光通信革命：100G波分传输技术发展
发布时间：2010-10-11 08:49:40 热度：3506
10/11/2010，市场需求驱动
互联网数据业务的爆炸式增长是高速波分传输发展的主要推动力，根据调研和预测，骨干网传输带宽以每年50%以上的速度增长，目前骨干传输网要求支持100G传输的呼声越来越强烈。100G波分传输的工程应用需求总结如下。
● 传输距离：长途骨干网要求传输距离至少达1000~1500 km，包含6个ROADM（可重构型光分插复用设备）；城域网要求包含20个ROADM；
● 传输容量：通道间隔为50GHz，与现有10G波分系统相同；
● 应用场景：可在现有光纤通信系统上进行升级，无需更换新型光纤或光放大器；
● 成本：100G波分系统相比10G在成本/速率/距离上应有优势；
● 功耗：100G波分系统相比10G在功耗/速率以及设备集成度上应有优势。
要完全实现以上需求，必须采用相干通信技术，加强系统消除传输损伤的能力。100G信号速率对目前电芯片来说仍然太高，可通过多电平调制、偏振复用、多波并行传输等技术组合将100Gbps信号速率降为25G波特率或更低。
标准及产业链现状
为推动100G光通信产业链的发展，多个光通信国际标准组织积极制定100G相关标准，涵盖100G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40G/100G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100G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100GE接入的OTU4帧结构及映射协议，规范了100G单板中成帧处理要求；OIF负责制定100G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。
100G波分传输已从实验室研究进入工程测试和初期应用阶段。各大系统设备厂家客户侧100GE接口严格符合标准802.3ba规范的4路并行传输，波分侧采用各具特色的传输技术。截至2010年7月，大部分光器件达到可商用程度，但相干接收技术中关键芯片ADC和DSP的量产商用还需一段时间。ADC和DSP是近年来阻碍100G波分传输商用的最大拦路石，目前有多个芯片厂家正在积极研发集成ADC和DSP功能的ASIC芯片。
中兴通讯解决方案
中兴通讯提供两种解决方案，一种是实现简单的“PDM-DQPSK+直接接收”解决方案，另一种是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解决方案。
PDM-DQPSK+直接接收
发射单元采用PDM-DQPSK调制，接收单元采用直接接收技术。PDM-DQPSK即偏振复用-差分正交相移键控调制，激光通过偏振分束器分成2路正交偏振态光，每路进行DQPSK调制（DQPSK调制技术在40G波分传输系统中已成熟应用），然后再用偏振合束器合成一束光，传输速率为111.8Gbps。相位调制信号的直接接收即采用延迟干涉和平衡接收实现信号检测，因输入信号为2路偏振态信号，还需采用光学偏振跟踪技术分离出2路偏振正交的DQPSK信号。
该方案中光学偏振跟踪速度快，可满足工程现场应用需求，通道间隔最小为50GHz。系统中仍需配置色散补偿，PMD容限有限，OSNR（光信噪比）性能较差，属于100G波分传输初期解决方案。
PDM-DQPSK+相干接收
发射单元采用PDM-DQPSK调制，接收单元采用相干接收技术，该方案符合OIF（光互联论坛）100G接口规范，其功能框图如图1所示。
图1 相干接收PDM-DQPSK原理框图
发射单元为PDM-DQPSK调制，差分编码解决相位模糊问题。
接收单元由本振激光、光电解调、ASIC芯片组成。本振激光采用大功率窄线宽可调谐激光器，双路混频器、4路光电转换完成光电解调，实现任意偏振态、任意相位信号的相干接收，其中4路光电转换采用双PIN平衡接收，相比单PIN接收有更大的输入光功率动态范围。ASIC芯片集成ADC和DSP功能，消除传输损伤和恢复信号。采用CMOS技术的低功耗ASIC芯片，DSP算法类似软件无线电技术，包括如下功能模块：重采样、色散补偿、自适应滤波、频率补偿、相位恢复、SD-FEC解码。
相干接收PDM-DQPSK可实现50GHz间隔波分复用，滤波特性好；OSNR性能好，目标传输距离达1500 km以上；DSP算法跟踪速度快，可实现光层快速保护倒换；色散补偿和偏振模块色散补偿均在接收机中完成，可降低系统整体配置成本，但如果配置光学色散补偿，会加重系统非线性损伤。考虑到发射端可能重新定义帧格式以兼容SD-FEC，接收端DSP算法各有差异，因此很难实现波分侧互联互通。
其他解决方案
虽然“PDM-DQPSK+相干接收”是被业界认可的100G标准化解决方案，但有些设备制造商采用了其他解决方案。
（1）发射端采用双波或3波DQPSK信号进行合波，子载波频率间隔为50GHz，接收端采用光滤波器分离出2路或3路DQPSK信号，然后再采用延迟干涉和平衡接收实现信号检测。该方案又叫反向复用技术，通道间隔最小为100GHz或150GHz，传输容量小，OSNR性能较差，属于100G波分传输早期解决方案。
（2）发射端采用双波相干接收PDM-DQPSK，其中子载波频率间隔为20GHz，接收端间隔20GHz的两个本振激光分别对输入信号进行相干检测，之后分别用低通电滤波器抑制另一子载波信号串扰，ADC采样后再利用DSP算法消除传输损伤和恢复数据。该方案通道间隔最小为50GHz，OSNR性能好，虽然克服了当前ADC器件采样速率瓶颈，但是器件较多，功耗较大，方案集成度较差，系统非线性性能相对较差。该方案最早实现100G波分传输工程应用。
（3）采用更多电平的高级调制码型。例如PDM-64QAM，波特率为信号速率的1/12，此外OFDM研究也比较热门，这类调制码型均采用相干接收技术，但发射和接收实现相对较复杂，在现有器件技术水平下还不适合100G工程应用，目前仍处于实验室研究阶段，有可能应用于未来的400G波分传输。
以数字信号处理技术为核心的100G相干接收技术是光通信发展史上具有里程碑意义的革命性突破，其重要性不亚于推动波分复用系统大规模应用的掺铒光纤放大器。随着带宽需求的持续增长和100G相干接收相关器件的成熟，尤其是100G所用光器件及芯片的小型化和低功耗趋势，100G波分传输必将完全取代现有10G波分传输，并会挤压40G波分传输的应用空间。
互联网数据业务的爆炸式增长是高速波分传输发展的主要推动力，根据调研和预测，骨干网传输带宽以每年50%以上的速度增长，目前骨干传输网要求支持100G传输的呼声越来越强烈。100G波分传输的工程应用需求总结如下。
● 传输距离：长途骨干网要求传输距离至少达1000~1500 km，包含6个ROADM（可重构型光分插复用设备）；城域网要求包含20个ROADM；
● 传输容量：通道间隔为50GHz，与现有10G波分系统相同；
● 应用场景：可在现有光纤通信系统上进行升级，无需更换新型光纤或光放大器；
● 成本：100G波分系统相比10G在成本/速率/距离上应有优势；
● 功耗：100G波分系统相比10G在功耗/速率以及设备集成度上应有优势。
要完全实现以上需求，必须采用相干通信技术，加强系统消除传输损伤的能力。100G信号速率对目前电芯片来说仍然太高，可通过多电平调制、偏振复用、多波并行传输等技术组合将100Gbps信号速率降为25G波特率或更低。
标准及产业链现状
为推动100G光通信产业链的发展，多个光通信国际标准组织积极制定100G相关标准，涵盖100G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40G/100G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100G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100GE接入的OTU4帧结构及映射协议，规范了100G单板中成帧处理要求；OIF负责制定100G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。
100G波分传输已从实验室研究进入工程测试和初期应用阶段。各大系统设备厂家客户侧100GE接口严格符合标准802.3ba规范的4路并行传输，波分侧采用各具特色的传输技术。截至2010年7月，大部分光器件达到可商用程度，但相干接收技术中关键芯片ADC和DSP的量产商用还需一段时间。ADC和DSP是近年来阻碍100G波分传输商用的最大拦路石，目前有多个芯片厂家正在积极研发集成ADC和DSP功能的ASIC芯片。
中兴通讯解决方案
中兴通讯提供两种解决方案，一种是实现简单的“PDM-DQPSK+直接接收”解决方案，另一种是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解决方案。
PDM-DQPSK+直接接收
发射单元采用PDM-DQPSK调制，接收单元采用直接接收技术。PDM-DQPSK即偏振复用-差分正交相移键控调制，激光通过偏振分束器分成2路正交偏振态光，每路进行DQPSK调制（DQPSK调制技术在40G波分传输系统中已成熟应用），然后再用偏振合束器合成一束光，传输速率为111.8Gbps。相位调制信号的直接接收即采用延迟干涉和平衡接收实现信号检测，因输入信号为2路偏振态信号，还需采用光学偏振跟踪技术分离出2路偏振正交的DQPSK信号。
该方案中光学偏振跟踪速度快，可满足工程现场应用需求，通道间隔最小为50GHz。系统中仍需配置色散补偿，PMD容限有限，OSNR（光信噪比）性能较差，属于100G波分传输初期解决方案。
PDM-DQPSK+相干接收
发射单元采用PDM-DQPSK调制，接收单元采用相干接收技术，该方案符合OIF（光互联论坛）100G接口规范，其功能框图如图1所示。
发射单元为PDM-DQPSK调制，差分编码解决相位模糊问题。
接收单元由本振激光、光电解调、ASIC芯片组成。本振激光采用大功率窄线宽可调谐激光器，双路混频器、4路光电转换完成光电解调，实现任意偏振态、任意相位信号的相干接收，其中4路光电转换采用双PIN平衡接收，相比单PIN接收有更大的输入光功率动态范围。ASIC芯片集成ADC和DSP功能，消除传输损伤和恢复信号。采用CMOS技术的低功耗ASIC芯片，DSP算法类似软件无线电技术，包括如下功能模块：重采样、色散补偿、自适应滤波、频率补偿、相位恢复、SD-FEC解码。
相干接收PDM-DQPSK可实现50GHz间隔波分复用，滤波特性好；OSNR性能好，目标传输距离达1500 km以上；DSP算法跟踪速度快，可实现光层快速保护倒换；色散补偿和偏振模块色散补偿均在接收机中完成，可降低系统整体配置成本，但如果配置光学色散补偿，会加重系统非线性损伤。考虑到发射端可能重新定义帧格式以兼容SD-FEC，接收端DSP算法各有差异，因此很难实现波分侧互联互通。
其他解决方案
虽然“PDM-DQPSK+相干接收”是被业界认可的100G标准化解决方案，但有些设备制造商采用了其他解决方案。
（1）发射端采用双波或3波DQPSK信号进行合波，子载波频率间隔为50GHz，接收端采用光滤波器分离出2路或3路DQPSK信号，然后再采用延迟干涉和平衡接收实现信号检测。该方案又叫反向复用技术，通道间隔最小为100GHz或150GHz，传输容量小，OSNR性能较差，属于100G波分传输早期解决方案。
（2）发射端采用双波相干接收PDM-DQPSK，其中子载波频率间隔为20GHz，接收端间隔20GHz的两个本振激光分别对输入信号进行相干检测，之后分别用低通电滤波器抑制另一子载波信号串扰，ADC采样后再利用DSP算法消除传输损伤和恢复数据。该方案通道间隔最小为50GHz，OSNR性能好，虽然克服了当前ADC器件采样速率瓶颈，但是器件较多，功耗较大，方案集成度较差，系统非线性性能相对较差。该方案最早实现100G波分传输工程应用。
（3）采用更多电平的高级调制码型。例如PDM-64QAM，波特率为信号速率的1/12，此外OFDM研究也比较热门，这类调制码型均采用相干接收技术，但发射和接收实现相对较复杂，在现有器件技术水平下还不适合100G工程应用，目前仍处于实验室研究阶段，有可能应用于未来的400G波分传输。
以数字信号处理技术为核心的100G相干接收技术是光通信发展史上具有里程碑意义的革命性突破，其重要性不亚于推动波分复用系统大规模应用的掺铒光纤放大器。随着带宽需求的持续增长和100G相干接收相关器件的成熟，尤其是100G所用光器件及芯片的小型化和低功耗趋势，100G波分传输必将完全取代现有10G波分传输，并会挤压40G波分传输的应用空间。
