100Gbit/s光传送技术的发展

作者：工业和信息化部电信研究院通信标准研究所 张海懿  
    从40Gbit/s高速传输技术的发展历程来看，单通道40Gbit/s技术在1995～1996年左右出现，40Gbit/sWDM技术在2001年左右创造了传输容量10Tbit/s量级的新记录，随后陷入低谷。40Gbit/s技术在2004～2006年左右又开始升温，并出现局部试商用，同时路由器逐渐出现40Gbit/sPOS接口，40Gbit/sWDM技术在2007～2008年的发展非常活跃，出现多种调制编码，多厂家支持40Gbit/s WDM设备，国内外对于40Gbit/s WDM系统的应用也日益增多，业务需求日益明显，预计在明年会有更多的40Gbit/s WDM系统的应用出现。伴随着业务量的增长，40GE和100GE的逐步标准化，从2004年左右，100Gbit/s的技术逐步开始出现，并受到了广泛的关注，以下将从标准和技术应用等角度对于100Gbit/s高速传输技术的发展进行分析。

    100Gbit/s相关标准化工作
    100Gbit/s的标准化工作在多个标准组织同时进行，包括IEEE、ITU-T和OIF等，他们各自所关心的问题又有所不同。
    1.IEEE
    IEEE802.3ba是IEEE关于40Gbit/s和100Gbit/s以太网的专门研究组，他们的目标是为40Gbit/s和100Gbit/s的以太网增加更高速率的PHY选项，有许多串行和并行的选项，包括与ITU-T的传输速率匹配等问题都会在这里进行讨论，这个项目计划2010年6月完成，如图1所示。今年会议上对于100G有关项目达成的共识是为OTN的后续发展提供必要的支持，主要在于传输速率和ODU容器容量的选择，以便OTN能够很好地满足100GE的承载需求，要支持MAC数据速率为100Gbit/s，同时提供支持100Gbit/s运行的物理层规范，主要的结果如下：
       
                  图1  IEEE高速以太网项目的标准化时间表

    100GE的编码速率为103.125Gbit/s±100ppm，以下传输需求需要满足：
    （1）铜缆上至少传输10m～10×10Gbit/s(基于10GBASE-KR)
    （2）多模光纤上至少传输100m～10×10Gbit/s在每个方向的10根光纤上
    （3）单模光纤上至少传输10km～4×25Gbit/s～1.3DWDM(800GHz间隔)
    （4）单模光纤上至少传输40km～4×25Gbit/s～1.3DWDM(800GHz间隔)
    IEEE会进一步研究相关的100GE接口传输问题，对于在多模光纤上是否需要传输更长的距离也在进一步讨论中，同时希望ITU-T定义合适的容器来承载100GE以太网信号。
    2.ITU-T
    ITU-TSG15是在光传送领域有较大影响力的国际标准化组织，目前它在进行物理层传输和OTN等多方面的标准化工作，与100Gbit/s有关的问题集中在ODU4/OTU4速率的定义方面，由于OTN技术和标准的发展超前与以太网技术，在当时的标准当中没有充分考虑对于GE、10GE等以太网业务的适配和承载，采用了一些超频的方式来解决问题，随着40GE和100GE标准化的进行，OTN的高阶容器的速率定义与以太网业务的速率兼容，能够更好满足传送需求，对于OTU4的比特速率有3种建议，分别是111.8Gbit/s、112.8Gbit/s和111.6Gbit/s，主要的需求体现在采用一个速率能足以承载所有已知的客户信号并且能够使用合理的复用器达到标准的SDH时钟，同时也希望在可能的情况下尽可能选择112Gbit/s以下的速率，因此OTU4的速率选择为111.809973Gbit/s(=255/227×2.488320Gbit/s×40)。经过讨论，同意OTU4的速率必须要使用FEC，并开展了相关的研究，同时根据IEEE的传输需求，同意开展研究4×28Gbit/sDWDM配置下通路间隔为800GHz的应用代码来支持OTU4应用传输10km和40km的需求。
    3．OIF
    OIF主要定义电接口标准。OIF在10Gbit/s、25Gbit/s等速率上提供了相关电接口规范，可以用于IEEE相关高速以太网传输，同时，OIF于2008年9月左右开始研究100Gbit/s长距离DWDM传输项目，该项目遵从ITU-T定义的112Gbit/s传输速率，采用DP-QPSK和相关接收机结合的技术来开展100Gbit/s长距离传输的研究，主要分为两个阶段：第一阶段是定义框架，会进行功能方面的分解，同时伴随接口定义等；第二阶段是针对某些特定的方面进行研究。目前已经定义了3个方面，分别是光子集成、FEC和模块的电子工艺等方面，这3个方面都会围绕选定的DP-QPSK调制方式开展。
    综合以上来看，IEEE主要定义高速以太网的相关规范，也就是100Gbit/s的客户信号的相关要求，包括速率等方面会对传输标准产生影响；OIF规范相关的电接口，对于IEEE采用何种电接口的方式进行内部传送有较大影响，同时它也开展了针对DP-QPSK码型的100Gbit/s长距传输研究；而ITU-T作为传送领域一直以来较为强势的标准组织，它定义了OTU4的速率，保证了未来100GE作为客户信号映射进OTN的兼容性，同时开展了相关光波分传输接口和FEC等方面的研究工作，但是从某种角度来说，它也受到OIF开展的相关长距离传输标准研究的挑战。可以预见，这几个标准组织关于100Gbit/s的标准化工作都会互相促进，在合作和竞争的环境下更快地推进。

    40Gbit/s和100Gbit/s的应用需求
    40Gbit/sDWDM系统的大规模商用的推动力是由于IP业务的迅猛增长，路由器上高速40Gbit/sPOS接口的出现，从总体来看，40Gbit/s的需求在未来的1～2年会逐步扩大，目前几乎所有的传输设备制造厂商都已经有了相关产品，针对不同传输距离和不同波长数的应用，有多种码型的系统可以提供使用。
    针对100Gbit/s的传输需求来看，主要还是未来可能出现的100GE或者相应的POS接口的出现，100GE的标准化还在进行当中，预计2010年能够正式成为标准。但是很多设备制造商已经从5年甚至更早以前开始，最近两年全球各大运营商也对此表现出极大的兴趣，近期相关会议报道的100Gbit/s波分复用系统试验如表2所示。同时Verizon在2007年采用阿尔卡特朗讯的设备进行了504km的传输试验，2008年采用诺基亚西门子的设备进行了1040km的长途现场传输试验。北电也在国际会议上报道采用统一平台，同时传输10Gbit/s、40Gbit/s和100Gbit/s的信号，通道间隔为50GHz，并达到100km以上的传输距离。国内设备制造商华为也在2008年宣称研制出100Gbit/s波分样机，适合长距离传输，可实现长达2000km的无电中继传输。

                       表2  近两年会议报道的100Gbit/s波分复用系统试验
                 

    目前国内运营商已经开始了40Gbit/sDWDM系统的试验和商用，对于100Gbit/s的长距离传输也保持了非常大的兴趣和关注，但是可以相信100Gbit/s的传输需求还会在今后的2～3年中逐步发展，这期间不会对40Gbit/s的传输造成替代性的威胁。
    从40Gbit/s向100Gbit/s平滑过渡的问题，从技术上来说，100Gbit/s传输所面临的物理传输限制更加严峻，无论是色度色散、偏振模色散、非线性效应、背靠背OSNR容限等都更加难以达到，与40Gbit/s采用多种多样的码型相比，100Gbit/s大家更为关注偏振复用、相干接收、多相位调制和OFDM等技术以克服物理传输的限制。因此简单地讨论40Gbit/s和100Gbit/s的平滑过渡是不现实的，必须在系统的设计和研发初期就考虑到演进的需求，同时在技术的采用方面进行统一的考虑，才可能在商用阶段真正达到平滑过渡，这也是运营商在网络初期应用中比较希望能够提供的功能，同时40Gbit/s和100Gbit/s系统的兼容也能够部分地减少40Gbit/s生命周期对于40Gbit/s波分系统应用在业界的影响
    随着40Gbit/sDWDM系统的商用，100GE以太网等的规范和对于业务的预测，也催生了业界对于100Gbit/s传输需求的关注，ITU-T、IEEE和OIF等标准组织都开展了100GE或者100Gbit/s传送等方面的标准和研究工作，设备制造商和运营商也对于100Gbit/s技术的研究和应用给予了较高的热情，近两年开展了各种试验，证明100Gbit/s传输成为现实的可能性，相信随着技术和标准的不断发展，特别是业务网络传输需求的扩展，100Gbit/s技术将在今后的2～3年内逐步发展起来。

    注：本文得到国家863项目“面向业务的新型全光网络结构与关键技术研究”（编号：2006AA01Z250）和国家自然科学基金项目“面向下一代互联网的光传送网系统测量与分析”（编号：90604031）的资助。

来源：通信世界周刊