让100G波分传得更远的秘密

1/8/2013,随着宽带业务的持续发展，承载网骨干层面临着越来越大的带宽压力。同时，路由器100GE端口需求开始出现，10G/40G传送承载网已经不能满足超宽带和100GE端口的需求，在骨干层实现100G传输将已经是网络建设的主流。

　　波分系统，单波速率从2.5G到10G，从10G到40G，一直面临着一系列的物理限制。线路速率再次提升到100G，这些物理限制因素仍然存在，并且产生的传输损伤也更为严重。这些因素直接限制了100G系统的传输距离。而100G技术的发展，主要是不断地克服这些因素的影响让信号传得更远的过程。

　　影响100G传输的几个因素

　　1、要求更高的系统OSNR

　　波分传输系统采用光放大器来克服光纤损耗，延长无电中继传输距离，光放大器在对光信号进行功率放大的同时也引入了噪声信号，另一方面，在波特率提升时，光接收机的带宽也需要随之而线性增加，而更宽的接收机带宽将使得更高功率的噪声进入接收机的判决电路，从而会造成误码率的增加，这样就必须要求OSNR容限提升。

　　2、要求更高的色散容限

　　光信号在光纤中的色散效应来自调制光信号的光谱中的不同频率成分在光纤中的传输速度不同，从而导致承载业务信号的一串光脉冲发生畸变，导致相邻光脉冲之间的码间干扰，从而产生误码。传输光信号的色散容限与光信号的光谱宽度成反比，同时和光信号的时域宽度（脉冲周期）成正比。对于100G信号，由于其光信号的波特率提升，其光谱宽度会相应提升，其时域波形周期也会随之降低，如果100G同样采用传统的OOK/ASK调制方法（二进制振幅键控），则其色散容限将非常小，现有的DCM补偿方式已经完全不能满足要求。对于100G传输，色散容限问题已经成为严重的问题，而传统的光学色散补偿的方法已经不能克服色散容限降低带来的危害，必须采用更新的补偿措施，才能使100G传输成为可能。

　　3、要求更高的PMD容限

　　同色度色散（CD）一样，偏振模色散（PMD）也同样限制着高速波分系统的传输能力。偏振模色散（PMD）是指对相同频率的光，只要其偏振模式不同，光纤也会导致其传播速度不同，偏振模色散会导致光纤传输系统的码间干扰（ISI），进而引起误码和系统代价。

　　如果100G同样采用传统的OOK/ASK调制方法（二进制振幅键控），其PMD容限不足1ps，无法达到工程预算要求。在100G传输系统中，PMD容限也被认为是一个非常严重的问题，常规的强度调制-直接检测（IM-DD）码型调制及接收方式无法满足系统设计要求，在技术上必须寻找新的解决方案。

　　4、光纤非线性效应增强

　　光纤非线性效应的强弱与入纤光功率、光信号的光谱宽度、调制码型特性、光纤色散系数以及跨段数目均有关系，光信号的调制速率越高，对光纤非线性效应的忍耐程度越低。而一些特殊的码型调制技术技术，如相位调制、RZ码型调制等，有利于增强传输码型对光纤非线性效应的抵抗能力。100G传输系统，如果要克服由于调制速率提升而带来的更差的非线性忍耐度，就必须从调制技术上寻找新突破。

　　如何才能让100G传得更远

　　1、采用偏振复用正交四进制相位调制（PDM QPSK），降低光信号的波特率

　　光信号的光谱带宽是由波特率决定的，波特率越大，光信号的光谱就越宽，两者之间呈现出线性关系。光信号的光谱不能大于WDM信道之间的频率间隔，否则各个WDM信道的光谱会相互交叠，导致各个WDM信道所承载的业务码流之间发生干扰，从而产生误码和系统代价。当波特率提高到100Gbaud/s时，普通调制码型的光谱宽度已经超过50GHz，更加无法实现50GHz间隔传输。

　　在100G系统中，为了能同样达到50GHZ间隔传输，就必须采用偏振复用技术，使得一个光信道内部存在多个二进制信道，在保持线路比特率不变的基础上降低传输的波特率。

　　100G PDM QPSK调制的本质是通过在光场相位上选取4个可能的取值，使得在不降低线路速率的基础上，将光信号的波特率降低一半。这种复用方式可以将光信号的光谱带宽降低一半，同时又提出了“偏振复用（PDM）”的方案，将100G数据首先通过复用到光波长的两个偏振态上，进一步将传输光信号的波特率再降低一半。


                 图1 PDM QPSK调制模型

　　与传统得二进制调制不同， PDM QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合得方式将传输符号的波特率降低为二进制调制的四分之一，即100G传输中，采用PDM QPSK技术之后，实际线路上的波特率仍然是25G速率。

　　偏振复用也有可能带来一些问题，由于在两个偏振上分别独立加载了业务信息，在光纤传输过程中，不同偏振上的光信号会互相耦合，并在光纤PMD效应作用下产生误码。因此采用偏振复用，一个首先要克服的障碍是要在接收端进行偏振分离，并解决PMD代价的问题。这就需要通过相干接收和数字信号处理来实现的。

　　2、相干接收技术与光数字处理技术（oDSP）

　　PDM QPSK的调制方式主要是降低100G传输中光信号的波特率，降低100G传输码型的谱宽，使之能实现50GHZ间隔传输，并部分解决了100G传输的OSNR要求过高问题，但100G系统的色散容限过小和PMD容限过小的问题依然存在，这对长距离100G传输尤其不利。

　　色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入的线性调制或畸变，如果能探测出光信号的电场，则可以采用线性补偿的方法，在光场上抵消色度色散和PMD效应，这就是光学DSP处理的核心。

　　在100G PDM QPSK传输中，主要就是利用光数字信号处理技术（ODSP）在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（CD、PMD）补偿，即通过数字化算法，在电域进行色度色散补偿以及偏振态色散补偿，以此减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。

                 图2 相干接收机与DSP结构图

　　采用这种基于电域的oDSP技术，在100G系统上可实现高达60000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限。在做波分设计时，传输线路上将不再放置DCM模块，PMD效应也不再成为限制系统传输距离的因素，使得100G系统具备长距离传输的能力。

　　3、100G 软判决SD/硬判决HD技术

　　随着线路速率的不断提升，前向纠错（FEC）技术也经历了三代的发展，第一代FEC采用以RS（255, 239）为代表的代数码技术，采用7％的开销，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。随着后期的10G及目前40G系统的广泛应用，产生了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生，第二代FEC采用级联编码技术。

　　在100G相干电处理技术的产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，目前又引进了基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术。软硬判决的区别在于其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位，其判决非“0”即“1”，没有回旋余地。软判决则采用多个比特位对信号进行量化，采用“00”、“01”、”10“、”11“判决，通过Viterbi等估计算法提高判决的准确率，软判决也让FEC的净编码增益达到11.5dB左右，大大提升了100G系统的传输能力。

　　目前，100G系统中，硬判决和软判决两种技术各有各自的特点，适用于不用距离的不同应用场景。

　　华为100G第二代软判实现4000公里传送

　　华为创新性地结合PDM QPSK调制技术、oDSP技术以及首发的第二代软判决技术，实现100G超长距4000公里的无电中继传送，一举解决100G传送最大的技术难题。截至2012年底，华为已经帮助全球超过50家运营商部署100G网络，引领100G走向规模部署。 
来源:C114