40 Gbit/s系统相当的时候，将是大规模引入100 Gbit/s系统建设的时间点。而目前各主流通信厂家的报价，离运营商的期望值还有一定的差距。

目前100 Gbit/s波分的部署针对不同的场景建议采用不同的推进策略。

4.1 省际干线层面

在省际干线层面建议采用纯100 Gbit/s的传输模式进行建设。省际干线主要承载各省会骨干路由器节点之间的电路，目前主要为40 Gbit/s电路。随着业务带宽的不断提升，省际干线层面预计年底或明年初将会有单端口100 Gbit/s速率的传输需求，在此种场景下，建议采用纯100 Gbit/s的传输模式进行建设。新建的波分系统专门承载100 Gbit/s电路，新增的40 Gbit/s和10 Gbit/s电路将只通过原有波分系统承载，尽量避免混传。这是由于省际干线的电路都非常重要，电路安全是首要考虑的问题。同时省际干线各跨段距离大都比较长，现网40 Gbit/s波分很多段落的OSNR都没有太大的冗余量，而且随着设备光源和光缆的老化，系统的OSNR还会逐渐降低，如果盲目的引入100 Gbit/s波道，不仅新增的100 Gbit/s波道会受到其他波道的传输损伤，而且原有波道电路的安全性还会受到影响。

那么，在100 Gbit/s波分设备的成本还未到达期望值之前，怎样应对骨干路由器间越来越大的带宽传送需求呢？这需要数据和传输专业密切配合，做好专业间的协同发展。随着集群路由器技术的快速发展，虽然已经具备单接口100 Gbit/s的吞吐能力，而且单比特成本也逐渐比40 Gbit/s和10 Gbit/s端口更有优势，但不能因此就在路由器上大量配置100 Gbit/s端口，而需要顾全大局，充分兼顾到100 Gbit/s波分的成本因素，尽量推迟100 Gbit/s端口在省际干线层面的传输需求。当综合考虑数据和传输同时配置100 Gbit/s具有综合成本优势时，才是省际干线大量引入100 Gbit/s波分的最佳时间点。

4.2 省内干线层面

在省内干线层面建议采用100 Gbit/s混传的传输模式进行建设。但针对不同场景还可以细分为新建波分实现100 Gbit/s混传和利旧原有波分实现100 Gbit/s混传两种模式。

（1）对于现有波分系统波道占用率比较高的省份，建议采用新建波分实现100 Gbit/s混传模式。这些省份的经济通常比较发达，数据业务发展得非常好，100 Gbit/s业务的需求会最先出现在这些地区。当出现100 Gbit/s业务需求时，建议新建100 Gbit/s波分系统。对新增的10 Gbit/s和40 Gbit/s业务，首先考虑在原有波分系统上承载，当原有系统无法承载时再通过新建100 Gbit/s波分混传。原则上新建100 Gbit/s波分系统上不配置10 Gbit/s波道，防止其对100 Gbit/s波道产生较大的传输损伤。

（2）对于现有波分系统波道占用率比较低的省份，建议采用利旧原有波分实现100 Gbit/s混传模式建设。这些省份的数据业务发展不及发达省份，他们的100 Gbit/s业务需求也会晚于发达省份出现，短期内100 Gbit/s业务的需求量也比较少。对于这种场景，由于原有10 Gbit/s或40 Gbit/s系统通常有较大的空闲波道，从保护前期投资充分挖掘现网潜力角度出发，建议利旧原有波分在波道上扩容100 Gbit/s波道实现混传。由于原有波分系统配置的10 Gbit/s/40 Gbit/s波道为非相干检测，其对100 Gbit/s电路的传输损伤较大，因此新增100 Gbit/s波道要与原波道保持尽量远的波道间隔。鉴于目前还缺少这种建设方式的实际案例和维护经验，在应用前必须经过原波分厂家对OSNR的计算和系统仿真，经过现网测试确保传输损伤在可接受范围内再进行建设。

4.3 本地网层面

在本地网层面应充分采用具有OTN交叉功能的波分系统，本地网近期内预计不会有100 Gbit/s电路的需求，远期将有100 Gbit/s OTN的建网需求，线路侧建议采用纯100 Gbit/s的传输模式。由于OTN可以实现支路侧和线路侧分离，通过强大的光电混合交叉进行连通，因此100 Gbit/s OTN的支路侧速率可以是100 Gbit/s、40 Gbit/s、10 Gbit/s和GE。支路侧不同板卡、不同端口、不同速率的电路可以通过交叉汇聚成线路侧100 Gbit/s（OTU4）电路后进行传输。长远来看，100 Gbit/s OTN将在技术上和成本上全面超越40 Gbit/s OTN，因此线路侧将不会有10 Gbit/s、40 Gbit/s和100 Gbit/s混传的情形，将全部采用纯100 Gbit/s传输。

目前，几乎所有本地网都建设有10 Gbit/s OTN系统，而且主流厂家的OTN都支撑10 Gbit/s和40 Gbit/s的混传，因此近期新增的10 Gbit/s和40 Gbit/s电路都将通过现有OTN扩容来满足需求。原则上只有当波道占用率超过70%时，才建议新建OTN二平面。当然，如果原有OTN平面安全性较差，在资金允许的情况下可以提前开展OTN二平面的建设，在建设二平面时，尽量采用与第一平面不同的光缆路由，通过负荷分担进一步增强本地网电路的安全性。同时这样组网有利于格状网的形成，未来通过在OTN上加载WSON控制平面将能够向WSON网络演进。

总的说来，成本因素已成为制约100 Gbit/s波分是否能够快速规模部署的决定性因素。从目前国内多个厂家的近期100 Gbit/s波分报价来看，100 Gbit/s波道板卡的价格大约为40 Gbit/s板卡价格的3～4倍，单比特率价格差异已经不到1.5倍，100 Gbit/s设备价格正不断接近运营商的期望值。

5 结论及展望

总而言之，多项关键技术的结合使得100 Gbit/s波分已跨越技术瓶颈，虽然目前它仍受到成本因素的制约，但随着电子工艺的发展和产业链的逐渐成熟，设备价格将逐渐下降，100 Gbit/s波分很快将迎来蓬勃发展的春天。从更长远来看，光传输网络整体将朝着超大容量。

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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