200Gbps混合調(diào)制碼型的光性能評估與應(yīng)用

  ICC訊 近年來，虛擬現(xiàn)實、高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)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(luò)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(zhuǎn)向超100G(B100G)容量的系統(tǒng)場景。

  當(dāng)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(luò)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(dāng)前B100G線路側(cè)光模塊技術(shù)已呈現(xiàn)差異化發(fā)展，各種不同的調(diào)制編碼技術(shù)最終體現(xiàn)為各指標(biāo)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(diào)制技術(shù)在時域上將不同QAM調(diào)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(luò)組網(wǎng)的熱門技術(shù)。在業(yè)務(wù)速率固定的情況下，可以通過調(diào)整混合比例改變業(yè)務(wù)信號帶寬，以適應(yīng)不同的傳輸信道條件。相比常規(guī)調(diào)制技術(shù)，混合調(diào)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(diào)制方案

  以高階調(diào)制技術(shù)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(diào)制碼型對應(yīng)的200Gbps業(yè)務(wù)性能和應(yīng)用場景如表1所示。

表1 200G調(diào)制碼型性能

  200G混合調(diào)制方案

  當(dāng)前主流編碼調(diào)制整形方案均通過選擇更適配的調(diào)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(diào)制為業(yè)內(nèi)最為先進的編碼整形技術(shù)之一，其基本原理如圖1所示。

圖1 混合調(diào)制編碼整形技術(shù)

  當(dāng)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(wù)速率，多種調(diào)制方式和多種開銷的FEC編碼方式。在特定業(yè)務(wù)速率下，采用低階調(diào)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(diào)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(diào)制碼型或不同混合比例的調(diào)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(diào)制技術(shù)需要通過人工選擇或SDON自動調(diào)節(jié)算法，選擇合適的調(diào)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(chǎn)品的規(guī)劃設(shè)計需要有準(zhǔn)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(chǔ)上，依據(jù)設(shè)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(guān)，對于標(biāo)準(zhǔn)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(diào)制(SPM，Self Phase Modulation)、交叉相位調(diào)制(XPM，Cross Phase Modulation)、四波混頻(FWM，F(xiàn)our Wave Mixing)三類非線性折射效應(yīng)(即克爾非線性效應(yīng))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(nèi)的受激散射效應(yīng)。

  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(nèi)SPM、信道間XPM、FWM等都當(dāng)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(guān)研究報道該模型取得了較高的評估準(zhǔn)確性。

  -光濾波損傷評估

  現(xiàn)階段ROADM架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)得到大規(guī)模商業(yè)部署，以滿足DWDM網(wǎng)絡(luò)管理和調(diào)度靈活性要求，其中WSS(Wavelength Selective Switch)模塊是實現(xiàn)ROADM網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵器件。當(dāng)前業(yè)內(nèi)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(zhǔn)奈奎斯特WDM的傳輸方案變?yōu)榭赡?。而在多個ROADM站點級聯(lián)的業(yè)務(wù)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(chǎn)生光濾波損傷。尤其在準(zhǔn)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(dǎo)致接收機性能會嚴(yán)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(dāng)出現(xiàn)時延偏差時接收端信號時鐘就會反饋誤差，反向調(diào)整插值的偏移方向和趨勢來調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)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(dǎo)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(zhǔn)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(wù)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(wù)光信號帶寬，以減小系統(tǒng)中光濾波效應(yīng)導(dǎo)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(diào)制的光傳輸性能評估

  200Gbps高性能混合調(diào)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(diào)制碼型的調(diào)制譜效、波特率以及通道間隔的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

  結(jié)合WDM系統(tǒng)光路配置要求，200Gbps不同混合調(diào)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(diào)制碼型的調(diào)制譜效、波特率以及通道間隔關(guān)系

表3 200G混合調(diào)制的最大傳輸跨段與ROADM站點穿通能力表

  200Gbps高性能混合調(diào)制提供了一種頻譜效率與傳輸性能相平衡的技術(shù)方案，在業(yè)務(wù)新建與動態(tài)恢復(fù)中，基于混合調(diào)制技術(shù)以及相關(guān)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(diào)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(diào)制技術(shù)具備靈活的信道適應(yīng)能力，將在下一代大容量動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的升級擴容中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  作者：中興通訊 尚文東，施鵠