40G bit/s高速光传输技术的应用与挑战

12/24/2009,简要分析了40Gbit/s高速光传输技术的发展背景和应用现状；深入分析了对其面临的挑战，例如现网光纤PMD对其传输距离的限制，持续降低成本的挑战，与100Gbit/s的分工和竞争等；最后对其发展进行了展望。

    1 40Gbit/s高速光传输的技术发展与应用现状

    1.1 40Gbit/s传输的业务背景

    40Gbit/s传输技术的出现和发展与以Internet为代表的电信网络业务与技术的蓬勃发展是分不开的，特别是最近几年Internet流量的爆炸性增长直接推动了40Gbit/s传输需求的出现和网络应用。

    从运营商角度出发，建设40Gbit/s高速光传输系统的业务驱动力主要有两个：一是骨干IP网络核心路由器的高速互联需求；二是某些大型金融机构、科研机构和政府部门用于其超级计算机或数据中心互联的40Gbit/s高速电路租用需求。对于国内运营商来说，目前的需求均属于第一种类型，第二种类型需求集中在北美、欧洲等发达国家和地区。

    中国电信的ChinaNet的规模和容量在全球骨干IP网络中已达到数一数二的位置，中国联通（原中国网通）的骨干IP网络也位列全球超大型IP网络之列，因此这两家运营商在国内最早出现对40Gbit/s高速光传输技术的需求，也最早建设商用40Gbit/sWDM传输系统。目前，40Gbit/s网络建设集中在骨干网，未来还将向城域网延伸。

    1.2 40Gbit/s传输的技术路线

    虽然早期业界曾提出采用4个10Gbit/s波道传输40Gbit/s信号的反向复用（IMUX，InverseMultiplexing）解决方案，华为、爱立信（前马可尼）等厂商还推出了成熟的商用设备。但是随着需求和技术的发展，最终人们还是选择了单波道提速的路线，正如当年2.5Gbit/sWDM系统提速到10Gbit/sWDM系统一样，40Gbit/s WDM传输技术成为40Gbit/s传输的主流解决方案。

    从10Gbit/s到40Gbit/s，信号速率提高了4倍，但是技术难度的增长却远远不止4倍。40Gbit/s信号苛刻的传输性能要求使得沿用10Gbit/s传输技术完成40Gbit/s信号的长距离传输成为一项不可能完成的任务。我们假设都采用传统的NRZ码型：40Gbit/s信号的ONSR（光信噪比）要求比10Gbit/s信号高6dB，但是由于非线性效应的影响，入纤功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信号的OSNR受限距离大约只有10Gbit/s信号的1/6；更严重的，40Gbit/s信号的色度色散和偏振模色散（PMD）受限距离只有10Gbit/s信号的1/16。因此，40Gbit/sWDM传输需要一系列新技术来实现与10Gbit/sWDM传输大致相当的无电中继传输距离。其中先进调制码型是40Gbit/sWDM传输使能技术中最突出的代表，下面进行重点介绍。

    调制码型是40Gbit/sWDM传输技术中最精彩的部分，也是最丰富的部分，目前已商用的码型达到近10种。根据其技术特点，可以简单归成3类：

    （1）相位辅助的强度调制码型：其特点是信号通过强度调制方式传递，使用普通的直接检测技术，但是引入特定的相位调整手段来改善传输性能；代表性码型包括CSRZ（载波抑制归零码）、DRZ（差分归零码）和ODB/PSBT（光双二进制码/相位整型二进制传输码）。

    （2）强度辅助的相位调制码型：其特点是信号通过相位调制方式传递，使用差分或者相干等接收技术，具有较好的传输性能，同时引入NRZ，RZ等强度调制手段来达到改善传输性能、使用50GHz间隔等目的；代表性码型包括RZ-DPSK（归零-差分相移键控码），NRZ-DPSK（非归零-差分相移键控码）和RZ-DQPSK（归零-差分四相相移键控码），目前在现网应用较多的P-DPSK（部分差分相移键控码）也是一种特殊的NRZ-DPSK码，其特点是通过控制差分的幅度，抵消滤波效应带来的影响，从而以较小的代价实现50GHz间隔传输。

    （3）偏振复用调制码型：其特点是利用相互正交的两个偏振态来传递不同的信息，提高系统频谱使用率，降低单信道的信号速率，每个偏振信道的调制方式可以是上述调制码型的任意一种；目前在40Gbit/sWDM传输系统中实现商用的偏振复用调制码型只有北电的DP-QPSK（双极性四相相移键控码）。

    先进调制码型在40Gbit/sWDM传输系统中发挥的作用是全方位的，例如：延长传输距离，目前40Gbit/sWDM系统无电中继传输距离已经超过了1000km甚至1500km；满足50GHz间隔传输，提高频谱利用率；提高PMD容限，降低对光缆PMD性能的要求，扩大现网适用范围。表1列举了目前在国内传输设备市场较活跃的厂商40Gbit/sWDM传输设备采用的码型技术特点和应用场景。

    表140Gbit/sWDM系统常用码型比较表

    除了调制码型以外，可调色散补偿技术（用于弥补40Gbit/s信号色散容限过低的限制）、高速芯片技术（40Gbit/sFEC，Framer，SerDes等核心芯片）、高速调制/解调技术等也是40Gbit/sWDM传输系统的重要使能技术。

    1.340Gbit/s传输设备的发展与应用

    在40Gbit/s应用方面，传输设备的滞后实际上成为前些年40Gbit/s无法广泛应用的瓶颈因素。Cisco，Juniper等主流路由器厂商早在2006年就推出了商用40Gbit/sPOS板卡，但是40Gbit/sWDM传输设备的普及是在2007年以后。特别是到了2008年，主流传输设备厂商都已发布了40Gbit/sWDM传输设备，在国内较活跃的厂商有华为、烽火、中兴、北电、上海贝尔、爱立信等。

    目前，主流厂商40Gbit/sWDM传输设备已经系列化，既有支持中短距离传输的ODB/PSBT等码型，也有支持中长距离传输的DPSK码型，甚至更复杂的DQPSK，DP-QPSK等码型，设备的适用性得到了极大提高。主流电信运营商也已广泛认可40Gbit/sWDM传输技术和设备的成熟性，按照业内知名咨询公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行业报告中的统计，截至2008年，全球已经有超过30个运营商部署了40Gbit/s传输网络，其中就包括中国电信和中国联通（原中国网通）。在该报告中，Ovum公司认为40Gbit/s传输技术已经进入“普及应用阶段（GeneralizedDeployment Phase）”，将迎来健康持续的发展期。

    中国电信是国内最早关注40Gbit/s传输的电信运营商。早在2004年，中国电信就开始了40Gbit/s传输技术研究工作，与国家科技部“八六三”计划合作，于2005年建成“上海—杭州40Gbit/sWDM实验传输系统”并运行至今，这是国内第一个，在国际上也属于较早的40Gbit/s现网实验传输系统。此后在多年持续跟踪研究40Gbit/s传输技术与设备的基础上，2008年中国电信建设了国内第一个商用40Gbit/sWDM传输系统，即“上海—无锡80×40Gbit/sWDM系统”，同时于2008年下半年进行了多厂商参加的40Gbit/s WDM传输设备及系统验证性测试，有力地推动了国内40Gbit/s传输产业的发展。从2009年开始，中国电信将根据其业务发展情况，按步骤推进骨干40Gbit/s传输网络的规模部署，首批建设的40Gbit/s WDM传输网络覆盖了长三角、珠三角等业务发展良好、40Gbit/s应用需求迫切的地区。中国联通（含原中国网通）也于2008年开始建设第一个商用40Gbit/s WDM传输网络，覆盖了华北地区的主要城市。

    随着产业链日渐成熟，40Gbit/s传输相关技术标准工作也日趋完善。ITU-T，OIF和国内的CCSA都制定并发布了一系列技术标准，有效促进了40Gbit/s传输设备的现网应用。

    2 40Gbit/s高速光传输技术面临的挑战

    虽然40Gbit/s高速光传输技术已经步入了规模商用阶段，但是为了应对复杂的现网应用环境和未来业务发展的进一步需求，40Gbit/s传输技术还面临着一些挑战。这些挑战有技术领域的，例如现网光纤PMD对40Gbit/s传输的限制；也有成本方面的，例如持续降低40Gbit/sWDM传输系统的成本，实现单比特×公里传输成本低于10Gbit/sWDM系统；还有下一代100Gbit/s传输技术的发展带来的挑战等。本章将对这些挑战进行详细分析，从中形成对40Gbit/s高速传输技术的未来发展方向和前景。

    2.1适应于大PMD光纤的40Gbit/s传输技术

    对于OSNR，色散等40Gbit/s传输限制因素的相继解决，PMD成为目前影响40Gbit/sWDM系统无电中继传输距离的主要限制因素。普通40Gbit/s信号的PMD容限只有大约2～2.5ps，即使不考虑系统其它光学元器件带来的PMD，也只能在PMD系数优于0.1ps/sqrt(km)的光纤中才具有实用价值，在PMD系数优于0.05ps/sqrt(km)的条件下才能发挥长距离传输的优势。这对现网40Gbit/sWDM系统建设的光纤选型要求是非常苛刻的，未来40Gbit/sWDM传输系统面临的最大技术挑战就是如何适用于大PMD光纤。

    在提高40Gbit/sWDM系统PMD首限传输距离方面，业界已经进行了很多努力，提出了各种各样的解决方案，这些方案可以归纳为以下3种：

    （1）PMD补偿方式：其思路是沿用色散补偿的思路，通过一定技术手段跟踪线路PMD的变化并通过引入相反的偏振时延的方式实现PMD补偿；这种方式的思路简单明了，但是由于PMD的动态特性，PMD补偿技术的实现难度远远大于色散补偿技术，目前仅仅在一阶PMD补偿方案取得了一定进展，一些厂商号称推出了商用模块，但是尚无规模商用部署的报道，而且由于原理性缺陷，目前高阶PMD的补偿机理尚无突破；因此，PMD补偿方式目前看来并不成功。

    （2）先进调制码型提高信号PMD容限：其思路是通过复杂的调制码型，在保证40Gbit/s信号比特率不变的情况下降低信号波特率，从而提高信号自身的PMD容限，目前最常见的具备提高PMD容限功能的调制码型主要有RZ-DQPSK和DP-QPSK两种，其中前者仅仅依靠调制码型，而后者还涉及到第3种方式（电域均衡方式）；目前，通过RZ-DQPSK码型来提高40Gbit/s信号PMD容限是最广为应用的方式，可以将PMD容限从其它码型的2~2.5ps提升到6～8ps，效果非常明显。

    （3）基于相干接收的电域均衡技术：其原理是利用相干接收后电信号保留的光域相位信息，分离PMD导致的信号畸变，采用特殊电域均衡算法（硬件上通过高速ADC和DSP实现）纠正信号畸变，从而实现消除PMD影响的目的；北电在业界最早推出了商用的解决方案，其DP-QPSK码型40Gbit/s信号的平均PMD容限可以达到25ps，甚至超过了10Gbit/s信号的水平。

    上述3种方式的技术复杂度和使用范围都有一定的区别，笔者认为：

    PMD补偿技术由于存在原理性限制，不太可能成为一种规模商用方案。

    DQPSK是近期需要重点关注的一种高PMD容限调制码型，它以适中的复杂度实现了6～8ps的平均PMD容限，将40Gbit/sWDM系统对光纤PMD系数要求降低到优于0.2ps/sqrt(km)，国内运营商的光缆网络建设时间较晚，大多数地区都能找到满足该要求的光纤光缆。

    基于相干接收的电域均衡方案具有更好的性能，可以说是PMD限制的终极解决方案，笔者认为该方案是100Gbit/sWDM传输的解决方案，但是对于40Gbit/sWDM系统来说，还需要根据今后其发展情况和与现行方案的性价比关系来判断。

    2.2持续降低成本的需求

    目前，40Gbit/sWDM传输系统单位比特×公里的传输成本依旧高于10Gbit/sWDM系统，主要有3个原因：第一，40Gbit/sWDM传输技术自身复杂度较高，研发成本的分摊较多，元器件的成本也较高；第二，40Gbit/s WDM系统的设备出货量还远远小于10Gbit/s WDM系统，无法形成较大的规模效应来有效降低成本；第三，40Gbit/s WDM系统的无电中继传输距离不如10Gbit/s WDM系统，尤其在一些骨干网超长距离应用场景中，更多的OEO再生势必提高40Gbit/s WDM传输系统的建设成本。

    因此，持续降低40Gbit/sWDM系统的成本也应该从上述几个方面入手。首先，运营商需要根据业务需求适度超前建设40Gbit/sWDM系统，只有较大的设备采购量才能形成规模效应，降低单位比特×公里建设成本。其次，40Gbit/sWDM传输系统的技术和性能还需要进一步提高，特别是在无电中继再生距离方面，需要达到甚至超过10Gbit/s WDM系统的水平；上节分析的PMD受限问题也是部分场景40Gbit/s WDM系统成本高的重要原因，PMD问题的有效解决也有助于降低40Gbit/s WDM系统的成本。

    总之，40Gbit/s传输系统在成本方面的挑战是实现低于10Gbit/sWDM系统。随着技术进步节约的OEO再生成本和设备出货量增大带来的规模效应，乐观估计，未来两年左右，40Gbit/sWDM系统的单位比特×公里传输成本接近甚至低于10Gbit/sWDM系统。

    2.3100Gbit/s传输技术发展的挑战

    虽然40Gbit/s相对于10Gbit/s已经是一个飞跃，但是40Gbit/s远不是高速传输速率的终点。事实上，由100GE（100Gbit/s以太网）技术标准和接口带动的100Gbit/s高速传输技术已经得到了业界的广泛关注，成为高速光传输领域新的热点。

    在标准领域，ITU-T，IEEE和OIF分别在100GOTU3，100GE和100GDWDM3个领域积极推进相关技术标准的制定工作，预计在2010年底，3个组织的主要技术标准都将完成制定。在设备研发及应用领域，领先的设备厂商都启动了100Gbit/s WDM传输技术的研究工作，部分厂商发布了样机并与一些运营商合作（集中在欧洲和北美）进行了多次100Gbit/s传输的演示。因此，100Gbit/s传输技术的发展是迅猛的，业界也出现了一种论点，即40Gbit/s只是过渡技术，100Gbit/s才是下一代高速网络的标准速率，网络速率的提高可以跨越40Gbit/s，从10Gbit/s直接达到100Gbit/s。

    支持上述观点的一个佐证就是Ethernet的发展路线，毫无疑问未来WDM传输系统的主要业务就是各种速率Ethernet接口的互联互通。从10MEthernet到100GE，IEEE一直以10倍为单位提高这Ethernet的速率，10倍整数才是Ethernet的主流，40Gbit/s只是作为10Gbit/s与100Gbit/s之间过渡技术存在。
（来源：电信网技术）