100G的傳輸技術(shù)

　　100G傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力

　　過(guò)去的三年里面，由于IPTV, HDTV, VoD和移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，特別是基于Internet的視頻應(yīng)用和P2P應(yīng)用的迅猛發(fā)展，使運(yùn)營(yíng)商的骨干網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量持續(xù)增長(zhǎng)。相關(guān)報(bào)告預(yù)測(cè)到2012年，全球的IP業(yè)務(wù)流量將超過(guò)40exabytes (1018 Bytes)。許多運(yùn)營(yíng)商預(yù)計(jì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量年平均增長(zhǎng)率達(dá)到50%以上，按此計(jì)算，六年后的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求將是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的10倍以上。

　　為了應(yīng)對(duì)大容量網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，高速率的WDM傳輸技術(shù)成為解決問(wèn)題的重點(diǎn)。從1995年DWDM系統(tǒng)首次商用以來(lái)，其容量從剛開(kāi)始的8個(gè)DWDM 2.5G波道，發(fā)展到近幾年來(lái)開(kāi)始規(guī)模部署的80個(gè)DWDM 40G波道。而更高速率的100G傳輸技術(shù)也正走向成熟。100G bit/s傳輸將意味著在9秒鐘之內(nèi)傳輸2個(gè)小時(shí)的HD電影和在46秒鐘之內(nèi)全部下載500G字節(jié)的硬盤(pán)內(nèi)容，該技術(shù)的使用將使單波道的頻譜效率從40G 的0.8 bit/s/Hz提升到2 bit/s/Hz，滿足了運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量的需求。

　　但如何才能做到頻譜效率達(dá)到2 bit/s/Hz，并且克服光纖對(duì)于長(zhǎng)距離途傳輸100G高速信號(hào)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，選擇合適的信號(hào)調(diào)制方式和高性能的接收技術(shù)是實(shí)現(xiàn)100G傳輸?shù)募夹g(shù)關(guān)鍵。下面我們將從這方面著手，介紹100G傳輸技術(shù)。

　　100G的傳輸技術(shù)

　　調(diào)制格式?jīng)Q定了如何將輸入的數(shù)字信息高效的承載到每個(gè)光載波之上。最早期的40G部署基于雙二進(jìn)制傳輸(PSBT)，一個(gè)簡(jiǎn)單的多電平的調(diào)制方式允許50GHz的波道間隔和濾波操作。它具有良好的成本與性能比，但只達(dá)到中等距離的傳輸水平(8x22dB)。自2005年以來(lái)，它已在某些地區(qū)開(kāi)始應(yīng)用，特別是在美國(guó)部署長(zhǎng)途應(yīng)用。隨后，相位調(diào)制技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用到40G的傳輸系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的幅度調(diào)制的技術(shù)相比，多相位調(diào)制方式可以更好的抵御非線性光學(xué)效應(yīng)和噪聲。最廣泛使用的40G的調(diào)制方式包括差分接收的兩相調(diào)制 (DPSK)和四相調(diào)制方式(DQPSK)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸。但100G的傳輸速率是40G的2.5倍，是傳統(tǒng)10G的10倍，為了在50GHz的頻譜內(nèi)的傳輸信號(hào)，更高效的調(diào)制方式需要考慮。為了保持合適的傳輸波特率，100G的傳輸時(shí)候每信元符號(hào)需要攜帶更多的比特信息(4比特/符號(hào))，因此如果單純考慮增加相位調(diào)制的復(fù)雜度，從四相調(diào)制發(fā)展到16QAM (4比特/符號(hào))，但由于16QAM的最小歐氏距離很小，能容忍的相位和幅度噪聲也很小，所以其非線性容忍性很差，因此無(wú)法滿足長(zhǎng)距離的傳輸需要，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。因此，對(duì)于100G的調(diào)制方式的選擇，業(yè)界選擇的主流技術(shù)仍然是QPSK，但為了達(dá)到4比特/符號(hào)，采用極化模復(fù)用的方式，也就是 PDM-QPSK的調(diào)制方式，該調(diào)制方式已經(jīng)被OIF列為標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖1、選擇合適的100G的調(diào)制方式

　　圖2是PDM-QPSK的信號(hào)調(diào)制和接收機(jī)的功能示意圖。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)分成4路，分別調(diào)制兩個(gè)QPSK調(diào)制器，再通過(guò)偏振合波器PBC，得到兩個(gè)極化偏振態(tài)垂直的QPSK信號(hào)，即PDM-QPSK信號(hào)。

　　在接收端，采用相干檢測(cè)，用一個(gè)本振激光器經(jīng)過(guò)偏振分束，與偏振分束后的信號(hào)光進(jìn)行混頻，每個(gè)90度混頻器輸出一個(gè)偏振態(tài)的兩路信號(hào)(I、Q)，兩個(gè)偏振態(tài)共四路信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，再由ADC采樣后采用DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

　　圖2、PDM-QPSK發(fā)送和接收的功能示意圖

　　PDM-QPSK的信號(hào)在接收側(cè)采用相干檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)解調(diào)。和直接解調(diào)和差分解調(diào)方式相比，相干檢測(cè)所使用的本地激光器的功率要遠(yuǎn)大于輸入光信號(hào)的光功率，所以光信噪比可以極大地改善。特別是相干檢測(cè)技術(shù)充分利用強(qiáng)大的DSP來(lái)處理極化模復(fù)用信號(hào)，可以通過(guò)后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理補(bǔ)償并進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，可以還原被傳輸?shù)男盘?hào)的特性(極化模，幅度，相位)，大幅度消除光纖帶來(lái)的傳輸損傷，如PMD容忍度達(dá)30ps，無(wú)需線路色散補(bǔ)償就可以容忍幾萬(wàn)ps/nm。

　　圖3、PDM-QPSK相干檢測(cè)的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程

　　圖3是PDM-QPSK相干檢測(cè)數(shù)字信號(hào)處理的功能示意圖。從上圖中可以形象的看到接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)ADC，高速采樣，色散補(bǔ)償，極化模解復(fù)用和均衡，頻率和相位的恢復(fù)等一系列的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，最終在信號(hào)判決的時(shí)候可以清晰的檢測(cè)到相關(guān)的信號(hào)。

　　相比于其它的100G傳輸方案，如Dual-Sub-Carrier-PDM-QPSK 或OFDM技術(shù)，PDM-QPSK結(jié)合相干檢測(cè)提供了最優(yōu)化的解決方案。事實(shí)上已被大多數(shù)的系統(tǒng)供應(yīng)商選擇為解決方案。據(jù)相關(guān)的測(cè)試和研究報(bào)告，采用PDM-QPSK調(diào)制和相干檢測(cè)技術(shù)的100G傳輸系統(tǒng)，可以支持1500Km的傳輸距離，當(dāng)采用Raman光放技術(shù)，可以達(dá)到2500Km。為長(zhǎng)距離的骨干傳輸做好準(zhǔn)備。

　　100G的試驗(yàn)網(wǎng)

　　從2005年開(kāi)始，阿爾卡特朗訊致力于100G傳輸商用系統(tǒng)的技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)，并且在進(jìn)行了許多的測(cè)試，為100G技術(shù)的成熟商用奠定了基礎(chǔ)。

　　早在2007年，阿爾卡特朗訊在Verizon網(wǎng)絡(luò)中，在佛羅里達(dá)邁阿密成功開(kāi)展100G信號(hào)的傳送試驗(yàn)，在原有的現(xiàn)網(wǎng)的平臺(tái)上，在從Tampa到Miami的504公里的光纜線路上傳送了107G的信號(hào)，攜帶了真實(shí)的視頻業(yè)務(wù)，調(diào)制方式采用RZ-DQPSK。后繼，阿爾卡特朗訊又為多個(gè)運(yùn)營(yíng)商做了一系列的測(cè)試，采用創(chuàng)新的光電解決方案實(shí)現(xiàn)40和100G傳輸，得到了用戶的積極回饋，確立了其在100G領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。最新的現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試發(fā)生在2009年11月，阿爾卡特朗訊在西班牙電信(Telefónica)的Madrid-Sevilla-Merida的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上成功實(shí)現(xiàn)了1088公里單波速率為112 Gbit/s的DWDM傳輸。這項(xiàng)測(cè)試在已有業(yè)務(wù)重載(42個(gè)10G波道)的現(xiàn)網(wǎng)平臺(tái)上，混合了10G( NRZ OOK調(diào)制)、40G(P-DPSK調(diào)制) 和100 Gbit/s (PDM-QPSK 調(diào)制)波道，不需要對(duì)波長(zhǎng)間隔進(jìn)行重新規(guī)劃，并且在無(wú)需額外中繼的情況下跨越了包括5個(gè)可調(diào)ROADM和2個(gè)固定OADM的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，成功進(jìn)行了24小時(shí)誤碼測(cè)試和一系列的性能測(cè)試。該項(xiàng)傳輸測(cè)試從多個(gè)方面印證了阿爾卡特朗訊100G商用系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性和可擴(kuò)展性方面的能力。

　　圖4、阿爾卡特朗訊的100G試驗(yàn)

　　除了現(xiàn)網(wǎng)的測(cè)試外，阿爾卡特朗訊在實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了大量的系統(tǒng)測(cè)試研究，并且在每年的ECOC和OFC會(huì)議上公布試驗(yàn)結(jié)果和大量的論文，和大家分享 100G的研究成果，積極推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。圖4是阿爾卡特朗訊在2005年到2009年期間在ECOC和OFC上發(fā)布的100G相關(guān)測(cè)試的記錄。

　　小結(jié)

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)正在推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率不斷提升。在不太遠(yuǎn)的未來(lái)，一些系統(tǒng)將演進(jìn)到100Gbit/s的波道速率。以上我們簡(jiǎn)單的介紹了100G傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)信號(hào)調(diào)制方式和相干檢測(cè)。并且介紹了100G的相關(guān)的現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)成果。這些技術(shù)將確保運(yùn)營(yíng)商建設(shè)大容量的長(zhǎng)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)，兼容現(xiàn)有的10G和40G的波道。 2010年，100G的商用系統(tǒng)將會(huì)推向市場(chǎng)，2010年中IEEE高速Ethernet的相關(guān)規(guī)范和ITU-T OTN的相關(guān)規(guī)范也將制定完成，100G傳輸系統(tǒng)將為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載做好準(zhǔn)備，相信真正的規(guī)模部署并不遙遠(yuǎn)。