100G技術(shù)進展

　　隨著視頻流的日益增多，以及云計算、社會化媒體和移動數(shù)據(jù)傳輸?shù)募ぴ觯�因特網(wǎng)和專線服務(wù)的帶寬需求以每年30%到50%的速度持續(xù)增長。目前，不管正在開發(fā)還是已經(jīng)部署的100Gbps的長途傳輸系統(tǒng)，都是基于單載波PMD-QPSK調(diào)制格式并采用相干檢測和數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)。這樣在傳統(tǒng)的50GHz光柵上所獲得的頻譜效率（SE）是2bps/Hz，從而系統(tǒng)容量在光纖C段提升到約10Tbps。相關(guān)的100GE客戶端、傳輸層OTU4和其他方面的標(biāo)準(zhǔn)化過程已經(jīng)由國際標(biāo)準(zhǔn)組織完成，以實現(xiàn)端到端的系統(tǒng)連接和互聯(lián)互通。

　　每通道比特率超過100G的光傳輸是支持未來業(yè)務(wù)量增長的有效途徑。圖1顯示了超100G的發(fā)展方向和研究內(nèi)容。這些研究都在積極尋求容量、數(shù)據(jù)速率和光傳輸距離之間的平衡。光時分復(fù)用（OTDM）是增加通道數(shù)據(jù)速率的一種實現(xiàn)方法。最新的試驗已經(jīng)獲得了1.28Tbaud的波特率和640Gbaud的波特率。然而，OTDM受系統(tǒng)穩(wěn)定性和緊湊性的局限，通常只被當(dāng)作一種臨時的實驗技術(shù)用于研究高比特率傳輸時光信號的傳輸性能，因此當(dāng)光電子器件的帶寬允許時，OTDM就被電時分復(fù)用（ETDM）所取代。使用多芯光纖（MCF）或者少模光纖（FMF），并融合多輸入多輸出（MIMO）信號處理的空分復(fù)用（SDM）目前正得到廣泛的研究。理論預(yù)測和近期的進展都表明在特殊的光纖結(jié)構(gòu)和傳輸性能上能夠做到很好的結(jié)果。但除了設(shè)計和制造，在連接、耦合、熔接以及放大器和收發(fā)器的集成方面都面臨很大的挑戰(zhàn)，顯示該項技術(shù)進入商業(yè)應(yīng)用還為時尚早。



　　在未來的幾年里，特別是對于400GE和1TE標(biāo)準(zhǔn)，人們相信所采用的方法不僅必須具有高頻譜效率和高接收靈敏度，而且必須能夠通過現(xiàn)有的技術(shù)和組件進行實施。對此有3個主要的方法結(jié)合PDM和相干檢測來提高通道比特率。如圖1所示，第一個方法是ETDM，利用成熟的電子技術(shù)提高波特率。使用差分相移鍵控（DPSK），高達40Gbaud的波特率已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)進行部署，而使用非歸零碼的100Gbaud的波特率已經(jīng)在實驗系統(tǒng)中展示，在這些系統(tǒng)中他們都使用了直接檢測。目前的100Gbps商用系統(tǒng)或者400Gbps雙載波原型機采用的調(diào)制碼QPSK或16QAM其波特率在30Gbaud左右。采用波特率為56Gbaud的16QAM信號其傳輸距離將會減少很多。

第二種方法是使用更高階的QAM調(diào)制碼格式。他們能夠獲得比PDM-QPSK更高的頻譜效率，但是執(zhí)行代價增大，接收靈敏度要求增高，并且同樣降低了傳輸距離。如圖2所示， 16QAM信號需要的光信噪比（OSNR）比QPSK要高6dB，并且隨星座圖星座點數(shù)目的增加呈指數(shù)增長。在最近的試驗中， BER=1×10-3時的執(zhí)行代價高達8dB，而實現(xiàn)QPSK僅為大約1dB。現(xiàn)網(wǎng)試驗中，在200GHz光柵上有10Gbps的鄰近信道的情形下，512Gbps雙載波16QAM信號在色散補償SSMF上傳輸距離為700km左右。這些結(jié)果表明使用16QAM或64QAM格式來提升頻譜效率非常具有挑戰(zhàn)性。



　　第三種方法是利用多子載波的超級通道技術(shù)，它可以通過高集成度的100/200Gbps通道來克服光電子器件的速度和帶寬的限制。到目前為止，一個使用PDM-QPSK格式的超級通道采用拉曼放大和特殊光纖能夠?qū)崿F(xiàn)7000km的傳輸，證明QPSK信號在頻譜效率和傳輸距離之間能夠取得良好的平衡。人們注意到，與單載波的情況相反，每通道使用多子載波要求在光節(jié)點中使用靈活間距的光柵而非固定間距的光柵。在不同的多載波技術(shù)中，無防護間隔相干光正交頻分復(fù)用 （NGI-CO-OFDM）和奈奎斯特波分復(fù)用 （Nyquist WDM）技術(shù)有望達到較高的頻譜效率同時也不會大幅減少傳輸距離。NGI-CO-OFDM技術(shù)的基本原理是子載波間隔正好等于頻率域中的波特率，而在 Nyquist WDM中，子載波經(jīng)過光譜整形從而接近或等于無碼間干擾傳輸?shù)腘yquist極限。由于在NGI-CO-OFDM中相鄰子載波相互正交，信號經(jīng)光檢測后仍保持獨立。但探測這種信號時需要將所有的子信號都進行探測，因而對模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、光電探測器等器件帶寬有很高的要求。對于Nyquist WDM，需要通過光域或電域的特定濾波器進行信號整形。人們已經(jīng)在理論上和試驗中對Nyquist-WDM 和NGI-CO-OFDM進行了對比研究。研究結(jié)果表明，Nyquist WDM在載波間干擾（ICI）容限和實施性約束方面更穩(wěn)健更實用。

　100G現(xiàn)網(wǎng)試驗進展

　　許多實驗室的試驗足以進行概念上的驗證，但現(xiàn)網(wǎng)試驗對系統(tǒng)提出更嚴(yán)峻和更現(xiàn)實的要求并且更接近于實際實施。例如，色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）會因為鋪設(shè)光纜由于溫度等環(huán)境的改變而發(fā)生變動，一些其他的未知因素同樣對接收端的盲均衡性能有所影響。同時，運營商需要對不同的技術(shù)進行驗證和評價，從而更好地了解這些技術(shù)在實際光纖網(wǎng)絡(luò)中在系統(tǒng)層面的可行性，這能夠幫助運營商對實現(xiàn)的方案進行充分的了解。在過去的3年里，已經(jīng)有幾個現(xiàn)網(wǎng)試驗驗證了100G和超100G光傳輸性能。2010年AT&T測試了100G信號在帶有色散補償模塊（DCM）的光線路中傳輸1800km。隨后其在2012年演示了商用100G在無色散補償?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)中傳輸3760km，每端跨度為80km。Verizon完成了第一個使用100GE路由器卡和100GBASE-LR4 CFP界面端到端本地IP數(shù)據(jù)的100G單載波相干檢測傳輸1520km的試驗。Verizon還將112Gbps、450Gbps和1.15Tbps混合速率信號在頻譜效率為3.3bps/Hz的情況下進行了信號的長距離傳輸。在另外一個試驗里采用8QAM和QPSK調(diào)制格式實現(xiàn)21.7Tbps 信號的現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗。德國電信（DT）進行了兩個獨立的現(xiàn)網(wǎng)試驗，分別是253Gbps通道基于電OFDM在標(biāo)準(zhǔn)單模（SSMF）中傳輸764km和512Gbps通道基于16QAM格式傳輸734km。同時，英國電信（BT）展示了首個靈活柵格的現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗，傳輸距離為600多公里。

　　德國電信實現(xiàn)100G和超100G的試驗傳輸

　　我們在德國電信光網(wǎng)絡(luò)進行了兩個試驗�，F(xiàn)網(wǎng)試驗是在Darmstadt和Nuremberg之間德國電信中現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652 SSMF）鏈路上進行的。為了研究不同技術(shù)的長途傳輸能力，另外使用了實驗室SSMF來延伸光傳輸距離。我們主要進行了多波特率（25Gbaud，28Gbaud， 54.2Gbaud）和混合線速率（120Gbps， 216.8Gbps，448Gbps，1.3Tbps）情況下信號在不同傳輸距離上的傳輸特性試驗。其中120Gbps信號使用PDM-QPSK調(diào)制碼和實時相干檢測并具備軟判決的前向糾錯碼（SD-FEC）能力，而448Gbps和1.3Tbps超級通道每子載波使用PDM-QPSK調(diào)制碼格式，但使用Nyquist-WDM技術(shù)來實施。8×216.8Gbps信號在50GHz光柵上使用54.2Gbaud PDM載波抑制歸零碼（CSRZ）-QPSK調(diào)制碼格式。接收端引進電數(shù)字后置濾波器將二進制信號轉(zhuǎn)變成雙二進制信號來抑制噪音以及信道之間的串?dāng)_，并使得1比特存儲長度的最大自然序列估計（MLSE）數(shù)字信號處理技術(shù)提高性能。

　　第一個是216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信號在50GHz間距里的波分復(fù)用信號長距離傳輸。如圖3所示，德國電信光網(wǎng)絡(luò)中的傳輸鏈路包含從Darmstadt（DA）到Nurnberg（Nu）之間的8個節(jié)點，均使用標(biāo)準(zhǔn)G.652光纖。最高和最低的跨段損失分別為20dB和24.1dB。為了延長傳輸距離，在Stuttgart（ST）加入了額外的8×100km 的G. 652光纖跨段，從而獲得了1750km的總傳輸距離。使用了商用的增益平坦的線內(nèi)摻鉺光纖放大器（EDFA）來補償光纖跨段損失，但在鏈路中沒有其他的增益均衡器。所有22個光纖跨段的平均損失為21.6dB。安裝有發(fā)送器和接收器的測試中心位于Darmstadt 的德國電信研發(fā)中心。試驗中在1750km現(xiàn)網(wǎng)和實驗室G.652 光纖上傳輸了8×216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信號，在接收端采用離線處理和高性能的數(shù)字信號處理的相干接收。經(jīng)過1750km傳輸后所有通道的誤碼率都小于FEC的閾值。



　第二個試驗是100G、400G和1T的混合傳輸。400G超級通道是經(jīng)由4個獨立的112Gbps的PDM-QPSK信號經(jīng)過強濾波后復(fù)用而成，復(fù)用后的頻譜效率達到4bps/Hz。13個子載波的1T信號則是采用光的OFDM方法產(chǎn)生的，共有13個子信道，每個子信道占據(jù)25GHz的帶寬，總的信號占據(jù)325GHz（13×25 = 325）的帶寬。在接收機端采用先進數(shù)字信號處理技術(shù)來恢復(fù)信號。在這個現(xiàn)網(wǎng)試驗中使用的100G線卡是商用實時相干100G傳輸機�？偟木�速率是120Gbps，有15% 的SD-FEC開銷，采用Turbo乘積碼（TPC）的編碼技術(shù)，有11.1 dB的凈編碼增益。



　　圖4是兩個100G、1個400G和1個1T的混合信號傳輸1750km后的光譜。所有信號的誤碼率都小于2×10-3。100G信號經(jīng)過2450km的傳輸后的誤碼率為1.1×10-3， 顯示還有較大冗余度，而且在客戶端經(jīng)過SD-FEC解碼后也證實了無誤碼傳輸。

　　我們在德國電信現(xiàn)網(wǎng)成功展示了100G以及超100G的試驗傳輸。第一個現(xiàn)網(wǎng)試驗是8×216.8Gbps DWDM PDM-CSRZ-QPSK信號達到創(chuàng)紀(jì)錄的頻譜效率：4bps/Hz，傳輸距離超過22個SSMF跨度，總距離為1750km。這個現(xiàn)網(wǎng)試驗表明利用偏振復(fù)用的QPSK調(diào)制碼技術(shù)在相同的50GHz光柵上能夠翻倍提高波特率和通信容量并可實現(xiàn)超長距離的傳輸。第二個現(xiàn)網(wǎng)實驗是混合傳輸試驗。在混合傳輸試驗中，448Gbps通道使用了Nyquist-WDM技術(shù)，并在每一個子載波中利用PDM-QPSK進行調(diào)制，實現(xiàn)了4bps/Hz的凈頻譜效率。多波長子載波產(chǎn)生技術(shù)被用來產(chǎn)生1.3Tbps的超級通道，該通道占據(jù)325GHz的光學(xué)帶寬。這兩個超級通道和兩個帶有SD-FEC的100G商用的利用偏振復(fù)用的QPSK信號成功地在1750km光鏈路上實現(xiàn)了傳輸，對于僅放大EDFA的pre-SD-FEC門限則超過2150km。在超100G的通道中，引進后置數(shù)字濾波器和簡化的MLSE算法來減輕由于強光譜整形引起的噪聲和串?dāng)_增加。就現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中部署的100G轉(zhuǎn)發(fā)器而論，在經(jīng)2450km現(xiàn)網(wǎng)光纖傳輸后，相對于pre-SD-FECBER門限存在較大的BER余量。這些現(xiàn)網(wǎng)實驗證明了使用SD-FEC的100G技術(shù)是可以進行超長傳輸?shù)�，并且利用特定的信號處理的Nyquist WDM是一個實際可實施的技術(shù)，非常有希望在長距離傳輸中增加超100G的通道容量。

作者：余建軍（中興通訊）