100G光纖傳輸關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

徐震

摘要:100G傳輸技術(shù)被公認(rèn)為是下一代骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù),近幾年來掀起世界范圍內(nèi)的研究、測試熱潮。但在正式商用化之前,還面臨著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn),其依然是一個正在發(fā)展中的技術(shù)。本文通過總結(jié)、分析,簡要介紹了100G傳輸關(guān)鍵技術(shù)目前的發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞:100G碼型調(diào)制接口封裝映射光電器件

中圖分類號:TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0035-02

近年來,隨著固定寬帶和移動寬帶的高速發(fā)展,人們對帶寬的需求越來越大,相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測的結(jié)果是:未來幾年我國干線網(wǎng)絡(luò)流量年增長率將達(dá)到60%～70%,5年后干線網(wǎng)絡(luò)帶寬要求將是目前的10～15倍,骨干傳輸網(wǎng)總帶寬將從現(xiàn)在的64Tb/s增加到120～155Tb/s,甚至達(dá)到200Tb/s,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)正面臨著越來越大的帶寬壓力。為解決這一矛盾,同時也為兼顧經(jīng)濟(jì)性,網(wǎng)絡(luò)平滑升級至40Gbps/100Gbps是最佳的方式。2008年,基于40Gbps速率的WDM系統(tǒng),已經(jīng)開始規(guī)模化商用,由于發(fā)展迅速,40G容量已經(jīng)難以滿足需求,眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和設(shè)備制造商紛紛將目光投向了100GbpsWDM系統(tǒng)。

1關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

100G傳輸需要解決四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),分別是:碼型調(diào)制技術(shù)、接口技術(shù)、封裝映射技術(shù)以及關(guān)鍵光電器件技術(shù)[1]。2010年6月17日,IEEE正式批準(zhǔn)了IEEE802.3ba40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),定義了物理編碼子層(PCS)、媒體介入控制層(MAC)、物理介質(zhì)介入子層(PMA)、物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD)、轉(zhuǎn)發(fā)錯誤糾正(FEC),各模塊及連接線口總線以及片間總線、片內(nèi)總線。其中40G主要面向數(shù)據(jù)中心,100G主要用于網(wǎng)絡(luò)匯聚和骨干網(wǎng)。與此同時多個光通信標(biāo)準(zhǔn)組織也在積極制定相關(guān)規(guī)范,目前除100GE接口技術(shù)、100GE封裝映射技術(shù)已經(jīng)由IEEE、ITU、OIF制定了相關(guān)規(guī)范,技術(shù)趨于成熟,其余部分還有待完善。

1.1 碼型調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前100G線路傳輸技術(shù)主要由兩種方案:多波束傳輸方案和單波束傳輸方案[2]。

多波束傳輸方案,是指將100G信號反向復(fù)用為多波長的10Gbps/40GbpsOTU2/OTU3信號。該方案的優(yōu)點(diǎn)是在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn),無需對現(xiàn)存的10G/40GDWDM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改動(碼型仍然使用ODB/DRZ/ERZ-DQPSK),且可以使用現(xiàn)有的光電器件傳輸,不會對現(xiàn)有的10G/40G信號產(chǎn)生影響;但是在波長利用率、波長管理、波間時延方面還存在問題,故此方案只用于過渡期,不能成為最終方案。

單波束傳輸方案可以使得業(yè)務(wù)和波長一一對應(yīng),這樣可以簡化網(wǎng)絡(luò)管理。隨著各型器件的不斷發(fā)展以及運(yùn)營商成本不斷降低,這一方案將會成為發(fā)展的主要方向,因此目前討論的100G傳輸多指100G單波束傳輸。

隨著100G信號傳輸時比特速率的增加和傳輸距離的延長,波分長距離傳輸系統(tǒng)面臨一系列物理限制因素的挑戰(zhàn),主要包括[3]以下幾點(diǎn)。

(1)OSNR要求增高。

(2)色散容限降低。

(3)非線性效益增強(qiáng)。

(4)PDM效益的增加等。

為避免這些物理效應(yīng)的危害,通常需要使用更加高級的碼型調(diào)制技術(shù),主要包括以下措施。

(1)采用相位調(diào)制格式。二進(jìn)制差分相位調(diào)制(DPSK)相較于二進(jìn)制啟閉鍵控(OOK)在OSNR方面需求可以降低3d,另外由于相移鍵控調(diào)制(PSK)是一種恒包絡(luò)調(diào)制,有利于降低比特圖形的非線性效應(yīng),因而在40G傳輸中廣泛使用PSK調(diào)制。

(2)采用多進(jìn)制調(diào)制。在40G傳輸中,使用正交四位調(diào)制(QPSK)可以滿足在40Gbps比特率不變的條件下將波特率降低,有效降低光譜帶寬,以支持50GHz間隔的WDM傳輸,此時PDM容量增加到6ps～8ps,這樣就滿足了長距離傳輸?shù)男枨蟆?/p>

(3)采用RZ技術(shù)。相較于NRZ-OOK技術(shù),RZ碼型可以降低系統(tǒng)的OSNR要求、增強(qiáng)了抵抗非線性效應(yīng)的能力、增強(qiáng)了抵抗PDM效應(yīng),另外,帶啁啾的RZ碼型可以補(bǔ)償非線性效應(yīng)產(chǎn)生的相位畸變,因此啁啾歸零碼差分正交四相位調(diào)制碼型(CRZ-DQPSK)成為了40G系統(tǒng)中最主要的碼型。

(4)采用偏振復(fù)用(PDM)方案。由于100G系統(tǒng)比特率至少高達(dá)112Gbps,若直接使用QPSK調(diào)制,對光電器件的工藝提出了很高的要求,而采用PDM方案,則可以利用光的兩個獨(dú)立偏振態(tài)各自承載56Gbps業(yè)務(wù)信息,系統(tǒng)的波特率將降低到28Gbps,這樣現(xiàn)有40G系統(tǒng)的光電器件就能用于100G系統(tǒng),有利于降低功耗和成本。

(5)采用光相干檢測接收和DSP技術(shù)。光相干檢測技術(shù)可探測并同時獲知光場的偏振、幅度和相位信息,在了解這些信息后,可以調(diào)用數(shù)字信號處理(DSP)的方法消除色散和PMD導(dǎo)致的畸變和干擾,以此恢復(fù)碼元信息的純凈度。

PDM-QPSK技術(shù)在成熟度和復(fù)雜度之間取得了最佳平衡,且可以很好的支持相干接收和DSP技術(shù),三者相互配合,已成為100G傳輸?shù)淖钪髁鞯呐渲梅桨浮?/p>

(6)采用FEC技術(shù)。在100G系統(tǒng)中,使用了第三代前向糾錯技術(shù)(FEC),這一代FEC技術(shù)普遍采用低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)、Turbo乘積碼(TPC碼),可以提供11db的凈編碼增益,可以降低OSNR的要求。此技術(shù)在IEEE802.3ba40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中已做定義。

100G系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,需要將以上多種技術(shù)進(jìn)行融合,以能保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。其中涉及到的多種新型光/電器件,如高速成幀器、Mux/Demux、CDR、28Gbps高速雙偏振QPSK調(diào)制器、雙偏振相干接收裝置、56GS/s高速ADC以及DSP芯片/均衡算法、40nm工藝的ASIC等,這些都在被逐漸攻克,產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟。

1.2 接口技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在技術(shù)規(guī)范的制定過程中,幾個光通信標(biāo)準(zhǔn)組織側(cè)重點(diǎn)各不相同:IEEE主要制定客戶端的網(wǎng)絡(luò)接口和以太網(wǎng)相關(guān)映射標(biāo)準(zhǔn),包括10×10G、4×25G兩種接口;ITU-T主要制定運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)注,包括制定ODU4/OTU4的規(guī)范,以及40GE/100GE映射到OTN以及DWDM幀結(jié)構(gòu)的方式;OIF則主要制定電接口標(biāo)準(zhǔn)[4]。

物理接口的可靠性和監(jiān)控、保護(hù)是100GE接口技術(shù)主要解決的問題。其關(guān)鍵技術(shù)主要包含物理層通道(PHY)匯聚技術(shù)、多光纖通道及波分復(fù)用(WDM)技術(shù)[5]。接口支持全雙工操作,保留了802.3MAC以太網(wǎng)幀格式,定義了多種物理介質(zhì)接口規(guī)范,具體如下[6]。

(1)100m并行多模光纖接口。

10×10GE短距離互聯(lián)MMFLAN接口,采用并行的10根光纖(10.3125Gbps/s通道)或者10個C/DWDM傳輸(40G使用4根光纖),使用輪詢機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)分配獲得100G/40G速率,但是相關(guān)器件存在著封裝密度大和功耗控制問題需要解決。

(2)10km單模光纖接口。

4×25GE中短距離互聯(lián)SMFLAN接口,采用4波WDM方式在同一根光纖上傳輸。此接口設(shè)計(jì)的物理層技術(shù)與現(xiàn)有的器件和模塊不兼容,25Gbit/s串行并行轉(zhuǎn)換電路(SERDES)技術(shù)和非制冷激光器件的技術(shù)需要突破,另外還要開發(fā)合適的編碼調(diào)制技術(shù)和封裝技術(shù)(由CFP多源協(xié)議(MSA)進(jìn)行規(guī)定)。

(3)10m銅線銅纜接口和1m系統(tǒng)背板連接接口。

此接口主要用于電接口的短距離互聯(lián)和內(nèi)部互聯(lián),其中1m背板連接接口目前在100GE系統(tǒng)上尚無定義。

(4)40km傳輸用接口。

銅纜介質(zhì)有關(guān)接口(MDI)采用SFF-8436和SFF-8462的標(biāo)準(zhǔn)定義。

標(biāo)準(zhǔn)明確定義了通過虛擬通道的方法解決適配不同物理通道或者光波長的問題,物理層編碼采用64B/66B。標(biāo)準(zhǔn)還定義了MAC、PHY間的片間總線使用XLAUI(40Gbit/s)、CAUI(100Gbit/s),片內(nèi)總線使用XLGMII(40Gbit/s)、CGMII(100Gbit/s)。

雖然標(biāo)準(zhǔn)給出了100Gbit/s接口的定義,但是目前還面臨很多問題,上文中雖然已對其中的部分做了闡述,但接口對應(yīng)的相關(guān)芯片方面還存在以下問題。

(1)雖然在MAC層沒有障礙,但是在專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)制造出來前,PMA業(yè)務(wù)接口、電接口規(guī)范要求的每個通道工作在10.3125Gbit/s的速率實(shí)現(xiàn)起來卻有問題,這是因?yàn)槟壳爸挥猩贁?shù)公司有實(shí)力可以使初期使用的基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)的MAC支持到10.3125Gbit/s。在之前的實(shí)驗(yàn)評估階段,是通過8/20個5.15625Gbit/s通道轉(zhuǎn)換到4/10個10.3125Gbit/s通道的過渡方法來解決的。

(2)接口配套的包處理器。

這方面目前還沒有一個通用的方案,尚處于評估階段。主要的問題是面對串行高速總線接口高帶寬、接口轉(zhuǎn)換導(dǎo)致和多片的堆砌時,單芯片面積和功耗都難以控制。

(3)分組交換系統(tǒng)(交換網(wǎng)和交換網(wǎng)接口芯片、流量管理芯片)。

新線卡背板接口帶寬最大200Gbit/s、背板SERDES總線速率需支持到10.3125Gbit/s,這對設(shè)計(jì)、工藝、材料、總線長度都有苛刻要求;此外還需要滿足虛擬隊(duì)列(VoQ)、層次化服務(wù)質(zhì)量(HQoS)等管理特性,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度又提高不少;還有一點(diǎn)就是大功率以及隨之帶來的高發(fā)熱量等等問題。

以上這些問題,都是在大規(guī)模的應(yīng)用之前,必須要著手解決的。

1.3 封裝映射技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

ITU-TQ11濟(jì)州島中間會議達(dá)成了40G/100G以太網(wǎng)接口的OUT映射定義:40GE映射到OPU3,傳輸編碼1024B/1027B;100GE映射到ODU4/OTU4,比特率為111.809973Gbit/s。對100Gbit/s以太網(wǎng)而言,虛擬級聯(lián)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)適配,但是效率不高,因此使用串行密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM),將10×10GE/4×25GE通過ODU4適配到111.809973Gbit/s的OTU4中,以提高效率。

傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)被認(rèn)為是點(diǎn)到點(diǎn)的技術(shù),在業(yè)務(wù)的調(diào)度與組網(wǎng)技術(shù)方面存在者不足。隨著上層IP業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,要求底層傳輸平臺更加靈活和智能,此時OTN技術(shù)的優(yōu)勢將會體現(xiàn)出來。OTN技術(shù)是在WDM和SDH/MSTP的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,既結(jié)合WDM大容量傳送的特性,又引入了SDH/MSTP的交叉概念,因此擁有類似于SDH/MSTP的完善的OAM能力:在光端OTN可以實(shí)現(xiàn)大顆粒的處理,在電層,OTN通過使用異步的映射和復(fù)用,把SDH/SONET的可運(yùn)營、可管理能力應(yīng)用到了WDM系統(tǒng)中,形成了一個以大顆粒寬帶業(yè)務(wù)傳送為特性的大容量調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)。因此OTN成為了100G網(wǎng)絡(luò)中最有競爭力的一種技術(shù)。

在適配到OTN時,除了是可以映射到OTU4中,還可以反向復(fù)用到OTU2/3中,主要由ODU2e-10v反向復(fù)用和ODU2-11v/ODU3-3v反向復(fù)用兩種方案,采用GMP方法予以實(shí)現(xiàn)。這一方案在ITU-TQ11會議上已經(jīng)明確并使之標(biāo)準(zhǔn)化。

另外還有一種方案,是將100GE的高速串行信號反向復(fù)用為10G/25G的低速并行信號[7],通過Multi-linePCS層匯聚后再映射到OTN,或者比特透明獨(dú)立映射的方式實(shí)現(xiàn)。

1.4 關(guān)鍵光電器件的發(fā)展現(xiàn)狀

上文中已經(jīng)提到,100GE傳輸將采用高級碼型調(diào)制、偏振復(fù)用、光相干檢測接收/電處理、新一代前向糾錯等新技術(shù),這些都需要高速光電器件才能實(shí)現(xiàn),預(yù)計(jì)今年這些器件將會走向成熟。

為保證高速率數(shù)字信號的順利傳輸,光模塊和高速DSP是重中之重,前者用于信號的調(diào)制,后者則對相干電接受至關(guān)重要,只有這樣,才能提高接收靈敏度、加大傳輸距離。

所幸現(xiàn)在各運(yùn)營商、設(shè)備商都在積極投入其中,一系列更加強(qiáng)大的、新型的光電器件都已進(jìn)入開發(fā)、測試階段,比如光子集成技術(shù)(PIC),就將傳統(tǒng)的光通信器件和子系統(tǒng)由分離的激光器、調(diào)制器、控制單元、濾波器和波導(dǎo)等集成在一塊基片上,從而減小了體積和復(fù)雜度。隨著研究的不斷深入,關(guān)鍵光電器件將不再成為瓶頸性的問題,從而為大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)100G以太網(wǎng)創(chuàng)造了條件。

2結(jié)語

100Gbit/s以太網(wǎng)以其美好的應(yīng)用前景,正吸引著越來越多的人投身其中,雖然還有很多技術(shù)問題尚待解決,但是隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷制定與完善、各大公司持續(xù)的研究投入下,在商用之路上已經(jīng)加速發(fā)展[8]。

在這個過程中,也有著巨大的機(jī)遇。十二五期間,我國提出了更高的寬帶戰(zhàn)略目標(biāo),可以預(yù)見在不久的將來高速光纖將全面普及,在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷的情況下,這無疑是對通信產(chǎn)業(yè)注入了一針強(qiáng)心劑。雖然我國在100G技術(shù)上的起步較晚,但是并沒有落后于國際。自去年12月開始,中國電信、中國移動、中國聯(lián)通三家運(yùn)營商已經(jīng)或者即將開展測試,華為、中興、烽火等眾多設(shè)備制造商也已經(jīng)制造出相關(guān)設(shè)備參與其中[9]。

因此我們有理由相信,100G光纖傳輸?shù)拇笠?guī)模部署,將在近幾年實(shí)現(xiàn),讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張海懿.100G光傳送技術(shù)新進(jìn)展[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2011,9.

[3] 100G波分復(fù)用傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].華為技術(shù).

[4] 湯瑞,趙文玉,吳慶偉,等.40G/100G標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù).

[5] 張遠(yuǎn)望.100G以太網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用[J].中興通信技術(shù),2009,5.

[6] 100G傳輸時代來臨[J].華為技術(shù).

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[8] 李園.下一代40/100GDWDM最新進(jìn)展[J].通信世界,2010,3.

[9] 張海懿,趙文玉.100G光傳送技術(shù)漸入佳境[J].中興通信技術(shù),2011,3.