40 Gbits光傳輸系統(tǒng)關鍵技術及應用方案

摘要　隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的迅猛發(fā)展，對骨干傳輸網(wǎng)提出了更高的傳輸速率需求，在此背景下40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)逐步進入了歷史舞臺。首先對40 Gbit/s系統(tǒng)的應用背景、采用的關鍵技術和所具備的優(yōu)勢進行論述；然后給出40 G系統(tǒng)的商用方案，并對方案進行對比分析。

1、背景

自90年代中期以來，網(wǎng)絡容量一直以每5～6年翻4倍的速度穩(wěn)步增長。從622 M到2.5G，從2.5G到10G，光纖傳輸速率的每次飛躍過程用“道路曲折，前途光明”來形容最為貼切。近期，40G也將面臨類似向10G演進時的微妙階段。目前普遍認為，向40G邁進的步伐明顯落后于容量增加的正常規(guī)律 [1]，其中的原因有多方面，包括市場需求迫切程度、大容量10G波分復用技術的廣泛應用、高速傳輸帶來的技術或成本難題以及電信泡沫的破裂等。同時，運營商對新技術的應用更趨謹慎，對網(wǎng)絡優(yōu)化和網(wǎng)絡容量的提升采取了亦步亦趨的做法，網(wǎng)絡建設更加理性。

光通信市場在經(jīng)歷低谷之后，如今元氣已基本得以恢復，并呈現(xiàn)良好的上升勢頭?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務（尤其寬帶業(yè)務）的迅猛發(fā)展極大地拉動了市場對帶寬的需求，加上3重播放業(yè)務的出現(xiàn)，使得運營商有必要采用更高速率。因此，時隔幾年，沉寂了一段時間的40G系統(tǒng)再次進入大家的視線，讓人們又一次充滿期待。

2、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的關鍵技術

40 Gbit/s系統(tǒng)的實現(xiàn)要廣泛應用電子學和光學領域的技術。首先，需要將網(wǎng)絡業(yè)務低速顆粒復用為40 Gbit/s信號，將其成幀；其次，選擇適合傳輸?shù)母袷竭M行編碼，然后進行驅(qū)動和調(diào)制；最后，將其發(fā)送到光纖上傳輸?shù)阶罱墓夥糯笳军c。完成這些工作需要解決許多關鍵技術問題，主要包括：IC材料技術、調(diào)制技術、提高光信噪比（OSNR）技術、色散補償技術、超級FEC等。

（1）IC材料技術

40 Gbit/s網(wǎng)絡隨著脈寬或脈沖間隔的變窄，信號抖動和碼間干擾（ISI）對信號的影響也變得更差。為了保證高質(zhì)量的波形傳輸，就必須改善數(shù)字和模擬IC技術，以便高速、寬帶、低噪聲地對光波形進行整形和再定時。另外，IC功能的改良和功耗的減少是縮減成本的必要途徑。

在40 Gbit/s系統(tǒng)中很多芯片需要采用InP（銦磷）材料，但是InP材料制作比較困難，同時由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得非常困難，插損大。

（2）調(diào)制技術

目前主要有3種傳統(tǒng)光調(diào)制器：直接調(diào)制分布反饋半導體激光器（DFB-LD）、電吸收外部調(diào)制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3馬赫-曾德爾（Mach Zehnder）外部調(diào)制。這些調(diào)制器的應用領域是由他們各自的帶寬、啁啾脈沖和波長相關性所決定的。前兩種方式不適合高速系統(tǒng)，LiNbO3調(diào)制可以生成高速、低啁啾的傳輸信號，而且特性與波長沒有關系，被認為是40 Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)的最佳選擇。

40G調(diào)制格式的選擇是一個難題。目前有多種方式，例如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼、光孤子、偽線性RZ、啁啾的RZ、全譜RZ、雙二進制等等。從最新的研究成果分析，差分相移鍵控RZ碼（DPSK）顯得最有希望，這種調(diào)制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長。

（3）提高光信噪比技術

同10 Gbit/s WDM系統(tǒng)相比較，40 Gbit/s WDM系統(tǒng)有更多與光信噪比（OSNR）、色散、非線性作用、PMD等有關的尚待解決的問題。對于40 Gbit/s系統(tǒng)，為了要達到與10 Gbit/s系統(tǒng)相近的傳輸誤碼率，系統(tǒng)OSNR需提高6～8 dB。

（4）色散補償技術

從理論上看，色度色散代價和極化模色散代價都隨比特率的平方關系增長，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，實現(xiàn)起來非常困難。由于小于100ps/nm色散容差很小，對于40 Gbit/s的系統(tǒng)來說有可能會造成極其嚴重的限制，所以，從系統(tǒng)靈活設計和經(jīng)濟角度考慮，應采用可變色散補償器（VDC）進行自動補償。40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的另一個很嚴重的制約因素是偏振模色散（PMD），它是由纖心的不對稱以及內(nèi)、外壓力（如光纖的彎曲）所致。由于引入了雙折射，光纖中的兩個傳播偏振模經(jīng)歷了群時延的微分（DGD），這導致了脈沖的加寬，即產(chǎn)生碼間干擾（ISI）并表現(xiàn)為比特誤差率的上升。

（5）超級FEC技術[2]

這是一個相對比較古老的技術，從1984年面世，至今才開始形成大規(guī)模的應用。隨著光速率達到40 G，提高光信噪比的難度越來越大，成本和代價也越來越高，F(xiàn)EC就成為一個非常關鍵的實用技術。特別是對于40 Gbit/s速率，采用帶外FEC已經(jīng)成為關鍵的使能技術之一，不僅可以使傳輸距離達到實用化要求，而且在一些短距離傳輸系統(tǒng)上，可以避免實施昂貴復雜的有源PMD補償。

3、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

基于所采用的關鍵技術以及本身的特性，40 Gbit/s系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。

（2）減少了OAM的成本、復雜性以及備件的數(shù)量。尤其在城域骨干網(wǎng)絡上，調(diào)度性、集成度要遠遠好于4個10G系統(tǒng)，可以節(jié)省機房面積，減少設備堆疊，提高單節(jié)點設備的帶寬管理能力和調(diào)度能力。

（3）每比特的成本比其它的城域網(wǎng)的方案更加經(jīng)濟。

（4）通常單波長可以處理多個數(shù)據(jù)連接，核心網(wǎng)的功能將會大大地增強，40G將使業(yè)務得到更加高效和有保護的承載。

鑒于以上優(yōu)勢，40G將具有廣泛的應用范圍。在商用模式具備后，40 Gbit/s接口將會出現(xiàn)在DWDM系統(tǒng)、ADM設備、大容量帶寬管理設備及路由器上[3]，將為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡POP節(jié)點提供高速互聯(lián)的功能。因此，40G系統(tǒng)將會在城域骨干網(wǎng)以及長途干線網(wǎng)絡中得到廣泛應用。

4、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的應用方案

近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和各類業(yè)務的不斷興起，對路由器（尤其是核心路由器）的容量需求不斷提高，單機640 Gbit/s容量的產(chǎn)品開始出現(xiàn)。而在實際運營網(wǎng)絡中，個別核心節(jié)點的容量需求已達Tbit/s量級?？梢灶A見，核心路由器將會迎來40G端口時代。根據(jù)試驗情況，40G系統(tǒng)主要有3種應用模式。

（1）新建N×40 Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡

支持40 Gbit/s路由器的最佳傳輸方案是40 Gbit/s WDM傳輸技術。目前在40 Gbit/s WDM技術方面領先的是兩個新興公司：Mintera和StrataLight，一些傳統(tǒng)設備商也聲稱自己的產(chǎn)品支持40 Gbit/s速率。從研究的結論來看，只要選用合適的光纖（PMD系數(shù)在0.1 ps/km1/2以內(nèi)），目前信道間隔100 GHz、傳輸距離1000 km以內(nèi)的40 Gbit/s WDM傳輸技術已經(jīng)成熟，如果光纖損耗和跨距合適，可以不使用拉曼放大器。

（2）10/40 Gbit/s混傳

為了支持40 Gbit/s信號在現(xiàn)網(wǎng)中的傳輸，最可行的方案是在現(xiàn)有10 Gbit/s WDM系統(tǒng)中開通若干個40 Gbit/s速率波長通道，即10/40 G混傳技術[4]。

10/40 G混傳技術面臨的挑戰(zhàn)是50 GHz間隔的40 Gbit/s信號傳輸。由于近幾年新建了大量50 GHz間隔（C波段80波）的10 Gbit/s WDM系統(tǒng)，混傳模式的應用必然要求在這些系統(tǒng)上開通40 Gbit/s波長信道。因為50 GHz間隔的40 Gbit/s WDM系統(tǒng)頻譜利用率高達80%，濾波效應、非線性效應等不利因素的影響將極大限制系統(tǒng)傳輸性能。研究表明，采用CSRZ碼型，50 GHz間隔系統(tǒng)中40 Gbit/s信號的ONSR容限比100 GHz間隔系統(tǒng)中要高約2 dB；而且對OTU和濾波器件的波長穩(wěn)定性提出了更嚴格的要求，中心波長偏移超過0.02 nm就會帶來約1 dB的濾波代價。

（3）4×10 Gbit/s反向復用技術

40 Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)在技術實現(xiàn)還是成本因素都存在較多的限制，而反向復用（IMUX）技術另辟捷徑，可以在10 Gbit/s WDM系統(tǒng)上實現(xiàn)40 Gbit/s信號的傳輸。

反向復用指的是在發(fā)送端將一路高速率信號解復用成為若干路低速率信號，經(jīng)過低速率的傳輸系統(tǒng)的傳輸后，在接收端將多路低速率信號復用成一路高速率信號。這與常用的復用技術正好相反，所以稱為反向復用。低速IMUX技術的實現(xiàn)并不復雜，但是不能因此低估了高速IMUX技術的實現(xiàn)難度，實際上目前40 Gbit/s IMUX技術的實現(xiàn)難度甚至大于40 Gbit/s WDM技術。

40 Gbit/s IMUX技術的最大優(yōu)點是不需要對現(xiàn)有10 Gbit/s WDM系統(tǒng)進行任何改造，即可實現(xiàn)對40 Gbit/s業(yè)務傳輸?shù)闹С帧，F(xiàn)網(wǎng)中核心路由器之間一般直接通過WDM系統(tǒng)的波長信道相連接，在這種網(wǎng)絡架構下，40 Gbit/s IMUX可以如圖1所示在兩個位置實現(xiàn)：第一個位置是路由器接口，即路由器接口板對內(nèi)（核心路由模塊）提供40 Gbit/s接口，對外提供4個10 Gbit/s接口，IMUX功能在路由器接口板上實現(xiàn)；第二個位置是WDM設備業(yè)務側接口，即OTU業(yè)務側提供一個40 Gbit/s接口完成與路由器40 Gbit/s接口的對接，波分側用4個10 Gbit/s接口進行傳輸，IMUX功能在WDM設備OTU板上實現(xiàn)。 


4.1　方案比較

綜上所述，徹底解決40 Gbit/s信號的傳輸問題還有待時日，可能的解決方案發(fā)展路線如下所述：10/40 Gbit/s混傳技術可以在一些滿足使用條件的線路上首先得到應用，但是沒有規(guī)模效應。40 Gbit/s IMUX技術一旦成熟，可以基于現(xiàn)有10 Gbit/s WDM系統(tǒng)，提供限制條件更為寬松的40 Gbit/s信號傳輸解決方案。但是40 Gbit/s IMUX只是一種過渡技術，形成規(guī)模效應的40 Gbit/s WDM系統(tǒng)將是解決40 Gbit/s信號傳輸問題的最終解決方案。

5、總結

下一代網(wǎng)絡的顯著特征之一就是網(wǎng)絡的業(yè)務性，下一代光傳輸設備必須充分考慮到對未來網(wǎng)絡業(yè)務的支持；雖然2.5G和10G是目前網(wǎng)絡中最常用的接口，但隨著帶寬需求的進一步增加，40 Gbit/s技術將是下一代通信網(wǎng)最關鍵的技術，傳輸網(wǎng)向著40 Gbit/s邁進是網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢[4]。盡管40 Gbit/s暫時面臨一系列技術上的困難，但目前這些困難都已經(jīng)有了或即將有相應的解決方案，在不遠的將來，40 Gbit/s系統(tǒng)必將登上傳輸領域的舞臺，成為今后幾年骨干網(wǎng)和城域核心網(wǎng)中最重要的傳輸接口之一。

來源：泰爾網(wǎng)