200Gbps混合調制碼型的光性能評估與應用

  ICC訊 近年來，虛擬現(xiàn)實、高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，給信息通信系統(tǒng)帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。5G時代的到來，就是為了對信息通信這個“社會生態(tài)系統(tǒng)的信息主動脈”進行一次全面升級。5G通信對以WDM光傳輸系統(tǒng)為核心技術的光傳送網(wǎng)也提出了前所未有的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)高帶寬、高速率的光網(wǎng)絡互聯(lián)，對光通信傳輸系統(tǒng)的研發(fā)重點也逐漸由主流的100G開始轉向超100G(B100G)容量的系統(tǒng)場景。

  當前100G OTN/WDM已大規(guī)模商用，B100G OTN/WDM的部署也逐步開始。從網(wǎng)絡運營部署方便和既有投資保護角度考慮，如何在現(xiàn)有100G長距場景下擴容升級200G/400G，將成為各廠商B100G OTN/WDM解決方案的核心競爭力。當前B100G線路側光模塊技術已呈現(xiàn)差異化發(fā)展，各種不同的調制編碼技術最終體現(xiàn)為各指標性能的優(yōu)劣，如OSNR容限、光譜帶寬等。而這些光模塊性能差異直接影響著光模塊OSNR容限、信號最佳入纖功率與ROADM穿通性能等。

  混合調制技術在時域上將不同QAM調制格式信息按任意比例混合，具備實現(xiàn)簡單等優(yōu)勢，是下一代光網(wǎng)絡組網(wǎng)的熱門技術。在業(yè)務速率固定的情況下，可以通過調整混合比例改變業(yè)務信號帶寬，以適應不同的傳輸信道條件。相比常規(guī)調制技術，混合調制借助小粒度的譜效靈活控制，并輔以入纖功率的合理適配，可實現(xiàn)特定條件下200G穿通能力和傳輸距離與傳輸容量的最佳平衡。

  200G常規(guī)調制方案

  以高階調制技術為例，200Gbps光傳輸系統(tǒng)有多種實現(xiàn)方式，如PM-QPSK、PM-8QAM、PM-16QAM。不同調制碼型對應的200Gbps業(yè)務性能和應用場景如表1所示。

表1 200G調制碼型性能

  200G混合調制方案

  當前主流編碼調制整形方案均通過選擇更適配的調制方式和編碼方式來傳輸有效信息，以實現(xiàn)最佳的傳輸性能。目前200G混合調制為業(yè)內最為先進的編碼整形技術之一，其基本原理如圖1所示。

圖1 混合調制編碼整形技術

  當前OTN/WDM各廠商的B100G高性能長距相干光模塊均支持多種業(yè)務速率，多種調制方式和多種開銷的FEC編碼方式。在特定業(yè)務速率下，采用低階調制碼型則可獲得更強的噪聲容忍度或更長的傳輸距離，采用高階調制碼型可獲得更高的頻譜效率和更強ROADM組網(wǎng)穿通能力。即對于特定的光系統(tǒng)鏈路，選擇不同調制碼型或不同混合比例的調制方式，光模塊的OSNR門限、系統(tǒng)濾波代價、非線性代價等都會有所差異。因此混合調制技術需要通過人工選擇或SDON自動調節(jié)算法，選擇合適的調制碼型組合和混合比例，以最大化提升光鏈路性能。

  光傳輸損傷與性能評估

  200G WDM產品的規(guī)劃設計需要有準確的光系統(tǒng)損傷評估能力。光傳輸損傷評估主要包含系統(tǒng)鏈路傳輸OSNR、光纖非線性代價、光濾波代價。在光模塊B2B性能基礎上，依據(jù)設備商的OA(光放大器)等光器件特性以及客戶系統(tǒng)余量需求，來完成光鏈路系統(tǒng)的可行性判定。

  -傳輸OSNR評估

  系統(tǒng)傳輸后OSNR與光纖跨段損耗、信號入纖功率、EDFA噪聲系數(shù)以及傳輸跨段數(shù)相關，對于標準等跨段WDM傳輸系統(tǒng)場景，此時系統(tǒng)傳輸后OSNR可以通過58公式計算得到。

  -非線性損傷評估

  光纖中的非線性損傷主要包括自相位調制(SPM，Self Phase Modulation)、交叉相位調制(XPM，Cross Phase Modulation)、四波混頻(FWM，F(xiàn)our Wave Mixing)三類非線性折射效應(即克爾非線性效應)以及包括受激布里淵散射(SBS，Stimulated Brillouin Scattering)和受激拉曼散射(SRS，Stimulated Raman Scattering)在內的受激散射效應。

  通過利用微擾理論得到的GN/EGN模型對非線性損傷進行近似解析分析。GN/EGN模型的非線性噪聲評估方法借助于窄帶寬頻率成分四波混頻理論，將信道內SPM、信道間XPM、FWM等都當做不同頻率處的四波混頻來對待。該方法通過頻域積分處理得到非線性噪聲干擾量并將其近似為Gaussian噪聲近似，從而可簡化非線性噪聲對系統(tǒng)性能的定量分析，相關研究報道該模型取得了較高的評估準確性。

  -光濾波損傷評估

  現(xiàn)階段ROADM架構網(wǎng)絡得到大規(guī)模商業(yè)部署，以滿足DWDM網(wǎng)絡管理和調度靈活性要求，其中WSS(Wavelength Selective Switch)模塊是實現(xiàn)ROADM網(wǎng)絡組網(wǎng)的關鍵器件。當前業(yè)內主流采用的WSS器件頻率間隔為12.5GHz或6.25GHz，使得具有更高頻譜效率的準奈奎斯特WDM的傳輸方案變?yōu)榭赡堋６诙鄠€ROADM站點級聯(lián)的業(yè)務穿通場景，ROADM站點中的上下路單元中WSS模塊以及直通方向的WSS模塊均會對光信號產生光濾波損傷。尤其在準奈奎斯特WDM傳輸場景下，信號光譜帶寬接近WSS通道帶寬會導致接收機性能會嚴重劣化。

  光濾波損傷主要影響影響接收端接收機時鐘同步算法。時鐘同步算法核心為反饋式全數(shù)字時鐘鎖相環(huán)，主要由插值濾波器、定時誤差檢測器、環(huán)路濾波器和控制單元組成。

  無濾波場景下，當出現(xiàn)時延偏差時接收端信號時鐘就會反饋誤差，反向調整插值的偏移方向和趨勢來調節(jié)和校準信號樣值位置。有濾波場景下，若光譜在高頻部分存在明顯損失，會導致圖2中的重疊區(qū)域丟失，則鑒相檢測系數(shù)為零，此接收機將無法同步以準確接收光信號。故在ROADM級聯(lián)光傳輸系統(tǒng)中，為保證業(yè)務長期運行的可靠性有必要對鏈路中的光濾波器件的數(shù)量以及帶寬進行有效獲取或檢測，并適配出合理的業(yè)務光信號帶寬，以減小系統(tǒng)中光濾波效應導致的性能代價。

圖2 光譜形狀對鑒相檢測的影響

  200Gbps高性能混合調制的光傳輸性能評估

  200Gbps高性能混合調制的光傳輸性能主要從光模塊B2B性能、系統(tǒng)非線性代價與濾波代價方面進行評估。

  200Gbps高性能混合調制碼型的調制譜效、波特率以及通道間隔的對應關系如表2所示。

  結合WDM系統(tǒng)光路配置要求，200Gbps不同混合調制碼型下的系統(tǒng)最大傳輸跨段與ROADM站點穿通數(shù)目如表3所示。

表2 混合調制碼型的調制譜效、波特率以及通道間隔關系

表3 200G混合調制的最大傳輸跨段與ROADM站點穿通能力表

  200Gbps高性能混合調制提供了一種頻譜效率與傳輸性能相平衡的技術方案，在業(yè)務新建與動態(tài)恢復中，基于混合調制技術以及相關光性能評估模型，可根據(jù)光傳輸鏈路信道條件選擇最佳的調制組合與混合比例，以最小性能代價或者最大系統(tǒng)余量提升傳輸?shù)目煽啃?。綜上所述，混合調制技術具備靈活的信道適應能力，將在下一代大容量動態(tài)光網(wǎng)絡的升級擴容中發(fā)揮關鍵作用。

  作者：中興通訊 尚文東，施鵠