100G波分复用传输的关键技术

杨欣宇

摘要：100Gb/s的关键技术主要体现在调制编码与复用、接收技术、FEC等多个方面。本文将将从这三个方面，介绍近期100G线路传输解决方案的最新进展与技术。

关键词：编码技术；相干技术；FEC；传输距离1概述

WDM远距离传输技术产生以来，始终向着大容量、更远距、更低比特传输成本的方向发展。与单波10G速率向40G速率发展相比，单波40G速率演进到100G速率面临着更为严格的限制因素，需要更先进的编码技术和接收技术。而且从保护投资、降低网络建设成本和运维成本角度考虑，100G传输技术也有可平滑升级的需求。本文将从编码技术、新型接收技术和FEC技术三个方面，介绍近期100G线路传输解决方案的最新进展。

2100G系统中的关键技术

2.1 编码技术

从10G速率超长距离传输开始，编码技术始终是WDM的研究重点。随着比特率的增大和传输距离的延长，WDM的长距传输受限于4项物理条件：光信噪比、色度色散、非线性效应、偏振模色散。这些均与传输的波特率相关。如：如果码型不变当波特率从10G提高到40G，OSNR的要求将提升6dB，色散容限将降低到前者的1/16，PMD容限将降低到前者的1/4，光纤非线性危害程度也随之增加。为了提升线路，速率通常采用新型的编码技术避免以上这些物理效应的危害以上述关系增加，通常采用新型的编码技术，主要措施包括相位调制格式、多进制调制、RZ技术。

因为QPSK在40G系统中应用较为广泛，所以成为100G调制方式的首选。但是100G直接采用QPSK调制，其信号谱宽会超出50GHz，无法实现50GHz的波道间隔，所以采用偏振复用方案，PDM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合得方式将传输符号的波特率降低为二进制调制的四分之一，即100G传输中，采用PDM QPSK技术之后，实际线路上的波特率仍然是25G速率，这样就实现了50Hz的波道间隔。

2.2 相干接收和DSP技术

采用PDM-QPSK的调制方式虽然降低了100G传输中光信号的波特率，因而降低传输码型的谱宽，实现了50GHZ波道间隔，但是由于在两个偏振上分别独立加载了业务信息，业务信息在在光纤传输过程中，不同偏振上的光信号会互相耦合，并在光纤PMD效应作用下产生误码。因此采用偏振复用，首先要在接收端進行偏振分离，并解决PMD代价的问题。这就需要通过相干接收和数字信号处理来实现的。

色散效应是频域光电场的相位产生了畸变，PMD效应是在两个偏振的时域光电场的相位上产生了不同时延。在传输系统的收端的强度接收或者自相干接收过程中，这些相位上的畸变和时延均会转化为接收眼图的畸变和码间干扰，而造成信号损伤。如果能探测出光信号的电场，则可以采用线性补偿的方法，在光场上抵消色度色散和PMD效应，这就是光学DSP处理的核心。由于色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入调制或畸变，而光相干检测则可探测并同时获知光场的偏振、幅度和相位信息。进而采用数字信号处理的方法，可以消除色散和PMD导致的眼图畸变和码间干扰，重新恢复码元信息。采用这种方法，在100G系统上可实现高达60000ps/nm的色散容限及25-30ps的PMD容限。那么在传输系统线路侧上不再放置色散补偿模块，PMD效应也不会成为限制系统传送距离的因素，系统组网能力和灵活性将得到极大的提高。目前，PDM-QPSK、相干接收、DSP技术的配合使用，已经成为100G传输系统主流的技术配置方案，并且目前PDM-QPSK与相干接收部分已形成模块化，产业链成熟，各厂商相差不大，但DSP部分因为涉及到算法，很难用语言区分，只能从系统指标进行区分。

2.3 SD-FEC技术

前向纠错始终是光传送技术中降低OSNR要求主要手段，在线路速率不断提升的驱动下，经历了三代的发展。第一代FEC采用硬判决分组码，以RS（255，239）为代表的代数码技术，采用6.69％的开销，主要用于2.5G系统和早期的10G系统，RS（255，239）已经被写入ITU-T G.709和ITU-T G.975标准，在光通信领域获得了广泛的应用。后来随着10G和40G系统的广泛应用，出现了纠错能力更强、增益更高的第二代FEC技术，其采用硬判决级联编码技术，ITU-T G.975.1标准收录了8种第二代FEC算法，码字开销仍以6.69%为主，当输出BER=1E-15时，其中大部分FEC算法的净编码增益在8dB以上，可支持10G和40G的系统长距离传输需求。到了100G的时代，在相干电处理技术的驱动下，借力高速IC技术的发展，目前又诞生了基于软判决第三代FEC技术。

软硬判决主要区别在其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位，其判决不是0就是1。软判决则采用多个比特位对信号进行量化，采用“00”、“01”、“10”、“11”判决，通过各种估计算法提高判决的准确率，软判决可提供约11.5dB的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC的另一个特点是开销更高，可高达20％（OIF建议SD-FEC的开销不超过20％），使得100G的线路速率达到128Gbps，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。

3结束语

基于数据网络流量以接近两年翻一番的速度迅速膨胀，100G波分技术成熟和商用的步伐将进一步加快。以偏振复用、正交四相位调制、相干接收和数字信号处理技术为核心的100G PDM-QPSK相干技术的诞生和成熟，标志着波分系统由传统的模拟光传输系统向数字化光传输系统的转变，已成为未来发展的必然趋势。