100G：技術創(chuàng)新的融合產物
發(fā)布時間：2012-02-20 11:37:28 熱度：2068
2/20/2012,通信產業(yè)網(wǎng)訊,對于100G而言，不僅僅是一項技術的變革，更是將偏振復用、相位調制、超強FEC、相干檢測、DSP等多技術創(chuàng)新的融合產物，正是這些技術的發(fā)展與變革，100G才真正迎來商用時代。
2011年底，烽火通信攜手中國電信率先完成了國內首個集團級運營商的100G傳輸系統(tǒng)測試。本次測試烽火通信采用業(yè)界公認的100GDWDM長距離傳輸調制碼型，基于相干檢測的PDM-QPSK，完成80x100G超過1500km的光纖傳輸。不僅在產品的可靠性和穩(wěn)定性上展現(xiàn)了自身的技術領先地位，也標志著100G正式跨越了技術瓶頸，已全面迎來規(guī)模商用時代。
眾所周知，單信道速率的每一次提升，都會受到包括OSNR容限、色散、PMD及非線性等傳輸損傷的限制，因此需要更為先進的技術來減小這些傳輸損傷的影響，滿足傳輸距離的要求。諸如10G向40G跨越時，用到了相位調制代替NRZ傳輸碼型，提高40G信號的OSNR容限。而對于100G而言，不僅僅是一項技術的變革，更是將偏振復用、相位調制、超強FEC、相干檢測、DSP等多技術創(chuàng)新的融合產物，正是這些技術的發(fā)展與變革，100G才真正迎來商用時代。
偏振復用
利用光信號的兩個偏振態(tài)之間相互正交特性來實現(xiàn)在同一個光載波上攜帶兩路信息，使得信號碼元速率下降一半。偏振復用是比較成熟的技術，在40G系統(tǒng)中已有過工程應用，而對于100G已然成為一項不可或缺的技術。偏振復用對于發(fā)射機來說只需要一些比較簡單的無源器件即可實現(xiàn)，而難點主要在于接收機的解偏部分。但隨著相干檢測技術的不斷成熟，偏振解復用已能夠非常容易地在電域中被處理。
相位調制
相位調制在40G系統(tǒng)中得到廣泛應用，這也進一步推動了這項技術在100G中的成熟。利用QPSK技術可以使光載波攜帶的信息量增大一倍，與偏振復用的結合使得100G信號波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應用在50GHz間隔的OTN系統(tǒng)中，同時也降低了信號對光纖非線性容忍度的要求。
超強FEC
FEC是100G最關鍵的技術之一，不同的FEC將獲得不同的系統(tǒng)性能。在40G以下的傳輸系統(tǒng)當中，多采用7%開銷的硬判決FEC，采取BCH級聯(lián)或BCH與RS級聯(lián)設計的編碼增益最高在9dB左右，理論上7%開銷FEC編碼增益的香農極限是10dB。為獲取更多的編碼增益，使得100G的OSNR容限更接近于現(xiàn)有10G或40G系統(tǒng)能力，一些新型的FEC編解碼方案的出現(xiàn)解決了這一問題。低密度奇偶校驗碼(LDPC)由于編碼長度較長，同時校驗矩陣具有稀疏性，相隔較遠的碼元被同時校驗，有助于將連續(xù)的突發(fā)誤碼離散化，因此LDPC能有效糾錯突發(fā)誤碼較長的情況。除此之外，LDPC采用迭代算法解碼，譯碼電路可實現(xiàn)并行化處理，從而具備復雜度低、延時小的優(yōu)點。OIF推薦LDPC為100G的主流FEC碼型之一。軟判決也是提高編碼增益的另一種有效方式。傳統(tǒng)的硬判決對信號量化比特位為1，非“0”即“1”，軟判決則采用多個比特位(考慮設計復雜度，通常有效比特位為5)來量化信號，再通過Viterbi估計算法提高判決準確率。軟判決比硬判決的編碼增益可高出1dB以上。
烽火通信100G系統(tǒng)采用的超強FEC類型是20%開銷比的軟判決LDPC，可有效提高編碼增益至11.5dB，比目前40G系統(tǒng)采用的BCH級聯(lián)方式得到的編碼增益提高有3dB。
相干檢測及DSP
相干檢測與ADC和數(shù)字信號處理(DSP)的結合也是100G極為關鍵的一項技術突破，相比于直接檢測和自相干解調方式，相干解調具備以下幾點優(yōu)勢：
1)能有效提高解調效率。相干解調將中頻信號經過ADC采樣后利用DSP在電域完成載波恢復、相位檢測和偏振態(tài)檢測，解調精度較高，同時避免了直接檢測和自相干解調中光器件對解調靈敏度的影響。
2)能顯著提高接收機靈敏度。適當提高本振光源功率可以增加相干混頻后的光信號幅度，以改善光電轉換后電信號的誤碼率。因此，相干解調可以獲得更高的接收機靈敏度，同樣也可獲得更好的OSNR靈敏度。
3)利用DSP技術在電域均衡色散和PMD，理論上可以獲得無限寬的色散和PMD容限，考慮到芯片設計復雜度和可實現(xiàn)性，通常色散容限可設計在幾萬ps/nm，PMD容限可設計在上百ps。
4)具有更低的成本優(yōu)勢。相干檢測的核心技術在于電域的ADC和DSP，光器件僅有本振光源和相干混頻器。目前線寬為100kHz的ITLA組件和集成式的混頻器與光電探測器組件均已能夠規(guī)?；慨a。而高速ADC和DSP芯片曾經被認為是100G走向商用的最大技術瓶頸，經過一年多的磨合與發(fā)展，以40nmCMOS工藝為基礎的ASIC在穩(wěn)定性和成品率上已能達到商用化要求。
以上提到的多項技術的融合決定了100G克服技術瓶頸，達到工程實用化、規(guī)?；蟮哪芰?。從OSNR容限提升的貢獻上看，偏振復用提供了3dB，QPSK提供了3dB，F(xiàn)EC提高了3dB左右的編碼增益，相干接收理論上也能夠改善2-3dB的OSNR，使得100G的OSNR容限可以達到或者接近10G的水平。數(shù)字信號處理技術的使用讓100G在色散和PMD方面不再受限，尤其是在適應線路色散或PMD變化時，DSP芯片的收斂速度非常快，通常在毫秒級，有效解決了40G應用中由于采用FBG或Ethlon等光學器件難以避免的色散搜索時間超過秒級而影響設備倒換時間的問題。光譜寬度小于40GDPSK或DQPSK碼型，這樣100G在級聯(lián)ROADM或OADM的能力也好于40G。從組網(wǎng)結構上看，對于點對點的骨干網(wǎng)應用，100G不需要色散補償，可以簡化鏈路放大器數(shù)量，節(jié)約建網(wǎng)成本;對于城域網(wǎng)應用，100G無需考慮路由長短造成的色散變化，并可穿通多個OADM節(jié)點，組網(wǎng)更加靈活高效。
烽火通行作為中國光通信的“發(fā)源地”，在光傳輸領域有著深厚的底蘊和研發(fā)實力，一直堅持自主創(chuàng)新、自主研發(fā)的道路，早在2006年就已經對100G進行戰(zhàn)略布局，并先后承擔國家973項目“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎研究”和160×100Gb/s2000公里的3U光傳輸系統(tǒng)的研究。目前推出的商用化100b/sOTN解決方案中，其需求定位、技術起點更高，一步到位地推出了基于采用127Gb/s相干檢測偏振復用正交相位調制(CoherentPM-QPSK)作為線路傳輸碼型的100G系統(tǒng)，采用軟判決LDPC加20%開銷EFEC前向糾錯編碼算法，可獲取高達11.5dB編碼增益;采用數(shù)字信號處理技術均衡線路傳輸損傷，提升色散容忍能力達到60000ps/nm，DGD容限超過100ps，全面緩解了色散和PMD對高速傳輸系統(tǒng)的限制，各項系統(tǒng)參數(shù)達到規(guī)模商用系統(tǒng)條件。該套系統(tǒng)不但支持傳輸WDM的應用方式，而且支持基于100G的電交叉技術和支線路分離的OTN應用方式，在技術上相對業(yè)界主流解決方案更勝一籌。
總而言之，雖然目前仍受到成本和功耗問題的制約，但隨著電子工藝的發(fā)展，從產業(yè)鏈的成熟度和各大運營商測試結果來看，100G已跨越技術瓶頸，即將迎來全面規(guī)模商用。烽火通信將會不斷適應市場發(fā)展的需要，繼續(xù)加強自主創(chuàng)新能力，積極開發(fā)100G乃至更高速率傳輸研究，引領業(yè)界的發(fā)展潮流。
2011年底，烽火通信攜手中國電信率先完成了國內首個集團級運營商的100G傳輸系統(tǒng)測試。本次測試烽火通信采用業(yè)界公認的100GDWDM長距離傳輸調制碼型，基于相干檢測的PDM-QPSK，完成80x100G超過1500km的光纖傳輸。不僅在產品的可靠性和穩(wěn)定性上展現(xiàn)了自身的技術領先地位，也標志著100G正式跨越了技術瓶頸，已全面迎來規(guī)模商用時代。
眾所周知，單信道速率的每一次提升，都會受到包括OSNR容限、色散、PMD及非線性等傳輸損傷的限制，因此需要更為先進的技術來減小這些傳輸損傷的影響，滿足傳輸距離的要求。諸如10G向40G跨越時，用到了相位調制代替NRZ傳輸碼型，提高40G信號的OSNR容限。而對于100G而言，不僅僅是一項技術的變革，更是將偏振復用、相位調制、超強FEC、相干檢測、DSP等多技術創(chuàng)新的融合產物，正是這些技術的發(fā)展與變革，100G才真正迎來商用時代。
偏振復用
利用光信號的兩個偏振態(tài)之間相互正交特性來實現(xiàn)在同一個光載波上攜帶兩路信息，使得信號碼元速率下降一半。偏振復用是比較成熟的技術，在40G系統(tǒng)中已有過工程應用，而對于100G已然成為一項不可或缺的技術。偏振復用對于發(fā)射機來說只需要一些比較簡單的無源器件即可實現(xiàn)，而難點主要在于接收機的解偏部分。但隨著相干檢測技術的不斷成熟，偏振解復用已能夠非常容易地在電域中被處理。
相位調制
相位調制在40G系統(tǒng)中得到廣泛應用，這也進一步推動了這項技術在100G中的成熟。利用QPSK技術可以使光載波攜帶的信息量增大一倍，與偏振復用的結合使得100G信號波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應用在50GHz間隔的OTN系統(tǒng)中，同時也降低了信號對光纖非線性容忍度的要求。
超強FEC
FEC是100G最關鍵的技術之一，不同的FEC將獲得不同的系統(tǒng)性能。在40G以下的傳輸系統(tǒng)當中，多采用7%開銷的硬判決FEC，采取BCH級聯(lián)或BCH與RS級聯(lián)設計的編碼增益最高在9dB左右，理論上7%開銷FEC編碼增益的香農極限是10dB。為獲取更多的編碼增益，使得100G的OSNR容限更接近于現(xiàn)有10G或40G系統(tǒng)能力，一些新型的FEC編解碼方案的出現(xiàn)解決了這一問題。低密度奇偶校驗碼(LDPC)由于編碼長度較長，同時校驗矩陣具有稀疏性，相隔較遠的碼元被同時校驗，有助于將連續(xù)的突發(fā)誤碼離散化，因此LDPC能有效糾錯突發(fā)誤碼較長的情況。除此之外，LDPC采用迭代算法解碼，譯碼電路可實現(xiàn)并行化處理，從而具備復雜度低、延時小的優(yōu)點。OIF推薦LDPC為100G的主流FEC碼型之一。軟判決也是提高編碼增益的另一種有效方式。傳統(tǒng)的硬判決對信號量化比特位為1，非“0”即“1”，軟判決則采用多個比特位(考慮設計復雜度，通常有效比特位為5)來量化信號，再通過Viterbi估計算法提高判決準確率。軟判決比硬判決的編碼增益可高出1dB以上。
烽火通信100G系統(tǒng)采用的超強FEC類型是20%開銷比的軟判決LDPC，可有效提高編碼增益至11.5dB，比目前40G系統(tǒng)采用的BCH級聯(lián)方式得到的編碼增益提高有3dB。
相干檢測及DSP
相干檢測與ADC和數(shù)字信號處理(DSP)的結合也是100G極為關鍵的一項技術突破，相比于直接檢測和自相干解調方式，相干解調具備以下幾點優(yōu)勢：
1)能有效提高解調效率。相干解調將中頻信號經過ADC采樣后利用DSP在電域完成載波恢復、相位檢測和偏振態(tài)檢測，解調精度較高，同時避免了直接檢測和自相干解調中光器件對解調靈敏度的影響。
2)能顯著提高接收機靈敏度。適當提高本振光源功率可以增加相干混頻后的光信號幅度，以改善光電轉換后電信號的誤碼率。因此，相干解調可以獲得更高的接收機靈敏度，同樣也可獲得更好的OSNR靈敏度。
3)利用DSP技術在電域均衡色散和PMD，理論上可以獲得無限寬的色散和PMD容限，考慮到芯片設計復雜度和可實現(xiàn)性，通常色散容限可設計在幾萬ps/nm，PMD容限可設計在上百ps。
4)具有更低的成本優(yōu)勢。相干檢測的核心技術在于電域的ADC和DSP，光器件僅有本振光源和相干混頻器。目前線寬為100kHz的ITLA組件和集成式的混頻器與光電探測器組件均已能夠規(guī)?；慨a。而高速ADC和DSP芯片曾經被認為是100G走向商用的最大技術瓶頸，經過一年多的磨合與發(fā)展，以40nmCMOS工藝為基礎的ASIC在穩(wěn)定性和成品率上已能達到商用化要求。
以上提到的多項技術的融合決定了100G克服技術瓶頸，達到工程實用化、規(guī)?；蟮哪芰?。從OSNR容限提升的貢獻上看，偏振復用提供了3dB，QPSK提供了3dB，F(xiàn)EC提高了3dB左右的編碼增益，相干接收理論上也能夠改善2-3dB的OSNR，使得100G的OSNR容限可以達到或者接近10G的水平。數(shù)字信號處理技術的使用讓100G在色散和PMD方面不再受限，尤其是在適應線路色散或PMD變化時，DSP芯片的收斂速度非常快，通常在毫秒級，有效解決了40G應用中由于采用FBG或Ethlon等光學器件難以避免的色散搜索時間超過秒級而影響設備倒換時間的問題。光譜寬度小于40GDPSK或DQPSK碼型，這樣100G在級聯(lián)ROADM或OADM的能力也好于40G。從組網(wǎng)結構上看，對于點對點的骨干網(wǎng)應用，100G不需要色散補償，可以簡化鏈路放大器數(shù)量，節(jié)約建網(wǎng)成本;對于城域網(wǎng)應用，100G無需考慮路由長短造成的色散變化，并可穿通多個OADM節(jié)點，組網(wǎng)更加靈活高效。
烽火通行作為中國光通信的“發(fā)源地”，在光傳輸領域有著深厚的底蘊和研發(fā)實力，一直堅持自主創(chuàng)新、自主研發(fā)的道路，早在2006年就已經對100G進行戰(zhàn)略布局，并先后承擔國家973項目“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎研究”和160×100Gb/s2000公里的3U光傳輸系統(tǒng)的研究。目前推出的商用化100b/sOTN解決方案中，其需求定位、技術起點更高，一步到位地推出了基于采用127Gb/s相干檢測偏振復用正交相位調制(CoherentPM-QPSK)作為線路傳輸碼型的100G系統(tǒng)，采用軟判決LDPC加20%開銷EFEC前向糾錯編碼算法，可獲取高達11.5dB編碼增益;采用數(shù)字信號處理技術均衡線路傳輸損傷，提升色散容忍能力達到60000ps/nm，DGD容限超過100ps，全面緩解了色散和PMD對高速傳輸系統(tǒng)的限制，各項系統(tǒng)參數(shù)達到規(guī)模商用系統(tǒng)條件。該套系統(tǒng)不但支持傳輸WDM的應用方式，而且支持基于100G的電交叉技術和支線路分離的OTN應用方式，在技術上相對業(yè)界主流解決方案更勝一籌。
總而言之，雖然目前仍受到成本和功耗問題的制約，但隨著電子工藝的發(fā)展，從產業(yè)鏈的成熟度和各大運營商測試結果來看，100G已跨越技術瓶頸，即將迎來全面規(guī)模商用。烽火通信將會不斷適應市場發(fā)展的需要，繼續(xù)加強自主創(chuàng)新能力，積極開發(fā)100G乃至更高速率傳輸研究，引領業(yè)界的發(fā)展潮流。
