100G技术、标准及应用研究(1)

100G技术、标准及应用研究(1)

移动互联网、云计算、物联网等未来潜在高带宽应用驱动超高速光传输技术快速发展。借助于40Gb/s技术发展的经验教训和研究基础，业界最终倾向于100Gb/s选择偏振复用、QPSK调制码型、基于DSP的相干技术等关键技术，结束了40Gb/s时代多国演义局面，在主导技术路线上趋于统一。

1 概述

随着云计算、物联网、新型互联网等未来宽带传送需求的强力驱动，100Gb/s已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近两年国内发展更为迅速。从2011年年底开始，中国电信、中国移动、中国联通三大运营商依次开展并整体上完成了100Gb/s技术首次实验室规模测试验证，其间华为、中兴、烽火、上海贝尔、诺西等公司参与了100Gb/s传输设备的测试，Cisco、Juniper、华为、上海贝尔等参与了路由器设备的测试，中国移动与工信部电信研究院合作更是进行了路由器和传输设备的100Gb/s现网试点测试，这些测试验证为100Gb/s设备在商用前功能、性能、稳定性等评估奠定了坚实基础。从100Gb/s标准化进展来看，国内标准化组织中国通信标准化协会(CCSA)、国际电信联盟(ITU-T)、国际电气电子工程师学会(IEEE)、光互联论坛(OIF)等均得了明显进展。100Gb/s技术和标准最新进展进一步推动了100Gb/s技术步入商用化的进程，如何合理部署100Gb/s 成为业界关注的焦点。本文将在介绍100Gb/s关键技术、设备及应用现状、标准化进展的最新信息基础上，对于未来如何合理部署100Gb/s技术提出相应建议。

2 100G关键技术

和40Gb/s技术类似，除了支持现有通路间隔(如100GHz、50GHz)和尽量提高频谱利用率之外，100Gb/s的关键技术主要体现在调制编码与复用、色度色散容限、偏振模色散容限、OSNR容限、非线性效应容限、FEC等多个方面。

(1)调制编码与复用

从实现方式上来看，100Gb/s的调制格式和复用方式相对40Gb/s而言类型更为丰富，除了基于偏振复用结合多相位调制的调制方式，如偏振复用-(差分)四相相移键控(PDM-(D)QPSK)之外,还包括更多级相位和幅度调制的调制码型，如8 /16相相移键控(8PSK/16PSK)，16/32/64级正交幅度调制(16QAM/32QAM/64QAM)等，以及基于低速子波复用的正交频分复用(OFDM)等。这些编码同时也可以和偏振复用技术结合，组合类型非常丰富。另外，从调制编码的解调来看，目前主要可采用两种方式，直接解调和相干解调，其中相干解调主要采用数字信号处理(DSP)技术来实现，这就显著降低了相干通信中对于激光器特性的要求。

综合目前系统性能要求、相应功能的实现复杂性和性价比等多种因素考虑，目前对于100Gb/s传输商用设备，业界一般选择的长距传输码型为采用相干接收的PDM-(D)QPSK。另外，由于模数转换器(DAC)和DSP芯片等处理技术涉及超高速电路处理技术，多个厂商于2011年后半年才普遍实现基于100Gb/s信号的实时相干接收处理(阿尔卡特-朗讯公司研发实时处理芯片产品提前实现了1~2年)。

(2)色度色散容限

100Gb/s技术的色度色散容限主要依赖于两种途径解决，一是采用多级调制降低波特率，从而等效提高色散容限;二是采用数字(电)域的信号处理进行色散均衡，而40Gb/s技术根据调制码型可以选择多种方式解决(也包含100Gb/s技术采用的方式)，典型的如采用传统色散补偿结合可调色散的方式。传统逐段进行色散补偿的方式在100Gb/s基于DSP进行色散均衡的系统中并不需要，而且在线路中逐段引入色散补偿将对于系统性能造成一定的影响，如图 1所示。

图 1 线路色散补偿对于100Gb/s PMD-QPSK系统性能影响

(3)偏振模色散容限

对于PMD容限，和CD容限提高的解决思路类似，100Gb/s技术主要采用多级调制、或者多级调制结合电域的信号处理进行PMD均衡，如采用 PM-(D)QPSK直接检测，差分群时延(DGD)最大值(@1dB OSNR代价)可达到10ps左右，而采用相干检测时可达到75ps左右。对于采用其他调制格式的，如OFDM、16QAM、32QAM等，则支持的差分群时延值更高(由于波特率或子波速率很低)。考虑到实际光纤网络光纤链路的PMD特性(实际应用系统PMD值一般均小于小于75ps)，100Gb/s信号采用PM-QPSK和相干接收技术以后，采用线路直接进行PMD补偿的必要性已不复存在。

(4)OSNR容限

OSNR容限是100Gb/s技术的另外一关键参数。对于相同的调制格式，100Gb/s相对于40Gb/s的OSNR容限要求要提升4dB左右，这对于系统实际研发而言挑战性很大。目前采用不同调制格式的OSNR容限差异较大，但相同的调制格式另外采用相干接收后可显著提升OSNR容限1～2dB 以上。几种比较典型的码型OSNR容限与频谱效率之间的关系如图 2所示(包括相干接收的相位?余量比较)。另外，具体容限值由于不同文献可能采用不同的参考定义和具体物理实现，其相对值仅有参考意义。

注：1P表示单个偏振态，2P表示偏振复用(双偏振态)。

图 2 100Gb/s 调制码型OSNR容限比较

(5)非线性效应容限

100Gb/s由于采用了多级的相位(幅度)结合偏振复用的调制方式，其非线性效应不但包括主要自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)等效应，同时也包括偏振态变化的非线性效应(光纤双折射效应引起)。另外，由于100Gb/s速率相对于40Gb/s而言，在采用相同调制格式时，比特率和波特率均上升2.5倍，其对于非线性效应的容忍特性与40Gb/s有所差异，如图 3所示。另外，对于不同相邻通路的速率的XPM效应，100Gb/s相对于40Gb/s而言非线性容限要高一些，如图 4所示。

图 3 100Gb/s PDM-QPSK系统的非线性效应

图 4 100Gb/s与40Gb/s基于不同相邻通路的XPM效应比较

(6)FEC

FEC技术引入到高速传输系统后可显著增加系统传输距离，但编码增益与增加FEC开销后所带来的代价两者之间需要平衡，同时FEC技术还需要考虑到现有芯片实现技术的可行性和兼容性等因素。由于具体实现软硬件技术差异、市场竞争需要等多种因素，目前对于100Gb/s技术仅在域间接口规范采用基于 ITU-T G.709的RS(255,239)编码，对于其他更复杂且编码增益更高的编码，目前不同国内外研发机构正在研究，ITU-T和OIF等标准组织也正在进一步地讨论规范化的可能性。