超100G發(fā)展淺析

姜磊

摘要：面對帶寬增長的浪潮，現(xiàn)有的100G OTN網(wǎng)絡(luò)容量已日趨飽和，隨著超100G OTN技術(shù)日漸完善，部署超100G OTN已成為必然趨勢。

關(guān)鍵詞：高速光傳輸系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸；技術(shù)

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2018）07-0073-02

Abstract： In the face of the wave of bandwidth growth， the capacity of existing 100G OTN networks has become increasingly saturated. With the development of super 100G OTN technology， the deployment of ultra 100G OTN has become an inevitable trend.

Key words： high speed optical transmission system； data transmission； Technology

1 前言

高速光傳輸系統(tǒng)是全球電信網(wǎng)絡(luò)的骨干，將世界的每一個角落的人們連接在一起。從主流科研機(jī)構(gòu)和設(shè)備廠商的研發(fā)情況顯示，在短短15年內(nèi)，光通信單通道速率增加了40倍，算入WDM數(shù)據(jù)，單纖系統(tǒng)容量增加了4000倍。但這仍然不夠，主流運(yùn)營商正在推進(jìn)400G和Tbit的網(wǎng)絡(luò)以滿足日益緊迫客戶的帶寬需求。

2 超100G技術(shù)發(fā)展情況

2.1 超100G傳輸評估情況

2.1.1 前向糾錯（FEC）

FEC在衛(wèi)星通信和海底通信系統(tǒng)等噪聲影響顯著的系統(tǒng)中得到了有效應(yīng)用。FEC的性能通過其編碼增益（低的噪聲容限）和開銷來衡量，即在給定信號速率下，在線速率增加和高噪聲容忍度帶來的低的OSNR之間取個平衡。

FEC在光纖傳輸中的應(yīng)用起源于1991年，寫入ITU-T G.709“光傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）接口”標(biāo)準(zhǔn)中。在以后的標(biāo)準(zhǔn)中，都定義了供應(yīng)商可選擇的FEC算法和開銷。FEC從時間和性能上先后經(jīng)歷了三代。采用傳統(tǒng)硬判決碼、綜合應(yīng)用級聯(lián)、交織、迭代譯碼等技術(shù)的硬判決級聯(lián)碼、最先進(jìn)的軟判決解碼技術(shù)。

2.1.2 波特率增加和高階調(diào)制方式

信號波特率增加是一個在給定的光譜寬度（光譜效率）下提高系統(tǒng)容量的經(jīng)典方法。與電信號相比光纖容量可視為“無限”的，所以在40G和100G波分復(fù)用（WDM）技術(shù)應(yīng)用之前，頻譜效率在光纖通信中并未被重視?，F(xiàn)在隨著光纖可利用的頻譜將被耗盡，并且光譜寬帶太寬而帶來的光信號損傷造成設(shè)計(jì)復(fù)雜。此外為與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施兼容也要求降低符號率（波特率、線率）來適應(yīng)光纖特性。目前，使用了相干技術(shù)的100Gb/s的商用系統(tǒng)和400Gb/s的雙子載波原型樣機(jī)波特率接近30 Gbaud。

2.1.3 子載波數(shù)增加

超級通道可以增加系統(tǒng)的容量和光載波集成密度，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。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(diǎn)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(hù)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(dá)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(dú)立。但探測這種信號時需要將所有的子信號都進(jìn)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，要通過光域或電域的特定濾波器進(jìn)行信號整形。中興通訊美國新澤西實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在理論上和試驗(yàn)中對Nyquist-WDM和NGI-CO-OFDM進(jìn)行了對比研究。研究著重在兩種技術(shù)的光譜效率、傳輸距離和數(shù)據(jù)速率上的潛能。而在高速ADC方面面臨瓶頸，也將很快因?yàn)榘雽?dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而得到解決。

2.1.4 偏振復(fù)用

在OIF多源協(xié)議中規(guī)范100G商用系統(tǒng)調(diào)制格式為PM-QPSK，使用了偏振復(fù)用。偏振復(fù)用基于光在光纖中傳輸有兩個彼此不互相干擾的獨(dú)立并正交的偏振狀態(tài)，PM-QPSK將激光器發(fā)出的光分成兩個偏振態(tài)分別調(diào)制，送到光纖發(fā)射前將兩個偏振態(tài)復(fù)用到一起。在接收端處理過程相反，使用兩個偏振態(tài)使系統(tǒng)容量翻倍，在給定的容量下使線速率減半。

采用基于PM-QPSK 的100G商業(yè)時代已經(jīng)來臨，而在超100G時代，PM-QPSK仍然是調(diào)制技術(shù)基石，使用某種PM-QPSK形式組成的超級信道將直接用于400G， 1T及其它的超100G系統(tǒng)。

2.1.5 特種光纖

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(jìn)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(jì)和制造，在連接、耦合、熔接以及放大器和收發(fā)器的集成方面都將面臨很大的挑戰(zhàn)，而且使用這些技術(shù)需要對現(xiàn)場光纖替換，這是最大障礙。因此該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用還為時尚早。

作為一個大容量、長距離傳輸介質(zhì)，光纖的傳輸損耗和有效面積對提高光纖信噪比來說是非常重要的。在不考慮非線性影響情況下，降低光纖損耗和提高光纖有效面積是可以提高OSNR的好方法。

3 超100G OTN優(yōu)勢分析

超100G技術(shù)相對電交叉具有如下幾個優(yōu)勢：

3.1 滿足業(yè)務(wù)需求：

新建100G/超100G OTN網(wǎng)絡(luò)，能滿足大視頻家寬業(yè)務(wù)、LTE、集客專線、IDC互聯(lián)、CMNET、IP、5G、等業(yè)務(wù)的快速增長。

3.2 提升單波道傳輸能力：

通過配置超100G線路側(cè)提升單波道傳輸能力；原有單向80*100G的傳輸能力可提升到80*200G，以200G為例傳輸能力比原有100G系統(tǒng)提升了2倍，在同樣的業(yè)務(wù)量下，可以使現(xiàn)有波道消耗降低一半。從而達(dá)到提升了波道利用率、降低了現(xiàn)網(wǎng)的波道配置率的預(yù)期效果。

4 總結(jié)

隨著100G技術(shù)日益成熟并在傳輸市場的廣泛應(yīng)用，400G和1T將是下一步發(fā)展方向，以期解決日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。而當(dāng)前業(yè)務(wù)需求的增長已超過半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展腳步，光電轉(zhuǎn)換器件和電器件的速度和帶寬限制，成為單載波傳輸400G和1T信號的難題。目前超100G應(yīng)用還是以200G為主，隨著多種技術(shù)及光電器件的發(fā)展，陸續(xù)會出現(xiàn)單波400G商用。