码型选择：40G WDM系统应用焦点

电信研究院通信标准研究所 赵文玉 张海懿
    随着40Gbit/s技术的逐渐成熟和高层业务传送带宽需求持续剧增，N×40Gbit/s的 WDM技术已成为光传送网带宽近期扩容的主要候选技术。相对于已成熟商用的N×10（2.5）Gbit/s WDM技术，采用多种调制编码的传输码型成为N×40Gbit/s WDM系统的最显著特点，而在具体应用中如何在不同传输码型间进行权衡、选择，则是目前业界关注40Gbit/s技术及其应用的焦点话题之一。

传输码型分类
    根据目前可商用调制码型技术的实现机理，N×40Gbit/s WDM系统的传输码型基本可分为强度调制型和相位调制型两大类。另外，不同的传输码型可结合其它复用/调制方式以提高系统传输容量，如偏振复用（PM）等。
    强度调制型的传输码型主要采用光波强度的变化来表示被调制源信号的变化，接收端一般直接采用光强检测即可解调出原始信号。强度调制型又可根据调制进制、占空比等进一步细分，如根据调制进制可分为二进制和（伪）多进制，根据占空比不同可分为NRZ型和RZ型等。其中，目前WDM设备的彩光接口支持的强度调制型传输码型主要基于NRZ和RZ的伪多进制，包括光双二进制（ODB）/相位整形二进制传输（PSBT）、归零型交替传号翻转（RZ-AMI）等，而白光接口一般采用常规的NRZ码型。
    相位调制型的传输码型主要采用光波相位的（绝对或相对）变化来表示被调制源信号的变化，接收端一般采用相位差分检测或者直接相干接收检测结合数字信号处理即可解调出原始信号。相位调制型又可根据调制进制、占空比等进一步细分，如根据调制进制可分为（差分）相移键控〔（D）PSK〕和（差分）四相相移键控〔（D）QPSK〕，根据占空比不同可分为NRZ型和RZ型等。其中目前WDM设备的彩光接口支持的相位调制型传输码型主要为DPSK、RZ-DQPSK（非相干接收）、DP-QPSK（相干接收，结合PM和数字信号处理）等。

传输码型比较
    N×40Gbit/s WDM系统中除了常规的NRZ之外还出现了多种传输码型，主要源于40Gbit/s光信号进行长距离大容量传输时需要克服与传输速率密切关联的多种传输限制因素所致，也即色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）、非线性效应、光信噪比（OSNR）等。新型传输码型相对于NRZ的主要优势，就是通过新的调制编码技术，提高N×40Gbit/s WDM系统对于（大）部分传输限制因素的克服能力，显著扩大系统的传输距离。因此，对于N×40Gbit/s WDM系统传输码型分析与比较也应从这几个方面进行。考虑到目前设备传输码型的典型实现，在此选择NRZ、ODB/PSBT（ODB和PSBT实现细节有所差异，但整体特性差异不大，可表示为相同类型）、DPSK、RZ-DQPSK（非相干接收）、RZ-AMI和DP-QPSK等码型进行比较，并以NRZ为比较基准。
   首先来看CD的限制。常规NRZ的CD容限在±60ps/nm量级（2dB OSNR代价），这对于40Gbit/s长距离传输的CD补偿精度提出了苛刻的要求。目前的解决办法除了采取单/多路可调的色散补偿方式之外，还可采用色散容限较高的新型传输码型，如光谱宽度较窄的ODB/PSBT和RZ-DQPSK等，或者直接采用相干接收进行电域信号损伤均衡的DP-QPSK等，其中DP-QPSK一般不再需要常规的DCM进行补偿。而对于DPSK码型，CD容限相对于NRZ并没有明显提升，而RZ-AMI则略有下降。
    其次来看PMD的限制。常规NRZ的PMD最大值容限在7.5ps量级(1dBOSNR代价，DGD大于该值的概率为4.2E-5）。若按照目前PMD参数较低的光纤考虑，40Gbit/s系统受限于PMD的传输距离大于600千米，而对于PMD参数较高的光纤而言，40Gbit/s系统受限于PMD的传输距离则小于30千米。对于PMD的限制，除了选择PMD值较低的光纤链路之外，其他解决途径就是选择PMD容限提高的新型码型（如基于多进制相位调制的RZ-DQPSK，以及基于多进制相位调制和相干接收的DP-QPSK等）或者采用PMD补偿器件。相对于NRZ的PMD容限，RZ-DQPSK可提高2至3倍，而DP-QPSK可提高10倍左右，DPSK和RZ-AMI有一定程度提高，但ODB/PS－BT变化不大且略有下降。
    光纤的非线性效应也是影响40Gbit/s高速信号传输距离的重要因素之一。在信号速率较低（如10Gbit/s以及以下）时，非线性效应主要体现为通道内的自相位调制（SPM）和通道间的交叉相位调制（XPM）及四波混频（FWM）等，随着比特速率（如40Gbit/s以及以上）的提高，通道内的非线性效应则主要体现为通道内交叉相位调制（IXPM）和通道内四波混频（IFWM）等效应。除了光纤类型与非线性效应密切相关之外，不同的调制码型对于非线性效应的容限也不尽一致。相对于NRZ的非线性容限，ODB/PSBT、RZ-DQPSK和QPSK的非线性容限变化不大，甚至QPSK的非线性容限还有一定程度的降低，而DPSK和RZ-AMI的非线性容限则一般有2dB左右量级的增加。
    另外一个关键参数就是背靠背OSNR容限，因为在系统代价一定的前提下，OSNR容限很大程度上决定了N×40Gbit/sWDM系统的实际传输距离。相对于NRZ的背靠背OSNR容限，ODB有所降低，这主要由于ODB实现机理所致，信号频域压缩，时域展宽，眼图张开度降低。DPSK由于采用了平衡接收机制，OSNR容限可以提高3dB左右；RZ-DQPSK在采用四相调制、平衡接收机制的同时又采用RZ脉冲编码，综合而言比DPSK略有降低，RZ-AMI和RZ-DQPSK处于类似的量级。QPSK由于采用了相干接收，背靠背OSNR容限比DPSK码型还有一定程度的增加。

传输码型选择
    面对N×40Gbit/s WDM系统众多的调制编码格式，在实际商用中如何选择合适的传输码型成为目前业界关注的焦点问题。实际上，N×40Gbit/s WDM系统调制编码格式具体选择比较复杂，其与整个40Gbit/s系统设计的其他参数密切相关，如FEC增益、系统功率自动控制功能、可调精细色散补偿、接收机动态判决技术、光纤类型等。因此，以下仅在其他设计参数假设一致的前提下讨论N×40Gbit/s WDM系统调制编码选择时应着重考虑的方面。
    第一，传输距离是决定码型选择的关键因素之一。在上述的几种典型码型中，根据码型具体特征，若不考虑50GHz通路间隔的应用需求，NRZ可用于局内、短距和600千米左右的长距，而ODB/PSBT可用于600千米左右的长距，其他几种可用于600千米以上长距。
    第二，通路间隔也是码型选择的主要条件。目前商用的N×10Gbit/s系统通路间隔最小为50GHz，若考虑40Gbit/s系统也支持50GHz通路间隔，根据码型具体特征，那么实际应用时可选择ODB/PSBT、RZ-DQPSK和DP-QPSK等，其他码型在50GHz通路间隔应用时系统代价较大，一般很难满足系统性能要求。
    第三，与10Gbit/s系统的混传也是目前40Gbit/s系统码型选择时需要考虑的问题。实际商用网络中目前已经铺设了大量的N×10Gbit/s网络，40Gbit/s技术具体应用时有可能在原有的10Gbit/s系统上开通，或者是新设计40Gbit/s系统中考虑了10Gbit/s的兼容性。另外，40Gbit/s与10Gbit/s混传时，除了考虑传输距离和通路间隔等共性问题之外，还须考虑两种速率间不同调制格式之间的通道间干扰问题，如目前公开的一些试验和仿真研究表明，在某些特定条件下强度调制对于四相相位调制的信号影响较大。
    第四，综合考虑调制编码格式的成本与性能的平衡。与NRZ相比，ODB/PSBT、RZ-AMI、DPSK、RZ-DQPSK、DP-QPSK等传输码型在实现了某些高性能的同时，实现复杂性（成本）亦在不断增加。这就需要在实际选择传输码型时兼顾成本与性能的平衡问题。另外，考虑到未来的N×100Gbit/s技术，基于偏振复用、多相位调制和相干解调的传输码型具有较强的竞争力。
    因此，在N×40Gbit/sWDM系统应用时，应根据实际的网络传输需求、系统其他参数的设计、实现成本等方面综合考虑，以选择合适的调制编码格式。实际应用时不存在适合任何传输系统的最优传输码型，只存在根据系统传输需求和应用环境合理选择的传输码型。
    结论：目前国外40Gbit/s系统已经得到局部商用，国内运营商也出现了40Gbit/s的路由器接口传送需求。基于解决N×40Gbit/s系统的色度色散、偏振模色散、非线性效应、背靠背OSNR等容限值问题以提高整体传输性能，业界涌现出多种新型的调制编码格式。面对众多特征各异的传输码型，在综合考虑其他系统设计参数的基础上，应主要从传输距离、通路间隔、与10Gbit/s系统的混传、成本与性能的平衡等方面进行综合选择。

来源：中国信息产业网-人民邮电报