新一代傳送網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)

張成良，韋樂(lè)平

（1.中國(guó)電信股份有限公司北京研究院 北京 100035；2.中國(guó)電信集團(tuán)公司 北京 100032）

1 引言

流量增長(zhǎng)歷來(lái)是傳送網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力量。近年來(lái)以視頻業(yè)務(wù)為代表的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)高速增長(zhǎng)，云計(jì)算應(yīng)用蓄勢(shì)待發(fā)，美國(guó)Cisco VNI預(yù)計(jì)，未來(lái)5年全球IP流量的年增長(zhǎng)率依然可達(dá)到29%。就我國(guó)情況看，按照中國(guó)電信集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)電信）的最新預(yù)測(cè)，盡管未來(lái)5年干線網(wǎng)流量的年增長(zhǎng)率相對(duì)會(huì)有一些回落，但依然會(huì)高達(dá)35%～50%。按照這樣的增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)電信省際傳送網(wǎng)最大截面的容量將超過(guò)80 Tbit/s，最大的節(jié)點(diǎn)交換容量將超過(guò)300 Tbit/s。

面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有傳送網(wǎng)的鏈路、節(jié)點(diǎn)容量和功能均已不能滿足需求，亟需引入新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)。建設(shè)一張面向更高速率、更高可靠性、更低成本、更靈活、層次更清晰的新一代傳送網(wǎng)是運(yùn)營(yíng)商的必然選擇。所謂新一代傳送網(wǎng)，有3個(gè)基本特征是必備的，即超高速傳輸、透明聯(lián)網(wǎng)和超低損光纖。本文將重點(diǎn)圍繞這3個(gè)基本特征對(duì)新一代傳送網(wǎng)所涉及的關(guān)鍵組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

2 透明聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

所謂網(wǎng)絡(luò)的透明性，泛指網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)谋忍亍⒍〞r(shí)和時(shí)延透明，即與傳送的信號(hào)細(xì)節(jié)基本無(wú)關(guān)。這種網(wǎng)絡(luò)的透明性是運(yùn)營(yíng)商長(zhǎng)期追求的理想，有利于兼容不同制式、不同格式和不同速率的信號(hào)，維持基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有助于新老系統(tǒng)的共存，既保護(hù)已有投資，又不妨礙新技術(shù)引入，但面臨未來(lái)發(fā)展不確定的復(fù)雜形勢(shì)。OTN的出現(xiàn)和成熟提供了初步的透明聯(lián)網(wǎng)能力，下一步的發(fā)展則是全光聯(lián)網(wǎng)，即真正實(shí)現(xiàn)光層面的透明聯(lián)網(wǎng)，完全消除電子設(shè)備引起的節(jié)點(diǎn)和鏈路瓶頸，兩者相輔相成，共同構(gòu)成未來(lái)的透明光傳送網(wǎng)絡(luò)，支撐電信網(wǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。

作為透明聯(lián)網(wǎng)第一步的OTN技術(shù)是一個(gè)包括光層和電層在內(nèi)的完整的光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。從OTN設(shè)備呈現(xiàn)方式上看，既可以作為獨(dú)立的交叉設(shè)備使用，也可以與WDM系統(tǒng)集成在一起使用。OTN技術(shù)的發(fā)展包括兩方面：一是向容量更大的設(shè)備形態(tài)發(fā)展，包括交叉容量的增加和接口速率的提升；二是面向多業(yè)務(wù)承載平臺(tái)的演進(jìn)。

2.1 OTN設(shè)備交叉容量與接口

目前商用化OTN設(shè)備支持的最大電交叉容量可達(dá)6.4 TB，支持 ODUk（k=0，1，2，3，4，flex）等交叉連接顆粒，下一步將開(kāi)發(fā)交叉容量達(dá)10～20 TB的大容量OTN設(shè)備。從技術(shù)上看，基于現(xiàn)有交換技術(shù)的OTN設(shè)備容量的進(jìn)一步提升面臨技術(shù)瓶頸，如槽位數(shù)量和單槽位容量、功耗的限制等。進(jìn)一步提升OTN設(shè)備交叉容量的思路是采用類似集群路由器的實(shí)現(xiàn)方案。目前主流的集群交換架構(gòu)大多采用多平面多級(jí)Clos或者Benes架構(gòu)，這種集群交換方案存在的主要問(wèn)題是隨著交換容量的增長(zhǎng)，功耗和熱處理將面臨很大的挑戰(zhàn)。另外設(shè)備內(nèi)的光互聯(lián)數(shù)量巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給網(wǎng)絡(luò)維護(hù)造成很大壓力。已經(jīng)有報(bào)道關(guān)注采用OBS（光突發(fā)交換）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)PB（1 000 TB）級(jí)的大容量集群光交換系統(tǒng)。

在OTN接口速率方面，目前OTN能夠提供的最高接口速率是100 Gbit/s(OTU4)，ITU-T已經(jīng)開(kāi)始了超100 Gbit/s OTN接口的研究。超100 Gbit/s OTN接口有兩種發(fā)展思路：一種是延續(xù)原有的方式，定義一個(gè)固定速率的OTU5/ODU5，ODU5的速率與IEEE未來(lái)定義的超100GE接口速率相匹配，如400GE或1 000GE；另外一種思路是獨(dú)立于以太網(wǎng)接口速率，定義一種速率靈活的OTN架構(gòu)，以便能夠滿足不同業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，并充分利用新型光調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。從2012年9月的ITU-T SG15全會(huì)的情況來(lái)看，業(yè)界更傾向于采用后一種思路。目前速率靈活的OTN接口的具體實(shí)現(xiàn)思路主要有兩種：一種是采用類似ODUk的虛級(jí)聯(lián)技術(shù)，將高速業(yè)務(wù)信號(hào)分散到多個(gè)ODU/OTU/OCh光通路中進(jìn)行傳送；另一種是維持目前單個(gè)ODU/OTU/OCh的方式，并采用新型的多載波光調(diào)制技術(shù) （如OFDM、Nyquist-WDM等），通過(guò)改變子載波的數(shù)量來(lái)調(diào)整速率。無(wú)論是選擇固定速率還是靈活速率，超100 Gbit/s OTN接口都將采用并行接口（OTL）的方式，如N×28 Gbit/s。

2.2 基于分組增強(qiáng)的OTN技術(shù)

OTN技術(shù)在接口、映射、復(fù)用等方面不斷發(fā)展和演進(jìn)，以更好地適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載。近來(lái)業(yè)界開(kāi)始越來(lái)越多地關(guān)注P-OTN（分組增強(qiáng)型OTN，也稱為P-OTS，分組增強(qiáng)的光傳送系統(tǒng)）的概念。P-OTN將OTN和以太網(wǎng)/MPLS-TP等諸多功能集于一身，減少了設(shè)備的種類，可以通過(guò)以太網(wǎng)或MPLS-TP實(shí)現(xiàn)L2分組交換網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)運(yùn)營(yíng)商不同的傳送網(wǎng)部署策略。分組增強(qiáng)的OTN技術(shù)可以用于提供大帶寬的以太網(wǎng)虛擬專線業(yè)務(wù)，作為MSTP以太網(wǎng)專線業(yè)務(wù)的升級(jí)和演進(jìn)；還可用于IP城域網(wǎng)的承載，包括OLT到BRAS/SR的連接以及BRAS/SR到核心路由器（CR）的連接承載，實(shí)現(xiàn) GE→10GE、10GE→40GE/100GE的匯聚，解決不同層次的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口不匹配和低速端口過(guò)多的問(wèn)題。

從發(fā)展的角度看，P-OTN將成為一個(gè)新的融合的傳送交換平臺(tái)，具備電路交換、分組交換、光交換的能力和光控制面功能。結(jié)合 SDH ADM、DWDM、ROADM、OTN、ASON/GMPLS和電信級(jí)以太網(wǎng)交換等功能，初期實(shí)現(xiàn)可能只具備其中的部分功能，隨著逐漸演進(jìn)，不斷融合吸收其他設(shè)備功能，從而大大減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類和空間，降低了網(wǎng)絡(luò)成本，簡(jiǎn)化了維護(hù)運(yùn)行流程。

2.3 OTN應(yīng)用場(chǎng)景和IP分流

OTN設(shè)備的引入可以改變目前骨干WDM系統(tǒng)不成網(wǎng)的現(xiàn)狀，使骨干光傳送網(wǎng)真正聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的端到端自動(dòng)調(diào)度，提高光傳送網(wǎng)的可靠性。運(yùn)營(yíng)商通過(guò)部署OTN可以提供GE～100GE的大帶寬傳輸專線業(yè)務(wù)，滿足ICP、銀行等政企客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。同時(shí)，隨著100 Gbit/s時(shí)代的來(lái)臨，OTN技術(shù)可以用于IP分流（IP offloading），促進(jìn)IP網(wǎng)絡(luò)的扁平化，減少對(duì)核心路由器容量和接口數(shù)量的需求，降低建網(wǎng)成本。

目前IP骨干網(wǎng)普遍采用IP over WDM的組網(wǎng)方式，分為核心、匯聚和接入3個(gè)層次。IP骨干網(wǎng)的組網(wǎng)模式一般是匯聚路由器（AR）雙歸屬到核心路由器，核心路由器完成匯聚路由器之間的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)和疏導(dǎo)。在經(jīng)過(guò)核心路由器的業(yè)務(wù)流量中，有50%以上屬于穿通流量，這些穿通流量大大加重了核心路由器的負(fù)擔(dān)，占據(jù)著核心路由器的寶貴轉(zhuǎn)發(fā)資源。基于上述原因，業(yè)界提出了IP分流的概念。IP分流指針對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)中核心路由器存在的“穿通流量”，利用OTN所具有的低速業(yè)務(wù)匯聚、調(diào)度和端口匯聚能力，在業(yè)務(wù)量達(dá)到一定門(mén)限的路由器之間建立傳輸層直達(dá)鏈路，從而節(jié)約核心路由器的接口數(shù)量，降低對(duì)其容量的要求和網(wǎng)絡(luò)成本，如圖1所示。

圖1 IP分流示意

運(yùn)營(yíng)商目前實(shí)施的IP骨干網(wǎng)的扁平化可以看作 “波長(zhǎng)級(jí)IP分流”，基于OTN的IP分流與IP網(wǎng)絡(luò)扁平化的主要差異見(jiàn)表1。

表1 基于OTN的IP分流與IP網(wǎng)絡(luò)扁平化的區(qū)別

隨著100 Gbit/s WDM的大規(guī)模部署和IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化，IP骨干網(wǎng)中不同區(qū)域的匯聚與核心節(jié)點(diǎn)之間的流量分布存在很大的不一致性，需要傳送網(wǎng)具有提供多顆粒（10 Gbit/s/40 Gbit/s/100 Gbit/s）業(yè)務(wù)承載的能力?；贠TN的IP分流可以匹配路由器互聯(lián)帶寬需求與WDM傳輸系統(tǒng)速率的不一致，適應(yīng)不同段落IP鏈路帶寬需求的差異性，促進(jìn)IP網(wǎng)絡(luò)的扁平化。將高速通道化接口和OTN的端到端靈活調(diào)度能力結(jié)合在一起，可以快速響應(yīng)IP網(wǎng)的突發(fā)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)帶寬的靈活調(diào)整，解決網(wǎng)絡(luò)帶寬升級(jí)時(shí)低速接口的浪費(fèi)問(wèn)題。根據(jù)初步分析，通過(guò)IP與OTN聯(lián)合組網(wǎng)，核心路由器的轉(zhuǎn)接流量可以減少30%左右，不僅減少了對(duì)昂貴路由器端口的需要，降低了網(wǎng)絡(luò)成本，而且改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)性能。

2.4 全光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)流量的持續(xù)高速增長(zhǎng)，特別是P2P流量和視頻流量的快速增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和組網(wǎng)靈活性提出了很高的要求，再加上光器件技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的不斷下降，可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)上下路的靈活組網(wǎng)設(shè)備——可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）開(kāi)始受到業(yè)界的關(guān)注，并在北美地區(qū)率先得到應(yīng)用。ROADM的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

·消除電設(shè)備導(dǎo)致的帶寬瓶頸。目前，傳送網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和鏈路容量的增長(zhǎng)速度均無(wú)法趕上互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)速度，而純光的ROADM可以保證網(wǎng)絡(luò)容量的持續(xù)擴(kuò)展性。

·實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶層信號(hào)的透明性。由于網(wǎng)絡(luò)中取消了光—電—光再生設(shè)備，可以全透明地支持任意速率、格式或協(xié)議的客戶層信號(hào)，對(duì)于當(dāng)前面臨的未來(lái)發(fā)展不確定的復(fù)雜形勢(shì)，這種透明性有利于維持基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

·簡(jiǎn)化并加快了高速電路的指配和業(yè)務(wù)供給速度。由于ROADM減少了光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)靈活、動(dòng)態(tài)的上下路，從而減少了電路配置時(shí)間，加速了業(yè)務(wù)供給速度，降低了人工操作的失誤概率，有利于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行工作向集約化方向演進(jìn)。

·降低了建網(wǎng)費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。由于簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)層次和結(jié)構(gòu)，減少了網(wǎng)元和昂貴、耗電的電/光轉(zhuǎn)換設(shè)備，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理和規(guī)劃，從而不僅降低了全網(wǎng)建網(wǎng)費(fèi)用，而且也大幅度減少了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)運(yùn)行、擴(kuò)容升級(jí)、地產(chǎn)和電源成本。

·節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗。利用波長(zhǎng)的去碎片化，可以有效地使用光通道提高光纖利用率，降低能耗達(dá)50%。

從技術(shù)角度看，ROADM的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有很多，第三代基于多端口波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）技術(shù)已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，其插入損耗低、體積小、成本低，且真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)可重構(gòu)，具有較高的組網(wǎng)靈活性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用日益廣泛。美國(guó)Verizon公司的應(yīng)用效果表明，網(wǎng)絡(luò)可以減少70%的光—電—光再生設(shè)備，從而使得設(shè)備投資減少50%，空間/租金減少60%，電費(fèi)降低50%。

ROADM發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)方向是實(shí)現(xiàn)5個(gè)“無(wú)”，即無(wú)色（與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)）、無(wú)方向（與傳輸方向無(wú)關(guān)）、無(wú)沖突、無(wú)光濾波器和無(wú)格柵，真正達(dá)到透明靈活組網(wǎng)的目標(biāo)，目前成本還太高，還需要更多更有效的技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)還需要仔細(xì)考慮具體網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、對(duì)維護(hù)管理體制的適應(yīng)性以及與其他競(jìng)爭(zhēng)性新技術(shù)的比較，這樣才有可能獲得最有效、合理的應(yīng)用，這方面還需要有橫向和縱向?qū)用娴纳钊敕治觥?/p>

從應(yīng)用上看，由于骨干網(wǎng)地理范圍大，全光傳輸距離受限，再生是ROADM組網(wǎng)中必須考慮的問(wèn)題。全光再生技術(shù)在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)還難以成熟，因此“先下路進(jìn)行OEO再生，然后上路”是ROADM完成業(yè)務(wù)再生的唯一選擇。在組網(wǎng)策略上，結(jié)合OTN電交叉和ROADM光交叉能力的光電混合交叉設(shè)備是解決ROADM組網(wǎng)再生問(wèn)題的最佳方案；OTN電交叉還可以提供子波長(zhǎng)業(yè)務(wù)匯聚、調(diào)度、保護(hù)等能力，進(jìn)一步提高骨干傳送網(wǎng)的業(yè)務(wù)提供能力。

3 超高速WDM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 單波100Gbit/sWDM系統(tǒng)

單波100 Gbit/s WDM是當(dāng)前超高速WDM技術(shù)的最大熱門(mén)，經(jīng)過(guò)多年的研究和積累，目前100 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)已經(jīng)具備了規(guī)模商用的部署條件。不同于當(dāng)年40 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)從出現(xiàn)到商用近10年的漫長(zhǎng)歷史，100 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)的發(fā)展速度要快很多。其中，100 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是重要因素。2009年7月，OIF發(fā)布了題為 “100 Gbit/s Ultra Long Haul DWDM Framework Document(100 Gbit/s超長(zhǎng)距密集波分復(fù)用框架文件)”的白皮書(shū)，提議業(yè)界采用雙極化正交相移鍵控（DP-QPSK）調(diào)制技術(shù)和相干接收技術(shù)作為骨干超長(zhǎng)距100 Gbit/s DWDM傳輸系統(tǒng)的技術(shù)路線。業(yè)界主流廠商的100 Gbit/s WDM傳輸設(shè)備無(wú)一例外，均采用了OIF建議的相干接收+DP-QPSK調(diào)制技術(shù)方案，如圖2所示。

圖 2 100 Gbit/s PM-QPSK的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)示意

100 Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是前向糾錯(cuò)（FEC）。100 Gbit/s時(shí)代的FEC技術(shù)相比40 Gbit/s時(shí)代又有新的進(jìn)展：首先，傳統(tǒng)硬判決（HD）FEC技術(shù)糾錯(cuò)能力進(jìn)一步提高，在保持7%左右FEC編碼冗余不變的前提下，糾錯(cuò)容限從40 Gbit/s時(shí)代的 2×10-3提高到 4×10-3左右；其次，出現(xiàn)了軟判決（SD）FEC技術(shù)，SD FEC技術(shù)的基本原理是在“判決”和“糾錯(cuò)”兩個(gè)環(huán)節(jié)間建立某種形式的反饋機(jī)制，從而進(jìn)一步提高糾錯(cuò)能力，100 Gbit/s SD FEC的編碼冗余一般都在15%以上，目前商用100 Gbit/s WDM設(shè)備的SD FEC糾錯(cuò)容限為 1.5×10-2～2×10-2，相對(duì)于 HD FEC，凈編碼增益（NCG）提高大約1.5 dB。

3.2 400 Gbit/s及以上速率WDM系統(tǒng)

目前超100 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在400Gbit/s和1 Tbit/s（1 000 Gbit/s）兩種速率上，這與IEEE定義的下一代以太網(wǎng)速率密切相關(guān)。超100 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)有幾個(gè)共同的特點(diǎn)。

·繼承了100 Gbit/s時(shí)代開(kāi)始采用的偏振復(fù)用和相干接收技術(shù)：偏振復(fù)用有利于降低信號(hào)波特率，相干接收有利于改善接收性能，實(shí)現(xiàn)PMD和色度色散補(bǔ)償。

·更復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)：受限于材料性能和芯片工藝，光電器件的實(shí)際處理速率的增長(zhǎng)速度無(wú)法跟上單波速率的增長(zhǎng)速度，超100 Gbit/s需要采用諸如16QAM、32QAM、OFDM等更復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，從而可以用較低的波特率實(shí)現(xiàn)所需的比特率。

·靈活的波道間隔：無(wú)論是10 Gbit/s、40 Gbit/s還是100 Gbit/s，DWDM系統(tǒng)的波道間隔要求始終是50 GHz，但在超100 Gbit/s時(shí)代，將需要更靈活的波道間隔，在提高頻譜效率和確保無(wú)電中繼傳輸距離之間需要取得一定的平衡。

·更突出的非線性受限問(wèn)題：由于采用相干接收技術(shù)，色度色散和PMD不再成為超高速WDM系統(tǒng)的限制因素，但隨著調(diào)制復(fù)雜度和頻譜效率的提高，非線性效應(yīng)在超100 Gbit/s WDM系統(tǒng)中的影響越來(lái)越嚴(yán)重，帶來(lái)對(duì)WDM系統(tǒng)的功率控制以及對(duì)光纖衰耗性能要求的提高。

目前最流行的單波400 Gbit/s調(diào)制方案是雙載波PM-16QAM，如圖3所示。400 Gbit/s信號(hào)首先分為2個(gè)光子載波傳送，信號(hào)速率降低一半至200 Gbit/s，再通過(guò)偏振復(fù)用進(jìn)一步降低至100 Gbit/s，最后通過(guò)16QAM調(diào)制降低為1/4，因此實(shí)際碼元速率僅為25 Gbit/s。400 Gbit/s雙載波PM-16QAM的實(shí)際波特率與目前100 Gbit/s PM-QPSK一致，支持重用核心芯片（即阿朗、Ciena、華為等廠商下一代100 Gbit/s宣稱支持100 Gbit/s/200 Gbit/s/400 Gbit/s等多種速率的原因）。一般情況下，兩個(gè)子載波的波道間隔為50 GHz，因此通過(guò)100 GHz頻帶傳送400 Gbit/s信號(hào)，頻譜效率為4 Gbit/(s·Hz)。若采用靈活格柵技術(shù)，每個(gè)子載波的帶寬可望控制在25×1.5=37.5 GHz左右，可以實(shí)現(xiàn)在75 GHz頻帶內(nèi)傳送400 Gbit/s信號(hào)，頻譜效率提高到5.3 bit/(s·Hz)。

圖3 采用雙載波PM-16QAM的400 Gbit/s WDM方案

單波1 Tbit/s光纖傳輸技術(shù)面臨的技術(shù)難度更高，業(yè)界尋求通過(guò)超級(jí)通路（super channel）方案來(lái)解決頻譜效率與傳輸距離之間的平衡問(wèn)題。超級(jí)通路技術(shù)的基本原理是在一個(gè)通道中包含若干個(gè)子載波，共同傳輸一路高速信號(hào)，每個(gè)子載波的速率可以降低，從而降低了實(shí)現(xiàn)難度。目前比較熱門(mén)的兩種技術(shù)是正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)和奈奎斯特WDM （Nyquist-WDM）技術(shù)。

正交頻分復(fù)用技術(shù)的原理是將數(shù)據(jù)通過(guò)大量頻域內(nèi)正交的子載波來(lái)傳送信號(hào)，簡(jiǎn)而言之是“頻域正交，時(shí)域壓縮”，如圖4（a）所示。OFDM信號(hào)的產(chǎn)生可以是電域（eOFDM）的，也可以是光域（O-OFDM）的，eOFDM 可以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率，但芯片實(shí)現(xiàn)難度大；O-OFDM的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但性能相對(duì)較差。基于OFDM還可以延伸出單載頻頻分復(fù)用（SCFDM）方式，峰均比較小，可望改進(jìn)非線性容限。

Nyquist-WDM技術(shù)的基本原理與OFDM正好相反，發(fā)送端將單個(gè)子載波信號(hào)通過(guò)數(shù)字濾波或者光學(xué)濾波方式在頻域內(nèi)整形為近似矩形，在頻域內(nèi)的多個(gè)子載波可以無(wú)間隔地并行傳輸，進(jìn)而提高頻譜效率。簡(jiǎn)而言之是“頻域壓縮，時(shí)域正交”，如圖4（b）所示。采用光學(xué)濾波的Nyquist-WDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度較低，技術(shù)難點(diǎn)是對(duì)光域壓縮損耗的補(bǔ)償。

綜上所述，400 Gbit/s WDM傳輸技術(shù)路線相對(duì)清晰，雙載波PM-16QAM可以部分重用目前100 Gbit/s PM-QPSK調(diào)制技術(shù)的核心技術(shù)和關(guān)鍵芯片，有可能成為第一代單波400 Gbit/s調(diào)制技術(shù)。1 Tbit/s WDM傳輸技術(shù)路線尚不明確，業(yè)界傾向于采用超級(jí)通路技術(shù)，OFDM和Nyquist-WDM是目前最熱門(mén)的兩類候選技術(shù)方案。前者收發(fā)端需要復(fù)雜的DSP處理，非線性容限較差；后者無(wú)FET操作，發(fā)送端DSP處理相對(duì)較簡(jiǎn)單，非線性容限也較高，兩者各有特點(diǎn)，目前還沒(méi)有肯定的結(jié)論，或許實(shí)施某種程度的融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)也是一條較好的出路。

圖4 OFDM和Nyquist-WDM原理示意

4 新型光纖技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著20世紀(jì)90年代初建設(shè)的“八縱八橫”干線光纜逐漸進(jìn)入20年的設(shè)計(jì)壽命期，我國(guó)即將進(jìn)入新一輪光纖光纜建設(shè)期。光纜屬于信息基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)，要考慮至少20年的技術(shù)發(fā)展和容量需求，因此需要有更遠(yuǎn)的前瞻性考慮。目前網(wǎng)絡(luò)部署的骨干光纜光纖類型主要包括G.652和G.655，其中G.652光纖由于有較大的有效面積以及合適的色散系數(shù)，具備一定的性能優(yōu)勢(shì)，特別是在相干100 Gbit/s WDM系統(tǒng)中，色度色散和PMD不再成為限制因素，非線性效應(yīng)的影響更加突出，G.652光纖的性能優(yōu)勢(shì)也更加明顯。

超100 Gbit/s等超高速WDM傳輸系統(tǒng)對(duì)非線性效應(yīng)越來(lái)越敏感，入纖功率的控制將越來(lái)越嚴(yán)格，因此光纖段落損耗對(duì)系統(tǒng)傳輸距離的影響變得越來(lái)越重要。在此背景下，降低光纖衰耗系數(shù)重新成為光纖技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前低衰耗光纖技術(shù)在G.652光纖中主要有兩種技術(shù)。

·采用常規(guī)G.652光纖工藝（芯區(qū)摻鍺），通過(guò)改善預(yù)制棒純度和拉絲過(guò)程的潔凈度，減少非本征衰耗，達(dá)到降低損耗的目的。這種技術(shù)通常稱為低損耗（low loss，LL）光纖技術(shù)，廠商 G.652 LL光纖的損耗系數(shù)是0.18～0.185 dB/km （常規(guī)G.652光纖的損耗系數(shù)要求為0.20 dB/km），價(jià)格比常規(guī)光纖稍貴，按照光纜價(jià)格計(jì)算，則幾乎可以忽略。

·采用新型工藝的超低損耗 （ultra low loss，ULL）光纖，該技術(shù)借鑒海纜純硅芯光纖工藝，芯區(qū)采用純二氧化硅，最大限度地降低本征衰耗，包層通過(guò)重度摻氟降低折射率，達(dá)到所需的折射率分布。由于工藝復(fù)雜，目前只有康寧公司推出了G.652 ULL光纖商用產(chǎn)品，損耗系數(shù)大約是0.17 dB/km，價(jià)格大約是常規(guī)光纖的3倍，但若與節(jié)省的昂貴的高速轉(zhuǎn)發(fā)器相比，則在不少超高速應(yīng)用場(chǎng)景下是值得的。

根據(jù)ITU-T規(guī)定的光纖可用光譜寬度和香農(nóng)極限理論，單模光纖的理論容量極限大約是400 Tbit/s（假設(shè)頻譜效率是10 bit/(s·Hz)），進(jìn)一步考慮到光纖放大器的可用帶寬僅為光纖可用光譜寬度的1/4，單模光纖的實(shí)際可用容量極限大約是100 Tbit/s。圖5顯示，近10年來(lái)，由于缺乏像20世紀(jì)的WDM和光纖放大器那樣的突破性技術(shù)，光通信技術(shù)的容量增長(zhǎng)速度已經(jīng)回落到每年20%左右，最新實(shí)驗(yàn)室結(jié)果已經(jīng)非常接近實(shí)際可用的容量極限。按照這一發(fā)展速度，系統(tǒng)容量將在2020年左右達(dá)到香農(nóng)極限。然而，從業(yè)務(wù)需求方看，最近10年全球互聯(lián)網(wǎng)的流量按照每7年翻10倍的發(fā)展規(guī)律增長(zhǎng)，即每年的流量需求在40%左右，遠(yuǎn)快于系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)速度。按照上述發(fā)展速度，預(yù)計(jì)在2020年前后，實(shí)際互聯(lián)網(wǎng)流量需求將超越單纖系統(tǒng)容量的香農(nóng)極限，出現(xiàn)容量危機(jī)。

要突破單纖系統(tǒng)容量的香農(nóng)極限，主要靠空分復(fù)用（SDM）和模分復(fù)用（MDM）兩個(gè)方向，具體介紹如下。

·模分復(fù)用：通過(guò)在同一光纖內(nèi)同時(shí)傳輸若干個(gè)正交模式的方式達(dá)到模式復(fù)用擴(kuò)容的目的。這種方式的關(guān)鍵是模式數(shù)量要嚴(yán)格控制，還需要保證衰耗系數(shù)等傳輸性能、控制模間色散、降低MIMO算法復(fù)雜度。此類光纖通常稱為少模光纖（few mode fiber，F(xiàn)MF）。

·空分復(fù)用：通過(guò)將多個(gè)纖芯集成在同一光纖包層，使得同一根光纖可以同時(shí)支持多個(gè)芯區(qū)，不同的芯區(qū)可以傳輸不同信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，稱為多芯光纖（multi-core fiber，MCF）。這種方式的關(guān)鍵是纖芯間距離要嚴(yán)格控制，防止芯間干擾和衰耗增加。

圖 5 單模光纖傳輸容量發(fā)展歷史及預(yù)測(cè)

上述兩種技術(shù)可以結(jié)合在一起，進(jìn)一步提升容量，稱為少模多芯光纖（few-mode multi-core fiber），為光纖通信的容量突破提供了重要的技術(shù)途徑，但真正要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走，特別是必須要實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立并行傳輸系統(tǒng)的集成，否則僅僅靠減少光纜的體積和成本并不具備實(shí)際的經(jīng)濟(jì)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

骨干傳送網(wǎng)正處在向新一代傳送網(wǎng)演進(jìn)的重要階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，超100 Gbit/s WDM鏈路傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)成為滿足業(yè)務(wù)需求的必然選擇。傳送節(jié)點(diǎn)正成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，一方面，交換節(jié)點(diǎn)需要越來(lái)越大的處理容量，另一方面，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越需要具有透明性，能夠靈活適應(yīng)各種新老系統(tǒng)、不同制式、不同速率的信號(hào)。OTN具有這種初步的透明聯(lián)網(wǎng)能力，也是現(xiàn)階段解決端到端業(yè)務(wù)調(diào)度和保護(hù)問(wèn)題的重要手段。下一步發(fā)展則是全光透明聯(lián)網(wǎng)，在骨干網(wǎng)上引入 ROADM等光交換技術(shù)已進(jìn)入考慮的日程。超低損耗光纖的發(fā)展使光電再生距離大大延長(zhǎng)，特別在確保100 Gbit/s和超100 Gbit/s速率的長(zhǎng)途傳輸距離方面具有重要的意義。簡(jiǎn)言之，人們期待已久的超高速、超低損、透明光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)出現(xiàn)在地平線上。