基于反向复用技术的100G光传输的设计与实现

欧阳长冬，刘其超,史朝翔，常建新，高　猛

(1. 重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065；2.新普矽谷(北京)科技有限公司，北京 100085)



基于反向复用技术的100G光传输的设计与实现

欧阳长冬1，刘其超1,史朝翔1，常建新2，高猛2

(1. 重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065；2.新普矽谷(北京)科技有限公司，北京 100085)

基于PDM-QPSK(偏振复用-正交相位调制)以及相干光加高速DSP技术的100G传输技术在骨干网的应用越来越成熟。然而，此100G传输方案价格依然昂贵，当采用100G应用于底层网络，例如接入网以及数据中心交换机的互联互通时，价格成本考量就显得尤为突出。提出了一种新型的100G传输方案，以反向复用技术与多通道分发(MLD-MultiLaneDistribution)技术为基础并实现了基于此方案的样机设计，并且完成了48小时的160km的无误码传输测试。实验证明，此方案基于传统单模光纤的100G传输性能良好，且是真正实现了低成本的100G传输方案。

100GE；100GCFP；反向复用；多通道分发

随着视频业务、企业数据业务、大型数据中心和移动4G/5G互联网的兴起以及云计算等新兴业务的迅猛发展，传统电信传输网络已显露出很多不适应。新兴业务对带宽的需求量巨大，传统以10G/40G为主的光传输网络面临着极大的挑战。近年来，拥有100G端口的交换机、路由器已经初步进入数据网络。为适应这一改变，作为支撑的光传输网也即将开始进入100G的传输时代。经过多年的发展，100G技术已日渐成熟。以PDM-QPSK(偏振复用-正交相移键控)调制方式，相干接收技术为基础的100G传输系统已成为业界的标准，目前此方案的成本依然非常昂贵，相对应的设备也是体积庞大，耗电量惊人，对网络维护成本要求也极高，这些只能是把100G传输应用局限在骨干、核心网。这里认为100G传输技术下一个阶段的发展将在底层网络的应用，例如城域网、接入网和数据中心的互联互通。而基于传统的PDM-QPSK调制方式和复杂的高速DSP算法的100G传输方案由于其昂贵的价格和较高的芯片技术要求，使其无法应用于对成本要求非常敏感的低端网络应用需求。因此，在城域网、接入网以及大型数据中心互联互通应用领域的100G传输，如何在性能和成本上寻找一个平衡成为一个迫切需要解决的问题。

1　100G传输发展研究及系统特点

目前，在100GE长途骨干网传输领域，多数学者将主要研究点放在了基于新型调制方式，例如PDM-QPSK调制，以及相干接收和DSP(数字信号处理)算法为基础的传输方案。这种方案采用单波长传输100G信号，波长利用率较高。在配以WDM(波分复用)系统，传输带宽将大大增加。其中，PDM-QPSK通过采用2个偏振态来传输bit信息，能将通道速率降低50%，同时，由于每个偏振态可以使用4个(差分)相位来表示bit信息，又可以实现通道速率降低50%，因此，对于112Gbit/s的比特速率而言，经PDM4-QPSK编码后，比特速率可以降至28Gbit/s，这样的信号带宽使得100Gbit/s可用于50GHz间隔DWDM系统。相干检测方式基本的原理为用1个本地载波与同频的载波信号进行相干混频。相干解调可比非相干获得更高的接收机灵敏度，同样也可获得更好的OSNR(光信噪比)灵敏度[1]。由于100G系统性能要求高，单靠光层技术还不能完全满足要求，因此需要电层方面的信号处理来进一步改善系统性能，这就是高速数字信号处理技术。高速DSP集成芯片的研发成为100G系统商用的关键因素之一[2]。在接收端，通过采用相干接收以及高速DSP算法，去除色散、噪声、非线性效应带来的不利因素，还原出原来的100GE信号。另一方面，随着100G传输在骨干网及核心网的高速发展，价格更加敏感的城域网、接入网以及大型数据中心的交换机、路由器也正在逐步向100GE和100GOTN接口升级，而骨干网中的PDM-QPSK调制方式和快速DSP算法的100G传输方案由于价格昂贵、体积庞大、耗电量高，无法满足100G传输在这些低端领域的应用。因此，实现低成本的100G传输就尤其显得更加具有现实意义。

本文提出了一种新型的基于反向复用技术(Inverse-Multiplexing)和多通道分发技术(Multiplex-LanesDistribution)的低成本100G传输方案。此方案没有采用相干接收方式和复杂的高速DSP算法，与传统的基于PDM-QPSK和DSP算法的方案相比，可节约至少50%的成本代价，满足了人们对降低100G传输成本的迫切要求。另一方面，小型化低功耗也是一个诉求，研究开发的设备机箱尺寸为标准电信级1RU(1.75in高，19in宽)，且是世界上目前已知的尺寸和功耗最小的100G传输设备(100W)。此100G方案适用于点到点的传输，例如数据中心路由器、交换机的100G接口互连互通，或者一个简单的点到点企业网或者接入网网络应用。此方案可以无中继传输100GE或100GOTN至少80km。该设备自带光放大器和色散补偿器，通过可插拔EDFA(掺铒光纤放大器)和DCM(色散补偿)(基于FBG技术)模块，传输距离可进一步提高，可以达到至少160km。本研究开发的另一个最大亮点是在同样的硬件平台上，用户可以将用户侧的100GCFP光模块，通过热插拔的方式换成40GCFP光模块，再加上一些必要的软件配置，可以向下兼容40G光信号的长距离传输。这个独到的特性是由于在设计中采用了多通道分发(Multiplex-LaneDistribution)技术，而40G传输只是占用了100G传输中10个通道中的4个从而实现兼用的目的。这是目前已知唯一的用户可以按照不同速率业务要求实现弹性配置，实现100G或40G传输需求的平台设备，可以满足城域网和数据中心对不同速率接口传输的要求。

2　基于反向复用技术的100G传输

2.1系统概述

如图1是基于反向复用技术的100G传输方案的系统框图。客户侧采用标准的100G信号模块(CFP光模块)，支持符合100BASE-SR10 (10×10G,MF,100m)和100BASE-LR4 (4×25G,1 310nm, 800GHz,10km)标准的100G信号。IEEE802.3ba标准定义了100G以太网传输的信号处理方式与线缆类型，其中，物理层被进一步划分为PCS(物理编码子层)、PMA(物理介质连接子层)和PMD(物理介质相关子层)。在物理层划分20路虚通道，虚通道概念是反向复用技术的基础。采用MLD(多通道分发)机制处理高速的40G/100G数据流可以大大降低对硬件时钟频率的要求，便于适配PMD层到光纤介质多通道的连接[6]。CFP光模块对接收到的4路25Gbit/s的信号进行光电转换，转化成4路25Gbit/s电信号，再在PMA物理子层进行4∶10的通道转换，转化成符合CAUI接口的10路10.312 5Gbit/s的电信号，再送入主板ASIC进行处理。为了获得更好的传输性能和一些必要的网络管理功能，采用10路OTN芯片，将10路CAUI信号分别采用比特透明传输的方式，映射进OTN帧中，再加上FEC(前向纠错编码)，就可成为10路独立的OTU1e/OTU2e数据格式的OTN帧。通过OTN帧格式中的GCC通道，可以实现带内OSC功能。经过OTN的数字封装处理后，10路信号由10路DWDM的SFP+光模块进行电光转换之后进行长距离传输。在发送端，10路光信号被MUX复用进一根光纤中进行传输，接收端采用DEMUX将接收到的信号进行解复用处理。100G传输设备样机如图2所示。

图1　100G传输设计框图

图2　100G传输设备样机

2.2调制码型分析

在10G光通信系统中，信号调制方式一般采用NRZ(非归零码)，IM-DD(强度调制-直接检测)。本系统设计主要面向城域网领域，系统客户侧采用NRZ(非归零码)码，同时线路侧的采用SFP+光模块，线路侧调制码型同样选用NRZ码。NRZ码型在10G或40G系统中得到广泛应用，其技术水平，芯片技术已经基本成熟。文献[7]指出，非归零码(NRZ)相对于归零码(RZ)能够较好地解决功率受限问题,因为激光器的发光功率是有一定限度的，NRZ编码100%的占空比能够使系统获得最大的发射功率。该调制码型具有以下特点：应用简单、成本低、频谱效率高，由于NRZ码频谱比较窄，有利于降低WDM系统中相邻信道的干扰[7]，由于采用强度调制，调制方式较为简单，易于实现，且解调方式较为简单，只需要一个简单的光电检测器就可以将需要的信号解调出来，是目前光纤通信中应用较为广泛的一种调制码型。因此与PDM-QPSK调制方式相比，成本大大降低，易于实现。采用QPSK调制方式的100G信号与现有强度调制的10G、40G信号混合传输会产生严重的XPM/XpolM效应[8]。因此，采用10路SFP+光模块的NRZ调制方式，可以实现与现网10GNRZ信号的混合传输而较少地产生传输损伤，避免NRZ码与PDM-QPSK码混合传输产生的非线性效应对QPSK码的影响，这对与现网10G系统混合传输具有重要意义。

2.3虚通道时延处理

根据IEEE802.3ba标准，整个通信链路中的通道时延应控制在180ns以内。PCS子层采用虚通道概念，将经过64B/66B编码过的码块分发到20路虚通道上。在光纤连接的光通道中会产生通道时延，在PCS子层采用对齐码块来处理通道时延。在CFP光模块中，一般采用FIFOs(先进先出)缓存处理，来降低传输过程中的时钟抖动，使各虚通道时延控制在70ns以内。

3　系统性能分析及结果

图3、图4和图5分别展示了三种不同的传输性能测试方案。在光纤通信系统中，接收灵敏度和色散代价是评价系统性能的重要指标。图3采用了20dB的固定衰减器衰减模拟光纤损耗，在接收端采用可调衰减器控制接收功率大小，并由此得到BER(误码率)曲线，如图6所示。

其中，接收功率为10路通道的总功率。由图知，在误码率在10-12量级处10路光纤通道总的接收灵敏度为-17.8dBm左右。图4采用80km单模光纤代替固定衰减器。经过80km的传输，总接收灵敏度有所增加，如图7所示。这是由于光纤的色散会降低系统传输性能。因此，80km传输的色散代价为2～2.5dB左右。

图3　20 dB衰减点到点环回传输

图4　80 km单模光纤无误码传输

图5　160 km单模光纤无误码传输

图6　20 dB衰减的接收灵敏度

图7　加80 km光纤的long-haul侧接收灵敏度

在实际应用中，传输距离可能会大于80km。图5是160km的100G传输测试。其中，系统采用前置放大器(Pre-EDFA)、功率放大器(BoostEDFA)和色散补偿模块(DCM)来增大传输距离。可根据传输距离，灵活配置EDFA的增益大小。采用安立公司的100G测试仪(MD1260A)，经过24小时的100GE流量传输测试，实现24小时无误码传输，如图8所示。在通信链路中，要合理控制各虚通道间的时延，使其在合理范围内。本设计CFP模块中采用了FIFOs缓存处理时钟抖动，使20路虚通道时延控制在70ns之内，如图9所示。

图8　100G测试仪(MD1260A)无误码传输测试(截图)

图9　各虚通道的skew测试(截图)

4　结论

本文提出了一种基于反向复用技术(Inverse-Multiplexing)和多通道分发(MLDMultiplex-LanesDistribution))技术的100G低成本的传输方案。此方案样机已经进行了160km单模光纤24小时无误码传输测试，实现了24小时的无误码传输。此设备大小只有1RU，且功率只有100W左右，是目前已知世界上尺寸和功耗最小的100G传输设备。此方案与传统PDM-QPSK方案相比,具有至少50%的成本优势，在现阶段实现城域网低成本、低功耗100G传输具有非常现实有效的意义。此外，本研究开发的另一个亮点是在同样的硬件平台上，用户可以依照不同要求实现不同速率100G或40G光信号的弹性配置以及长距离的传输需求。

[1]陈晓娇, 张红, 尹祖新. 100GWDM技术发展及应用策略研究[J]. 邮电设计技术, 2013(11):55-58.

[2]王占硕, 张芙蓉, 张建新. 100GWDM传输系统的发展研究[J]. 现代电信科技, 2011, 41(8):61-64.

[3]TOYODAH,ONOG,NISHIMURAS. 100GbEPHYandMAClayerimplementations[J].IEEEcommunicationsmagazine, 2010, 48(3):41-47.

[4]NICHOLLG,GUSTLINM,TRAININO.Aphysicalcodingsublayerfor100GbE[J].IEEEcommunicationsmagazine, 2008, 45(12):4-10.

[5]IEEEStd802.3ba.Telecomunicationsandinformationexchangebetweensystems——localandmetropolitanareanetworks——specificrequirements-2010[S]. 2010.

[6]张小丹, 程丹, 徐晶,等. 40G/100G以太网关键技术的研究与应用[J]. 光通信技术, 2011, 35(4):1-4.

[7]廖述燕. 40Gb/s新型码调制传输特性与仿真研究[D]. 上海：同济大学, 2007.

[8]谢歆, 陈文雄, 笪钟.现有10G、40GWDM系统承载100G业务分析探讨[J]. 邮电设计技术, 2013(12):59-63.

欧阳长冬(1990— )，硕士生，主研100G光纤通信；

刘其超(1990— )，女，硕士生，主研光纤通信；

史朝翔(1964— )，教授，主研光纤通信。

责任编辑：薛京

Implementationanddesignof100Gopticaltransmissionsystembasedoninverse-multiplexingtechnology

OUYANGChangdong1,LIUQichao1,SHIChaoxiang1，CHANGJianxin2，GAOMeng2

(1.School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065,China；2. CNMP Networks, INC Beijing, Beijing 100085，China)

ThecoherentPMQPSK100Gtechnologyisgettingmaturedandrapidlydeployedintelecombackbonenetwork.However,thecoherentandhighspeedDSPbased100Gtechnologyisstilltoomuchexpensive,especially,when100Ggoestoaccessnetworkanddatacenterswitchinter-connectionapplications.Anew100Gtechnologywhichisbasedoninverse-multiplexingtechnologyandMLD(Multiplex-laneDistribution)mechanismisproposed.Wehaveprototypedthisideaintoalowcostandreal100Gsystem,andsuccessfullycompletederrorfreetransmissionover48hoursthroughtheconventional160kmSMfiberusingastandard100GbEsignal.

100GE;100GCFP;inverse-multiplexing;MLD

TN915

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.022

2015-12-10

文献引用格式：欧阳长冬，刘其超，史朝翔，等.基于反向复用技术的100G光传输的设计与实现[J].电视技术，2016，40(7)：99-103.

YANGY，LIJX.Implementationanddesignof100Gopticaltransmissionsystembasedoninverse-multiplexingtechnology[J].Videoengineering，2016，40(7)：99-103.