40G传输技术浅析

  朗讯科技　潘伟
    随着各种数据业务的增长，当前的网络正在向着更高的速度演进，40G传输作为一种新技术正获得越来越多的关注。目前，主流的路由器早已提供了10G速率的光接口，个别厂商的数据设备甚至已经具备了商用的40G光接口，并进行了小规模的应用。这意味着，40G的大量商用时代已经逐渐到来。业界的调查显示，2005年第4季度将成为40G传输设备正式开始商用的起点，并将在2006年达到一定的规模。
    采用40G传输技术，将为运营商带来诸多明显的好处：
- 同样的带宽，更低的硬件成本。由于目前的光电器件工艺已臻于成熟，质量更为可靠，使40G的商用具有了必要的前提。同样是40G容量，器件的数量大致只有4个10G光接口的1/4。
- 更为紧凑的物理设计，由于采用了更少的器件数量，同样容量的40G传输设备可以比10G设备少占大约60％的空间。
- 更为有效的带宽资源利用率，以目前主流的新型密集波分复用设备为例，10G通路的频率间隔已做到了50GHz，频谱密度为0.2bit/Hz，而频率间隔为100GHz的40G波分复用设备的频谱密度可高达0.4bit/Hz，效率高了1倍。
- 更低的维护成本，对于波分复用设备来说，由于维护的工作量与配置的波道数量线性相关，因此维护同样容量的40G设备，只相当于维护10G波分复用设备的1/4。
- 运营商采用40G传输技术的另一个明显优点是，能够更快地和已逐渐成熟的40G数据设备实现互通。
    朗讯科技在贝尔实验室的先进技术推进下，早在2002年初，便率先在业界同时推出了具有40G光接口的智能交换光网络平台LambdaUnite® MSS和超大容量，超长传输距离密集波分复用系统LambdaXtreme™ Transport。并在该领域一直保持了遥遥领先的地位。尤其是40G超大容量密集波分复用平台LambdaXtreme™ Transport，更凝结了大量最新的光波技术，使得多达64个40G的通路能够同时在普通商用光纤中实现600～700km的复用段传输距离。截至到目前，已成功地在多家全球知名运营商的现网中进行了验证测试，最大传输距离超过了700km。
    在所有以40G为通路速率的超大容量密集波分复用系统设计中，满足运营商现有网络设站情况，以获得和10G或者2.5G系统同样的传输距离，同时保证传输质量，是最大的挑战。为了实现这一要求，需要对系统完整的思考，并大胆引入一些关键的新技术，如拉曼放大器、归零调制技术、差分相移键控编码、动态调谐的色散补偿等等，以最大程度地克服光缆带来的衰耗、色散和非线性影响。
    拉曼放大器技术，早在上世纪80年代就曾经被广泛研究，尽管在90年代早期其发展和应用的速度一度放缓，但是，随着大功率半导体激光器的成熟和对高速传输技术的要求，到了90年代末，重新获得了重视，对于40G的远距离传输，这一技术尤其重要。由于40G信号的谱宽较10G更大，因此，受到光噪声的影响也更大。众所周知，所有的放大器都会带来一定的噪声，而作为分布式放大的拉曼放大器，其自发辐射噪声要远小于先于它而早已得到大量商用的掺铒光纤放大器。除此以外，朗讯科技还采用了独特的双向拉曼泵浦的机制，在大大降低了自发辐射噪声的同时，还最大程度地消除了光纤中的非线性效应（如四波混频和互相位调制等）对波分复用系统的影响。图1为在接收端采用拉曼放大器获得的对信号的放大。
    
    图1：反向泵浦拉曼放大器放大后的信号功率曲线
    调制技术是另一项使40G通路获得远距离传输的重要保证。目前，绝大多数的信号均采用了非归零码（NRZ）的调制方式，这种方式可以降低信号的谱宽，但由于占空比较大，前后脉冲的间隔较小，较容易发生重叠，造成码间串扰。而归零码（RZ）的占空比通常只有普通非归零码的34％～67％，拉开了相邻脉冲的间隔，在信号平均能量不变的基础上，大大提高了峰值功率，为接收端提供了更高的光信噪比，同时也提高了对光纤中极化模色散造成的时延的抵抗能力。朗讯科技采用了一种称为载波抑制的归零码调制技术（CSRZ），该技术可以最大程度地减小调制造成的频谱展宽，同时保留了归零码所拥有的一切优点。图2为采用了CSRZ后，40G信号传输了800km后的眼图。
          
         图2：传输了800公里后的40G信号
    动态可调谐的色散补偿，是为了使40G信号的接收机在最大程度上克服色散所带来的影响。图3显示了色散对信号远距离传输带来的影响，由于不同频谱成分的传播速度不同，脉冲会在传播了较长距离后展宽，并导致前后脉冲的互相重叠。普通的密集波分复用系统，是采用集中式的色散补偿，既利用负色散光纤同时获得对多个通路的补偿，由于负色散光纤的色散曲线无法与实际光缆中色散完全匹配，必然会造成对个别通路的补偿不完善，而高速的40G信号对色散的过补偿和欠补偿都比较低的速率敏感得多，因此，需要在接收机之前，分别对每个40G通路进行单独的色散补偿的优化，以达到最佳的传输效果。动态的色散补偿，其实是通过温度控制光纤啁啾光栅的周期，从而改变色散补偿的程度。

     图3：色散对信号传输的影响
    差分相移键控技术（DPSK），是一种非常特殊的编码，它利用前后脉冲的相位差别来区分1或者0，而不像传统的OOK（开关键控），以脉冲能量的有无来进行区别。利用差分相移键控技术设计的光接收机，可以在光功率非常低的情况下，正确区分信号，比普通的OOK获得大致3dB的额外的灵敏度。通过采用该特殊编码技术，LambdaXtreme™ Transport可以将64个40G高速通道同时传输2000公里以上，而无需昂贵的电中继设备。
    作为40G高速传输技术的领头羊，朗讯科技已经和多个运营商签署了40G密集波分复用设备的供货协议，并可以在同一平台上同时支持目前的主流速率10G信号和40G信号的混合传输，为运营商提供了从目前以10G业务为主，平滑过渡到即将到来的40G业务时代。