100G和超100G技術(shù)進展

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?，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100 Gbps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10 Tbps。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在容量、數(shù)據(jù)速率和光傳輸距離之間取得平衡。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。最新的實驗已經(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)做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。

                                                                     圖1 超100G 研究內(nèi)容和方向

                                                             圖2 在不同調(diào)制碼型和波特率下需要的光信噪比

       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。在最近的實驗中， BER=1×10-3 時的執(zhí)行代價高達8dB，而實現(xiàn)QPSK僅為大約1dB?，F(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700 km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)在理論上和實驗中對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)實驗進展

       許多實驗室的實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3760 km，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的實驗。Verizon還將112Gbps、450Gbps和1.15 Tbps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)21.7 Tbps 信號的現(xiàn)網(wǎng)傳輸實驗。德國電信（DT）進行了兩個獨立的現(xiàn)網(wǎng)實驗，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734 km。同時，英國電信 （BT）展示了首個靈活柵格的現(xiàn)網(wǎng)傳輸實驗，傳輸距離為600多公里。

中興通訊攜手德國電信實現(xiàn)100G和超100G的實驗傳輸

       德國電信集團（Deutsche Telekom AG），歐洲最大、世界第四大電信運營商，總部設(shè)在德國波恩，在2011年《財富》世界500強公司排行榜中位列第75位。德國電信擁有世界上最稠密的光纖網(wǎng)，總長度達150000km。在光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和對新技術(shù)的探索上，德國電信也走在世界前列，于2010年6月在德累斯頓與弗萊堡工業(yè)大學(xué)之間鋪設(shè)了全球首個100Gbps的商用光網(wǎng)絡(luò)，連接兩地的兩個高性能數(shù)據(jù)中心。隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及終端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，德國電信認(rèn)為干線網(wǎng)帶寬還要進一步發(fā)展，并預(yù)計在2014年后就會對超100G技術(shù)有強烈的需求。

       但對于超100G技術(shù)，信道帶寬究竟是400G還是1T，復(fù)用技術(shù)采用奈奎斯特（Nyquist）還是OFDM，調(diào)制格式是延續(xù)100G的PDM-QPSK還是16QAM，目前尚無定論。作為全球領(lǐng)先的運營商，德國電信渴望先期獲得超100G技術(shù)的研究與試驗數(shù)據(jù)，以把握傳輸技術(shù)的發(fā)展方向，在正確的技術(shù)方向上部署超100G系統(tǒng)。

       中興通訊多年來一直致力于100G和400G/1T等超100G技術(shù)的研究以及產(chǎn)品方案的研發(fā)與應(yīng)用。立足于100G以及超100G高速信號傳輸技術(shù)的尖端技術(shù)研發(fā)，中興通訊近年來攻克了該領(lǐng)域若干關(guān)鍵技術(shù)：全球首次在試驗中實現(xiàn)了單信道為11.2Tbps的光信號，并成功讓該信號在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸640km，刷新了此前單信道傳輸最高速率為1Tbps光信號的世界記錄；實現(xiàn)了24Tbps（24×1.3Tbps）波分復(fù)用信號傳輸，業(yè)界首次實現(xiàn)T級的波分復(fù)用技術(shù)。

       2012年2月，中興通訊一支專家團隊受邀遠赴德國，與歐洲最大的光傳輸基礎(chǔ)設(shè)施運營商德國電信，共同完成傳輸速度超過100Gbps的密集型現(xiàn)場試驗。

       此次試驗是利用德國南部的達姆施塔特、斯圖加特和紐倫堡等8座人口密集城市之間現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652SSMF）進行的。為了研究不同技術(shù)的長途傳輸能力，還使用了試驗室SSMF（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）來延伸光傳輸距離。

       試驗網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。為了延長傳輸距離，在斯圖加特加入了額外的8×100km的G. 652光纖跨段，從而獲得了1750km的總傳輸距離。除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，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達姆施塔特的德國電信研發(fā)中心。

                                                                                     現(xiàn)場試驗網(wǎng)絡(luò)圖

       中興通訊在該網(wǎng)絡(luò)上主要完成兩個試驗。第一個試驗是首次展現(xiàn)8×216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信號在50GHz間距里的長距離傳輸試驗。該試驗信號達到創(chuàng)紀(jì)錄的頻譜效率：4bps/Hz。在傳輸超過22個SSMF跨度， 總距離達1750km后所有通道傳輸后誤碼率都小于3.8×10-3，即小于FEC閾值。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。

       第二個試驗是對100G、400G和1T的混合傳輸，主要目的是在德國電信試驗室再現(xiàn)中興通訊已經(jīng)發(fā)布了的400G和1T技術(shù)傳輸能力。在混合傳輸試驗中，400G超級通道使用了Nyquist-WDM技術(shù)，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。而擁有13個子信道的1T信號則是采用光的OFDM方法產(chǎn)生的，每個子信道占據(jù)25GHz的帶寬，總的信號占據(jù)325GHz帶寬。

       這兩個超級通道和兩個中興通訊商用的100G線卡混傳。傳輸1750km后，所有信號的誤碼率都小于2×10-3。而100G商用線卡再將光纖長度進一步延長到2450km傳輸后的誤碼率為1.1×10-3，顯示還有較大冗余度。

       這個現(xiàn)網(wǎng)試驗證明了使用SD-FEC的100G技術(shù)是可以進行超長傳輸?shù)?，而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，并且中興通訊的400G/1T技術(shù)與原有的100G商用技術(shù)有良好的兼容性。

       本次德國電信與中興通訊的聯(lián)合試驗，是400G/1T傳輸系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。它展現(xiàn)出中興通訊在100G/400G/1T光傳輸系統(tǒng)上的設(shè)計能力，無論是在規(guī)模還是在新穎性方面，都是業(yè)界首屈一指的。這些技術(shù)不僅可以提升網(wǎng)絡(luò)容量，還具有良好兼容性和可擴展性，并可以降低每比特的成本以及實現(xiàn)難度?，F(xiàn)場試驗的成功也足以證明，立足于全球領(lǐng)先的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)的中興通訊，有能力幫助網(wǎng)絡(luò)運營商迎接因數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)劇增而引發(fā)的骨干傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)流量呈指數(shù)上升的挑戰(zhàn)。

作者：中興通訊 余建軍