100G：技术创新的融合产物
发布时间：2012-02-20 11:37:28 热度：1828
2/20/2012,通信产业网讯,对于100G而言，不仅仅是一项技术的变革，更是将偏振复用、相位调制、超强FEC、相干检测、DSP等多技术创新的融合产物，正是这些技术的发展与变革，100G才真正迎来商用时代。
2011年底，烽火通信携手中国电信率先完成了国内首个集团级运营商的100G传输系统测试。本次测试烽火通信采用业界公认的100GDWDM长距离传输调制码型，基于相干检测的PDM-QPSK，完成80x100G超过1500km的光纤传输。不仅在产品的可靠性和稳定性上展现了自身的技术领先地位，也标志着100G正式跨越了技术瓶颈，已全面迎来规模商用时代。
众所周知，单信道速率的每一次提升，都会受到包括OSNR容限、色散、PMD及非线性等传输损伤的限制，因此需要更为先进的技术来减小这些传输损伤的影响，满足传输距离的要求。诸如10G向40G跨越时，用到了相位调制代替NRZ传输码型，提高40G信号的OSNR容限。而对于100G而言，不仅仅是一项技术的变革，更是将偏振复用、相位调制、超强FEC、相干检测、DSP等多技术创新的融合产物，正是这些技术的发展与变革，100G才真正迎来商用时代。
偏振复用
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。偏振复用是比较成熟的技术，在40G系统中已有过工程应用，而对于100G已然成为一项不可或缺的技术。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。但随着相干检测技术的不断成熟，偏振解复用已能够非常容易地在电域中被处理。
相位调制
相位调制在40G系统中得到广泛应用，这也进一步推动了这项技术在100G中的成熟。利用QPSK技术可以使光载波携带的信息量增大一倍，与偏振复用的结合使得100G信号波特率降低到约25Gbaud/s，因此能够应用在50GHz间隔的OTN系统中，同时也降低了信号对光纤非线性容忍度的要求。
超强FEC
FEC是100G最关键的技术之一，不同的FEC将获得不同的系统性能。在40G以下的传输系统当中，多采用7%开销的硬判决FEC，采取BCH级联或BCH与RS级联设计的编码增益最高在9dB左右，理论上7%开销FEC编码增益的香农极限是10dB。为获取更多的编码增益，使得100G的OSNR容限更接近于现有10G或40G系统能力，一些新型的FEC编解码方案的出现解决了这一问题。低密度奇偶校验码(LDPC)由于编码长度较长，同时校验矩阵具有稀疏性，相隔较远的码元被同时校验，有助于将连续的突发误码离散化，因此LDPC能有效纠错突发误码较长的情况。除此之外，LDPC采用迭代算法解码，译码电路可实现并行化处理，从而具备复杂度低、延时小的优点。OIF推荐LDPC为100G的主流FEC码型之一。软判决也是提高编码增益的另一种有效方式。传统的硬判决对信号量化比特位为1，非“0”即“1”，软判决则采用多个比特位(考虑设计复杂度，通常有效比特位为5)来量化信号，再通过Viterbi估计算法提高判决准确率。软判决比硬判决的编码增益可高出1dB以上。
烽火通信100G系统采用的超强FEC类型是20%开销比的软判决LDPC，可有效提高编码增益至11.5dB，比目前40G系统采用的BCH级联方式得到的编码增益提高有3dB。
相干检测及DSP
相干检测与ADC和数字信号处理(DSP)的结合也是100G极为关键的一项技术突破，相比于直接检测和自相干解调方式，相干解调具备以下几点优势：
1)能有效提高解调效率。相干解调将中频信号经过ADC采样后利用DSP在电域完成载波恢复、相位检测和偏振态检测，解调精度较高，同时避免了直接检测和自相干解调中光器件对解调灵敏度的影响。
2)能显著提高接收机灵敏度。适当提高本振光源功率可以增加相干混频后的光信号幅度，以改善光电转换后电信号的误码率。因此，相干解调可以获得更高的接收机灵敏度，同样也可获得更好的OSNR灵敏度。
3)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。
4)具有更低的成本优势。相干检测的核心技术在于电域的ADC和DSP，光器件仅有本振光源和相干混频器。目前线宽为100kHz的ITLA组件和集成式的混频器与光电探测器组件均已能够规模化量产。而高速ADC和DSP芯片曾经被认为是100G走向商用的最大技术瓶颈，经过一年多的磨合与发展，以40nmCMOS工艺为基础的ASIC在稳定性和成品率上已能达到商用化要求。
以上提到的多项技术的融合决定了100G克服技术瓶颈，达到工程实用化、规模化要求的能力。从OSNR容限提升的贡献上看，偏振复用提供了3dB，QPSK提供了3dB，FEC提高了3dB左右的编码增益，相干接收理论上也能够改善2-3dB的OSNR，使得100G的OSNR容限可以达到或者接近10G的水平。数字信号处理技术的使用让100G在色散和PMD方面不再受限，尤其是在适应线路色散或PMD变化时，DSP芯片的收敛速度非常快，通常在毫秒级，有效解决了40G应用中由于采用FBG或Ethlon等光学器件难以避免的色散搜索时间超过秒级而影响设备倒换时间的问题。光谱宽度小于40GDPSK或DQPSK码型，这样100G在级联ROADM或OADM的能力也好于40G。从组网结构上看，对于点对点的骨干网应用，100G不需要色散补偿，可以简化链路放大器数量，节约建网成本;对于城域网应用，100G无需考虑路由长短造成的色散变化，并可穿通多个OADM节点，组网更加灵活高效。
烽火通行作为中国光通信的“发源地”，在光传输领域有着深厚的底蕴和研发实力，一直坚持自主创新、自主研发的道路，早在2006年就已经对100G进行战略布局，并先后承担国家973项目“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”和160×100Gb/s2000公里的3U光传输系统的研究。目前推出的商用化100b/sOTN解决方案中，其需求定位、技术起点更高，一步到位地推出了基于采用127Gb/s相干检测偏振复用正交相位调制(CoherentPM-QPSK)作为线路传输码型的100G系统，采用软判决LDPC加20%开销EFEC前向纠错编码算法，可获取高达11.5dB编码增益;采用数字信号处理技术均衡线路传输损伤，提升色散容忍能力达到60000ps/nm，DGD容限超过100ps，全面缓解了色散和PMD对高速传输系统的限制，各项系统参数达到规模商用系统条件。该套系统不但支持传输WDM的应用方式，而且支持基于100G的电交叉技术和支线路分离的OTN应用方式，在技术上相对业界主流解决方案更胜一筹。
总而言之，虽然目前仍受到成本和功耗问题的制约，但随着电子工艺的发展，从产业链的成熟度和各大运营商测试结果来看，100G已跨越技术瓶颈，即将迎来全面规模商用。烽火通信将会不断适应市场发展的需要，继续加强自主创新能力，积极开发100G乃至更高速率传输研究，引领业界的发展潮流。
2011年底，烽火通信携手中国电信率先完成了国内首个集团级运营商的100G传输系统测试。本次测试烽火通信采用业界公认的100GDWDM长距离传输调制码型，基于相干检测的PDM-QPSK，完成80x100G超过1500km的光纤传输。不仅在产品的可靠性和稳定性上展现了自身的技术领先地位，也标志着100G正式跨越了技术瓶颈，已全面迎来规模商用时代。
众所周知，单信道速率的每一次提升，都会受到包括OSNR容限、色散、PMD及非线性等传输损伤的限制，因此需要更为先进的技术来减小这些传输损伤的影响，满足传输距离的要求。诸如10G向40G跨越时，用到了相位调制代替NRZ传输码型，提高40G信号的OSNR容限。而对于100G而言，不仅仅是一项技术的变革，更是将偏振复用、相位调制、超强FEC、相干检测、DSP等多技术创新的融合产物，正是这些技术的发展与变革，100G才真正迎来商用时代。
偏振复用
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。偏振复用是比较成熟的技术，在40G系统中已有过工程应用，而对于100G已然成为一项不可或缺的技术。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。但随着相干检测技术的不断成熟，偏振解复用已能够非常容易地在电域中被处理。
相位调制
相位调制在40G系统中得到广泛应用，这也进一步推动了这项技术在100G中的成熟。利用QPSK技术可以使光载波携带的信息量增大一倍，与偏振复用的结合使得100G信号波特率降低到约25Gbaud/s，因此能够应用在50GHz间隔的OTN系统中，同时也降低了信号对光纤非线性容忍度的要求。
超强FEC
FEC是100G最关键的技术之一，不同的FEC将获得不同的系统性能。在40G以下的传输系统当中，多采用7%开销的硬判决FEC，采取BCH级联或BCH与RS级联设计的编码增益最高在9dB左右，理论上7%开销FEC编码增益的香农极限是10dB。为获取更多的编码增益，使得100G的OSNR容限更接近于现有10G或40G系统能力，一些新型的FEC编解码方案的出现解决了这一问题。低密度奇偶校验码(LDPC)由于编码长度较长，同时校验矩阵具有稀疏性，相隔较远的码元被同时校验，有助于将连续的突发误码离散化，因此LDPC能有效纠错突发误码较长的情况。除此之外，LDPC采用迭代算法解码，译码电路可实现并行化处理，从而具备复杂度低、延时小的优点。OIF推荐LDPC为100G的主流FEC码型之一。软判决也是提高编码增益的另一种有效方式。传统的硬判决对信号量化比特位为1，非“0”即“1”，软判决则采用多个比特位(考虑设计复杂度，通常有效比特位为5)来量化信号，再通过Viterbi估计算法提高判决准确率。软判决比硬判决的编码增益可高出1dB以上。
烽火通信100G系统采用的超强FEC类型是20%开销比的软判决LDPC，可有效提高编码增益至11.5dB，比目前40G系统采用的BCH级联方式得到的编码增益提高有3dB。
相干检测及DSP
相干检测与ADC和数字信号处理(DSP)的结合也是100G极为关键的一项技术突破，相比于直接检测和自相干解调方式，相干解调具备以下几点优势：
1)能有效提高解调效率。相干解调将中频信号经过ADC采样后利用DSP在电域完成载波恢复、相位检测和偏振态检测，解调精度较高，同时避免了直接检测和自相干解调中光器件对解调灵敏度的影响。
2)能显著提高接收机灵敏度。适当提高本振光源功率可以增加相干混频后的光信号幅度，以改善光电转换后电信号的误码率。因此，相干解调可以获得更高的接收机灵敏度，同样也可获得更好的OSNR灵敏度。
3)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。
4)具有更低的成本优势。相干检测的核心技术在于电域的ADC和DSP，光器件仅有本振光源和相干混频器。目前线宽为100kHz的ITLA组件和集成式的混频器与光电探测器组件均已能够规模化量产。而高速ADC和DSP芯片曾经被认为是100G走向商用的最大技术瓶颈，经过一年多的磨合与发展，以40nmCMOS工艺为基础的ASIC在稳定性和成品率上已能达到商用化要求。
以上提到的多项技术的融合决定了100G克服技术瓶颈，达到工程实用化、规模化要求的能力。从OSNR容限提升的贡献上看，偏振复用提供了3dB，QPSK提供了3dB，FEC提高了3dB左右的编码增益，相干接收理论上也能够改善2-3dB的OSNR，使得100G的OSNR容限可以达到或者接近10G的水平。数字信号处理技术的使用让100G在色散和PMD方面不再受限，尤其是在适应线路色散或PMD变化时，DSP芯片的收敛速度非常快，通常在毫秒级，有效解决了40G应用中由于采用FBG或Ethlon等光学器件难以避免的色散搜索时间超过秒级而影响设备倒换时间的问题。光谱宽度小于40GDPSK或DQPSK码型，这样100G在级联ROADM或OADM的能力也好于40G。从组网结构上看，对于点对点的骨干网应用，100G不需要色散补偿，可以简化链路放大器数量，节约建网成本;对于城域网应用，100G无需考虑路由长短造成的色散变化，并可穿通多个OADM节点，组网更加灵活高效。
烽火通行作为中国光通信的“发源地”，在光传输领域有着深厚的底蕴和研发实力，一直坚持自主创新、自主研发的道路，早在2006年就已经对100G进行战略布局，并先后承担国家973项目“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”和160×100Gb/s2000公里的3U光传输系统的研究。目前推出的商用化100b/sOTN解决方案中，其需求定位、技术起点更高，一步到位地推出了基于采用127Gb/s相干检测偏振复用正交相位调制(CoherentPM-QPSK)作为线路传输码型的100G系统，采用软判决LDPC加20%开销EFEC前向纠错编码算法，可获取高达11.5dB编码增益;采用数字信号处理技术均衡线路传输损伤，提升色散容忍能力达到60000ps/nm，DGD容限超过100ps，全面缓解了色散和PMD对高速传输系统的限制，各项系统参数达到规模商用系统条件。该套系统不但支持传输WDM的应用方式，而且支持基于100G的电交叉技术和支线路分离的OTN应用方式，在技术上相对业界主流解决方案更胜一筹。
总而言之，虽然目前仍受到成本和功耗问题的制约，但随着电子工艺的发展，从产业链的成熟度和各大运营商测试结果来看，100G已跨越技术瓶颈，即将迎来全面规模商用。烽火通信将会不断适应市场发展的需要，继续加强自主创新能力，积极开发100G乃至更高速率传输研究，引领业界的发展潮流。
