中兴：100G/超100G技术进展和现网传输试验
发布时间：2012-07-27 08:41:16 热度：2842
100G技术进展
随着视频流的日益增多，以及云计算、社会化媒体和移动数据传输的激增，因特网和专线服务的带宽需求以每年30%到50%的速度持续增长。目前，不管正在开发还是已经部署的100Gbps的长途传输系统，都是基于单载波PMD-QPSK调制格式并采用相干检测和数字信号处理（DSP）技术。这样在传统的50GHz光栅上所获得的频谱效率（SE）是2bps/Hz，从而系统容量在光纤C段提升到约10Tbps。相关的100GE客户端、传输层OTU4和其他方面的标准化过程已经由国际标准组织完成，以实现端到端的系统连接和互联互通。
每通道比特率超过100G的光传输是支持未来业务量增长的有效途径。图1显示了超100G的发展方向和研究内容。这些研究都在积极寻求容量、数据速率和光传输距离之间的平衡。光时分复用（OTDM）是增加通道数据速率的一种实现方法。最新的试验已经获得了1.28Tbaud的波特率和640Gbaud的波特率。然而，OTDM受系统稳定性和紧凑性的局限，通常只被当作一种临时的实验技术用于研究高比特率传输时光信号的传输性能，因此当光电子器件的带宽允许时，OTDM就被电时分复用（ETDM）所取代。使用多芯光纤（MCF）或者少模光纤（FMF），并融合多输入多输出（MIMO）信号处理的空分复用（SDM）目前正得到广泛的研究。理论预测和近期的进展都表明在特殊的光纤结构和传输性能上能够做到很好的结果。但除了设计和制造，在连接、耦合、熔接以及放大器和收发器的集成方面都面临很大的挑战，显示该项技术进入商业应用还为时尚早。
在未来的几年里，特别是对于400GE和1TE标准，人们相信所采用的方法不仅必须具有高频谱效率和高接收灵敏度，而且必须能够通过现有的技术和组件进行实施。对此有3个主要的方法结合PDM和相干检测来提高通道比特率。如图1所示，第一个方法是ETDM，利用成熟的电子技术提高波特率。使用差分相移键控（DPSK），高达40Gbaud的波特率已经在现网进行部署，而使用非归零码的100Gbaud的波特率已经在实验系统中展示，在这些系统中他们都使用了直接检测。目前的100Gbps商用系统或者400Gbps双载波原型机采用的调制码QPSK或16QAM其波特率在30Gbaud左右。采用波特率为56Gbaud的16QAM信号其传输距离将会减少很多。
第二种方法是使用更高阶的QAM调制码格式。他们能够获得比PDM-QPSK更高的频谱效率，但是执行代价增大，接收灵敏度要求增高，并且同样降低了传输距离。如图2所示， 16QAM信号需要的光信噪比（OSNR）比QPSK要高6dB，并且随星座图星座点数目的增加呈指数增长。在最近的试验中， BER=1×10-3时的执行代价高达8dB，而实现QPSK仅为大约1dB。现网试验中，在200GHz光栅上有10Gbps的邻近信道的情形下，512Gbps双载波16QAM信号在色散补偿SSMF上传输距离为700km左右。这些结果表明使用16QAM或64QAM格式来提升频谱效率非常具有挑战性。
第三种方法是利用多子载波的超级通道技术，它可以通过高集成度的100/200Gbps通道来克服光电子器件的速度和带宽的限制。到目前为止，一个使用PDM-QPSK格式的超级通道采用拉曼放大和特殊光纤能够实现7000km的传输，证明QPSK信号在频谱效率和传输距离之间能够取得良好的平衡。人们注意到，与单载波的情况相反，每通道使用多子载波要求在光节点中使用灵活间距的光栅而非固定间距的光栅。在不同的多载波技术中，无防护间隔相干光正交频分复用 （NGI-CO-OFDM）和奈奎斯特波分复用 （Nyquist WDM）技术有望达到较高的频谱效率同时也不会大幅减少传输距离。NGI-CO-OFDM技术的基本原理是子载波间隔正好等于频率域中的波特率，而在 Nyquist WDM中，子载波经过光谱整形从而接近或等于无码间干扰传输的Nyquist极限。由于在NGI-CO-OFDM中相邻子载波相互正交，信号经光检测后仍保持独立。但探测这种信号时需要将所有的子信号都进行探测，因而对模拟数字转换器（ADC）、光电探测器等器件带宽有很高的要求。对于Nyquist WDM，需要通过光域或电域的特定滤波器进行信号整形。人们已经在理论上和试验中对Nyquist-WDM 和NGI-CO-OFDM进行了对比研究。研究结果表明，Nyquist WDM在载波间干扰（ICI）容限和实施性约束方面更稳健更实用。
100G现网试验进展
许多实验室的试验足以进行概念上的验证，但现网试验对系统提出更严峻和更现实的要求并且更接近于实际实施。例如，色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）会因为铺设光缆由于温度等环境的改变而发生变动，一些其他的未知因素同样对接收端的盲均衡性能有所影响。同时，运营商需要对不同的技术进行验证和评价，从而更好地了解这些技术在实际光纤网络中在系统层面的可行性，这能够帮助运营商对实现的方案进行充分的了解。在过去的3年里，已经有几个现网试验验证了100G和超100G光传输性能。2010年AT&T测试了100G信号在带有色散补偿模块（DCM）的光线路中传输1800km。随后其在2012年演示了商用100G在无色散补偿的光传输系统中传输3760km，每端跨度为80km。Verizon完成了第一个使用100GE路由器卡和100GBASE-LR4 CFP界面端到端本地IP数据的100G单载波相干检测传输1520km的试验。Verizon还将112Gbps、450Gbps和1.15Tbps混合速率信号在频谱效率为3.3bps/Hz的情况下进行了信号的长距离传输。在另外一个试验里采用8QAM和QPSK调制格式实现21.7Tbps 信号的现网传输试验。德国电信（DT）进行了两个独立的现网试验，分别是253Gbps通道基于电OFDM在标准单模（SSMF）中传输764km和512Gbps通道基于16QAM格式传输734km。同时，英国电信（BT）展示了首个灵活栅格的现网传输试验，传输距离为600多公里。
德国电信实现100G和超100G的试验传输
我们在德国电信光网络进行了两个试验。现网试验是在Darmstadt和Nuremberg之间德国电信中现有的标准单模光纤（G.652 SSMF）链路上进行的。为了研究不同技术的长途传输能力，另外使用了实验室SSMF来延伸光传输距离。我们主要进行了多波特率（25Gbaud，28Gbaud， 54.2Gbaud）和混合线速率（120Gbps， 216.8Gbps，448Gbps，1.3Tbps）情况下信号在不同传输距离上的传输特性试验。其中120Gbps信号使用PDM-QPSK调制码和实时相干检测并具备软判决的前向纠错码（SD-FEC）能力，而448Gbps和1.3Tbps超级通道每子载波使用PDM-QPSK调制码格式，但使用Nyquist-WDM技术来实施。8×216.8Gbps信号在50GHz光栅上使用54.2Gbaud PDM载波抑制归零码（CSRZ）-QPSK调制码格式。接收端引进电数字后置滤波器将二进制信号转变成双二进制信号来抑制噪音以及信道之间的串扰，并使得1比特存储长度的最大自然序列估计（MLSE）数字信号处理技术提高性能。
第一个是216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信号在50GHz间距里的波分复用信号长距离传输。如图3所示，德国电信光网络中的传输链路包含从Darmstadt（DA）到Nurnberg（Nu）之间的8个节点，均使用标准G.652光纤。最高和最低的跨段损失分别为20dB和24.1dB。为了延长传输距离，在Stuttgart（ST）加入了额外的8×100km 的G. 652光纤跨段，从而获得了1750km的总传输距离。使用了商用的增益平坦的线内掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿光纤跨段损失，但在链路中没有其他的增益均衡器。所有22个光纤跨段的平均损失为21.6dB。安装有发送器和接收器的测试中心位于Darmstadt 的德国电信研发中心。试验中在1750km现网和实验室G.652 光纤上传输了8×216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信号，在接收端采用离线处理和高性能的数字信号处理的相干接收。经过1750km传输后所有通道的误码率都小于FEC的阈值。
第二个试验是100G、400G和1T的混合传输。400G超级通道是经由4个独立的112Gbps的PDM-QPSK信号经过强滤波后复用而成，复用后的频谱效率达到4bps/Hz。13个子载波的1T信号则是采用光的OFDM方法产生的，共有13个子信道，每个子信道占据25GHz的带宽，总的信号占据325GHz（13×25 = 325）的带宽。在接收机端采用先进数字信号处理技术来恢复信号。在这个现网试验中使用的100G线卡是商用实时相干100G传输机。总的线速率是120Gbps，有15% 的SD-FEC开销，采用Turbo乘积码（TPC）的编码技术，有11.1 dB的净编码增益。
图4是两个100G、1个400G和1个1T的混合信号传输1750km后的光谱。所有信号的误码率都小于2×10-3。100G信号经过2450km的传输后的误码率为1.1×10-3， 显示还有较大冗余度，而且在客户端经过SD-FEC解码后也证实了无误码传输。
我们在德国电信现网成功展示了100G以及超100G的试验传输。第一个现网试验是8×216.8Gbps DWDM PDM-CSRZ-QPSK信号达到创纪录的频谱效率：4bps/Hz，传输距离超过22个SSMF跨度，总距离为1750km。这个现网试验表明利用偏振复用的QPSK调制码技术在相同的50GHz光栅上能够翻倍提高波特率和通信容量并可实现超长距离的传输。第二个现网实验是混合传输试验。在混合传输试验中，448Gbps通道使用了Nyquist-WDM技术，并在每一个子载波中利用PDM-QPSK进行调制，实现了4bps/Hz的净频谱效率。多波长子载波产生技术被用来产生1.3Tbps的超级通道，该通道占据325GHz的光学带宽。这两个超级通道和两个带有SD-FEC的100G商用的利用偏振复用的QPSK信号成功地在1750km光链路上实现了传输，对于仅放大EDFA的pre-SD-FEC门限则超过2150km。在超100G的通道中，引进后置数字滤波器和简化的MLSE算法来减轻由于强光谱整形引起的噪声和串扰增加。就现实网络中部署的100G转发器而论，在经2450km现网光纤传输后，相对于pre-SD-FECBER门限存在较大的BER余量。这些现网实验证明了使用SD-FEC的100G技术是可以进行超长传输的，并且利用特定的信号处理的Nyquist WDM是一个实际可实施的技术，非常有希望在长距离传输中增加超100G的通道容量。
作者：余建军（中兴通讯）
随着视频流的日益增多，以及云计算、社会化媒体和移动数据传输的激增，因特网和专线服务的带宽需求以每年30%到50%的速度持续增长。目前，不管正在开发还是已经部署的100Gbps的长途传输系统，都是基于单载波PMD-QPSK调制格式并采用相干检测和数字信号处理（DSP）技术。这样在传统的50GHz光栅上所获得的频谱效率（SE）是2bps/Hz，从而系统容量在光纤C段提升到约10Tbps。相关的100GE客户端、传输层OTU4和其他方面的标准化过程已经由国际标准组织完成，以实现端到端的系统连接和互联互通。
每通道比特率超过100G的光传输是支持未来业务量增长的有效途径。图1显示了超100G的发展方向和研究内容。这些研究都在积极寻求容量、数据速率和光传输距离之间的平衡。光时分复用（OTDM）是增加通道数据速率的一种实现方法。最新的试验已经获得了1.28Tbaud的波特率和640Gbaud的波特率。然而，OTDM受系统稳定性和紧凑性的局限，通常只被当作一种临时的实验技术用于研究高比特率传输时光信号的传输性能，因此当光电子器件的带宽允许时，OTDM就被电时分复用（ETDM）所取代。使用多芯光纤（MCF）或者少模光纤（FMF），并融合多输入多输出（MIMO）信号处理的空分复用（SDM）目前正得到广泛的研究。理论预测和近期的进展都表明在特殊的光纤结构和传输性能上能够做到很好的结果。但除了设计和制造，在连接、耦合、熔接以及放大器和收发器的集成方面都面临很大的挑战，显示该项技术进入商业应用还为时尚早。
在未来的几年里，特别是对于400GE和1TE标准，人们相信所采用的方法不仅必须具有高频谱效率和高接收灵敏度，而且必须能够通过现有的技术和组件进行实施。对此有3个主要的方法结合PDM和相干检测来提高通道比特率。如图1所示，第一个方法是ETDM，利用成熟的电子技术提高波特率。使用差分相移键控（DPSK），高达40Gbaud的波特率已经在现网进行部署，而使用非归零码的100Gbaud的波特率已经在实验系统中展示，在这些系统中他们都使用了直接检测。目前的100Gbps商用系统或者400Gbps双载波原型机采用的调制码QPSK或16QAM其波特率在30Gbaud左右。采用波特率为56Gbaud的16QAM信号其传输距离将会减少很多。
第二种方法是使用更高阶的QAM调制码格式。他们能够获得比PDM-QPSK更高的频谱效率，但是执行代价增大，接收灵敏度要求增高，并且同样降低了传输距离。如图2所示， 16QAM信号需要的光信噪比（OSNR）比QPSK要高6dB，并且随星座图星座点数目的增加呈指数增长。在最近的试验中， BER=1×10-3时的执行代价高达8dB，而实现QPSK仅为大约1dB。现网试验中，在200GHz光栅上有10Gbps的邻近信道的情形下，512Gbps双载波16QAM信号在色散补偿SSMF上传输距离为700km左右。这些结果表明使用16QAM或64QAM格式来提升频谱效率非常具有挑战性。
第三种方法是利用多子载波的超级通道技术，它可以通过高集成度的100/200Gbps通道来克服光电子器件的速度和带宽的限制。到目前为止，一个使用PDM-QPSK格式的超级通道采用拉曼放大和特殊光纤能够实现7000km的传输，证明QPSK信号在频谱效率和传输距离之间能够取得良好的平衡。人们注意到，与单载波的情况相反，每通道使用多子载波要求在光节点中使用灵活间距的光栅而非固定间距的光栅。在不同的多载波技术中，无防护间隔相干光正交频分复用 （NGI-CO-OFDM）和奈奎斯特波分复用 （Nyquist WDM）技术有望达到较高的频谱效率同时也不会大幅减少传输距离。NGI-CO-OFDM技术的基本原理是子载波间隔正好等于频率域中的波特率，而在 Nyquist WDM中，子载波经过光谱整形从而接近或等于无码间干扰传输的Nyquist极限。由于在NGI-CO-OFDM中相邻子载波相互正交，信号经光检测后仍保持独立。但探测这种信号时需要将所有的子信号都进行探测，因而对模拟数字转换器（ADC）、光电探测器等器件带宽有很高的要求。对于Nyquist WDM，需要通过光域或电域的特定滤波器进行信号整形。人们已经在理论上和试验中对Nyquist-WDM 和NGI-CO-OFDM进行了对比研究。研究结果表明，Nyquist WDM在载波间干扰（ICI）容限和实施性约束方面更稳健更实用。
100G现网试验进展
许多实验室的试验足以进行概念上的验证，但现网试验对系统提出更严峻和更现实的要求并且更接近于实际实施。例如，色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）会因为铺设光缆由于温度等环境的改变而发生变动，一些其他的未知因素同样对接收端的盲均衡性能有所影响。同时，运营商需要对不同的技术进行验证和评价，从而更好地了解这些技术在实际光纤网络中在系统层面的可行性，这能够帮助运营商对实现的方案进行充分的了解。在过去的3年里，已经有几个现网试验验证了100G和超100G光传输性能。2010年AT&T测试了100G信号在带有色散补偿模块（DCM）的光线路中传输1800km。随后其在2012年演示了商用100G在无色散补偿的光传输系统中传输3760km，每端跨度为80km。Verizon完成了第一个使用100GE路由器卡和100GBASE-LR4 CFP界面端到端本地IP数据的100G单载波相干检测传输1520km的试验。Verizon还将112Gbps、450Gbps和1.15Tbps混合速率信号在频谱效率为3.3bps/Hz的情况下进行了信号的长距离传输。在另外一个试验里采用8QAM和QPSK调制格式实现21.7Tbps 信号的现网传输试验。德国电信（DT）进行了两个独立的现网试验，分别是253Gbps通道基于电OFDM在标准单模（SSMF）中传输764km和512Gbps通道基于16QAM格式传输734km。同时，英国电信（BT）展示了首个灵活栅格的现网传输试验，传输距离为600多公里。
德国电信实现100G和超100G的试验传输
我们在德国电信光网络进行了两个试验。现网试验是在Darmstadt和Nuremberg之间德国电信中现有的标准单模光纤（G.652 SSMF）链路上进行的。为了研究不同技术的长途传输能力，另外使用了实验室SSMF来延伸光传输距离。我们主要进行了多波特率（25Gbaud，28Gbaud， 54.2Gbaud）和混合线速率（120Gbps， 216.8Gbps，448Gbps，1.3Tbps）情况下信号在不同传输距离上的传输特性试验。其中120Gbps信号使用PDM-QPSK调制码和实时相干检测并具备软判决的前向纠错码（SD-FEC）能力，而448Gbps和1.3Tbps超级通道每子载波使用PDM-QPSK调制码格式，但使用Nyquist-WDM技术来实施。8×216.8Gbps信号在50GHz光栅上使用54.2Gbaud PDM载波抑制归零码（CSRZ）-QPSK调制码格式。接收端引进电数字后置滤波器将二进制信号转变成双二进制信号来抑制噪音以及信道之间的串扰，并使得1比特存储长度的最大自然序列估计（MLSE）数字信号处理技术提高性能。
第一个是216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信号在50GHz间距里的波分复用信号长距离传输。如图3所示，德国电信光网络中的传输链路包含从Darmstadt（DA）到Nurnberg（Nu）之间的8个节点，均使用标准G.652光纤。最高和最低的跨段损失分别为20dB和24.1dB。为了延长传输距离，在Stuttgart（ST）加入了额外的8×100km 的G. 652光纤跨段，从而获得了1750km的总传输距离。使用了商用的增益平坦的线内掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿光纤跨段损失，但在链路中没有其他的增益均衡器。所有22个光纤跨段的平均损失为21.6dB。安装有发送器和接收器的测试中心位于Darmstadt 的德国电信研发中心。试验中在1750km现网和实验室G.652 光纤上传输了8×216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信号，在接收端采用离线处理和高性能的数字信号处理的相干接收。经过1750km传输后所有通道的误码率都小于FEC的阈值。
第二个试验是100G、400G和1T的混合传输。400G超级通道是经由4个独立的112Gbps的PDM-QPSK信号经过强滤波后复用而成，复用后的频谱效率达到4bps/Hz。13个子载波的1T信号则是采用光的OFDM方法产生的，共有13个子信道，每个子信道占据25GHz的带宽，总的信号占据325GHz（13×25 = 325）的带宽。在接收机端采用先进数字信号处理技术来恢复信号。在这个现网试验中使用的100G线卡是商用实时相干100G传输机。总的线速率是120Gbps，有15% 的SD-FEC开销，采用Turbo乘积码（TPC）的编码技术，有11.1 dB的净编码增益。
图4是两个100G、1个400G和1个1T的混合信号传输1750km后的光谱。所有信号的误码率都小于2×10-3。100G信号经过2450km的传输后的误码率为1.1×10-3， 显示还有较大冗余度，而且在客户端经过SD-FEC解码后也证实了无误码传输。
我们在德国电信现网成功展示了100G以及超100G的试验传输。第一个现网试验是8×216.8Gbps DWDM PDM-CSRZ-QPSK信号达到创纪录的频谱效率：4bps/Hz，传输距离超过22个SSMF跨度，总距离为1750km。这个现网试验表明利用偏振复用的QPSK调制码技术在相同的50GHz光栅上能够翻倍提高波特率和通信容量并可实现超长距离的传输。第二个现网实验是混合传输试验。在混合传输试验中，448Gbps通道使用了Nyquist-WDM技术，并在每一个子载波中利用PDM-QPSK进行调制，实现了4bps/Hz的净频谱效率。多波长子载波产生技术被用来产生1.3Tbps的超级通道，该通道占据325GHz的光学带宽。这两个超级通道和两个带有SD-FEC的100G商用的利用偏振复用的QPSK信号成功地在1750km光链路上实现了传输，对于仅放大EDFA的pre-SD-FEC门限则超过2150km。在超100G的通道中，引进后置数字滤波器和简化的MLSE算法来减轻由于强光谱整形引起的噪声和串扰增加。就现实网络中部署的100G转发器而论，在经2450km现网光纤传输后，相对于pre-SD-FECBER门限存在较大的BER余量。这些现网实验证明了使用SD-FEC的100G技术是可以进行超长传输的，并且利用特定的信号处理的Nyquist WDM是一个实际可实施的技术，非常有希望在长距离传输中增加超100G的通道容量。
作者：余建军（中兴通讯）
