新一代40Gbit/s传输技术

摘要

介绍了自适应智能全光网的基本特点，实现这些特点的关键组建，讨论了每波长40Gbit/s的光传输系统技术、目前的发展状况及40Gbit/s解决方案与现有10Gbit/s DWDM系统链路的兼容性，以及北电基于40Gbit/s系统——双极化四相相移键控（DP-QPSK）的传输技术。

1  引言

10年前，北电率先推出商用10Gbit/s SDH和基于10Gbit/s密集波分（DWDM）系统，很好地满足了以往以语音和传统数据业务为主的网络需求。光传输技术的发展主要是围绕增强光网络的机动灵活能力（如ROADM）、互通性（如OTN）、多业务接入（MSTP）、延长传输距离（FEC及喇曼放大器）等方面的改良。在与传输容量相关技术方面，仍以10Gbit/s为主，即直接强度调制和传统的光电转换接收，每对光纤数百Gbit/s的传输容量。

随着新型业务的引入和节点容量的提高，网络传输能力也必须相应增强。因此，目前基于10Gbit/s波长的光传输系统已经不能适应目前新型业务的需求，迫切需要发展能够提供更高传输能力的光网络技术及系统，即基于40Gbit/s波长的光网络将每对光纤的传输能力再提高4倍以上。

2  自适应智能全光网的概念

2.1  自适应全光智能网络基本特点

（1）自适应。能够方便地重新配置网络，从而满足最终用户不断变化的需求。
（2）全光。尽量减少网络上光→电→光（OEO）中继站的数量，实现简化网络、降低成本的目的。
（3）智能。能够监视运行状况中的老化和变化，不断地实时优化光层参数，并自动做出相应调整，确保信号始终拥有最佳性能。最好"即插即用"。
（4）可扩展。可以承载不断增加的业务容量，适应不同业务类型，同时通过降低操作复杂性来降低网络成本。

实现上述愿景的关键组件包括：用于实现网络灵活性和业务机动性的可重构全光分插复用器（ROADM）、用于简化光链路的电子色散补偿技术以及用于免除现场人工配置的必需和降低备件成本的可调谐激光和滤波器（见图1）。

图1  自适应全光智能网络

2.2  ROADM和电子色散补偿技术给网络带来的好处

（1）可重构全光分插复用器（ROADM）

可重构全光分插复用器（ROADM）能够让网络运营商灵活制订业务计划，迅速满足不断变化的客户和业务需求。一个ROADM必须具备多分支能力，能够在网络上方便灵活地分出、插入或重路由各个波长的信号；必须能在50GHz网络上运行，以实现最大的可扩展性；必须满足在100GHz环境下运行，以支持成本敏感型应用。ROADM的另一个关键要素是能够传输任何业务，如10Gbit/s，40Gbit/s或100Gbit/s。

（2）电子动态色散补偿（eDCO）技术

传统的固定色散补偿模式基于DWDM网络，由终端站组成并依据系统电中继段长度进行补偿，主要表现在以下几方面：

●需要根据线路长度拓扑进行规划。
●需要预测和设计OADM站点。
●需要针对各个光放大段选择DCM。
●光纤路由或参数改变需要重新配置DCM。
●无法支持光层重构(ROADM)。

由于距离和波长数量使色散补偿窗口变窄，色散影响率必须采用子波带补偿，DCM引入的光功率损耗需要附加的光功率放大（两级光放大），增加了系统成本，产生了更多的光噪声，占用了更多空间。

对于全光网络，其每个业务波长穿越不同距离和路由，跨过的光纤类型也不同。传统的固定色散补偿模式一般基于全部C，L波带或子波带进行固定补偿，无法对动态的网络状况和业务需求进行色散补偿。其可能的业务和路由如图2所示。

图2  全光网的需求

电子色散补偿（eDCO）技术可以是传输前的预补偿、单波长补偿以及利用接收端反馈调节补偿水平。预补偿的目的是改变传输脉冲频谱来抵消光纤色散影响，无需DSCM，可降低光噪声水平，支持光层交换，降低运维承包成本。

图3描述了采用eDCO技术和ROADM简化网络的原理。北电于2005年推出的10Gbit/s电子动态色散补偿光传输（eDCO）技术证明它已经成为一项非常有效的网络简化技术。eDCO在无需任何色散补偿设备的情况下能够将波长传输距离延长2000多km。eDCO不仅消除了色散补偿模块（DCM）及相关光放大器的成本，而且大幅提升了网络的灵活性。此外，该技术还免除了大多数光纤特性测量和网络设计工作，运营商再也不需要根据传输所用的光纤考虑采用何种补偿技术。通过采用eDCO技术，服务供应商可以充分利用ROADM提供的灵活性，重新配置网络并在各个波长之间进行转换，无需对色散补偿作任何重新设计。

图3  采用eDCO技术和ROADM简化网络的原理示意图

3  网络从10Gbit/s演进至大容量网络的几点考虑

当网络从10Gbit/s演进至40Gbit/s或100Gbit/s时，我们所选择的解决方案必须能够始终满足实现自适应全光智能网络的目标。具体而言，为了使更高速率的解决方案得到广泛应用，后者必须满足以下条件：

（1）拥有与现有10Gbit/s系统相类似的部署和运行条件，无论在色散（CD）、极化模色散（PMD）还是光信噪比（OSNR）方面。
（2）可扩展，即支持50GHz波长间距。
（3）具备全面的机动性，可满足不断变化的业务需求（ROADM的灵活性）。

4  40Gbit/s网络面临的挑战

4.1  40Gbit/s网络面临的挑战

（1）为了将带宽提升4倍，就必须将40Gbit/s TDM解决方案中的信号比特率提高4倍（即将比特间隔从100皮秒缩短至25皮秒）。否则会影响系统的传输距离，从而降低其经济性。
（2）目前，光网络上广泛部署的OADM和ROADM滤波器影响了部署40G解决方案所使用的路由类型。

4.2  几种商用的40Gbit/s调制技术对比

早在10Gbit/s波分的概念被普遍采纳的同时，业界就已经在探讨40Gbit/s波分的实现方案，曾提出了一些新的调制技术，如双二进制、差分相移键控（DPSK）和差分四相相移键控（DQPSK）等。这些技术在性能上互有优劣，但普遍不能达到10Gbit/s波分系统的传输距离和光缆兼容性，不能充分发挥已有的波长机动调度能力(ROADM)，有的方案(DPSK)甚至需要加大波长间隔来达到不实现容量增加4倍的要求。这些技术方案都过多依赖超高速光电器件，实现成本较高。

5  北电双极化四相相移键控（2-POL QPSK）

5.1  10Gbit/s参考系统

目前，大多数10Gbit/s系统都采用NRZ（非归零）作为标准的调制格式。这种技术通过开关光信号对二进制的高低状态（分别用数字"1"和"0"表示）进行编码，并通过滤波器传输所产生的信号。这些系统可采用高增益前向纠错技术，实现超过1000km的传输距离。

5.2  双二进制（PSBT）

双二进制调制（也被称为"相位整形二进制传输"或PSBT）技术将每一个"1"bit光信号的相位转变为一个特定的比特序列，平均光信号功率与标准的NRZ信号相比也减少了一半。由于采用相位编码，信号的光带宽降低了，因此色散和极化模色散容限比起40Gbit/s NRZ得到改善。尽管如此，其各方面的性能还远不如10Gbit/s参考系统。

5.3  差分相移键控（DPSK）

差分相移键控（DPSK）技术是将比特信息转换成光信号相位的编码。与双二进制调制技术相比，这种技术可以将光信噪比灵敏度提高3dB，由此提供的传输距离性能大约为双二进制解决方案的2倍。为了获得最佳系统性能，要在接收器检测相位编码，需使用平衡探测器（2个PIN二极管），探测器前连有一个1bit光延迟线。相对于40Gbit/s NRZ，这些器件增加了接收器的成本。该技术比40G NRZ性能提升显著，但仍逊色于10Gbit/s参考系统。此外，OADM对系统传输距离的影响在DPSK系统中体现得较为明显。

5.4  差分四相相移键控（DQPSK）

差分四相相移键控（DQPSK）是四相版的DPSK。在采用DQPSK技术传输的每一个码元中，有两个比特经过编码，它们的比特组合为00，01，11和10。与DPSK相比，DQPSK具有一个优势，即能够将线路速率降低50%，为20Gbit/s。但实现这一点必须以大幅增加接收器的复杂程度和成本为代价。接收器需要配备的高速光电器件大约2倍于DPSK解决方案和4倍于40Gbit/s NRZ解决方案。这些器件的工作频率是双二进制解决方案的一半。不仅如此，这种解决方案需要使用两个1bit光延迟线路（比DPSK多一个）。就40Gbit/s TDM解决方案而言，这种调制方法提供的显著改进提升了对PMD的弹性。

5.5  在现有10Gbit/s网络上的运行比较

（1）传输距离

与10Gbit/s系统相比，双二进制技术在电中继之前的典型传输距离为500km。虽然可以通过增加喇曼前置放大器来延长传输距离，但网络成本以及系统安装和运行的复杂程度也将会大幅增加。

（2）色散和极化模色散容限值

由于DQPSK的比特率只有其它两个解决方案的一半，DQPSK的极化模色散容限值要比二进制或DPSK高，因此性能也高于二者。但值得注意的是，DQPSK的极化模色散容限值仍然低于10Gbit/s NRZ解决方案两倍。为了改善这些参数的性能，可以部署PMD补偿器、子波带微调色散补偿模块和可调谐色散补偿器。虽然这些设备可以改善上述参数，但仍不能达到10 Gbit/s系统的性能。此外，由于需要安装额外设备，40Gbit/s系统的经济性以及可重配置能力将会因此受到很大影响。

（3）50GHz波长间隔的兼容性

DPSK存在一个很大的局限性，即不能在50GHz系统中运行，因此它不能用作40G解决方案。双二进制和DQPSK解决方案可以在50GHz系统中运行，但在电中继站之前，每个网络跨段上可部署的OADM/ROADM的数量最多只能有3个。由于存在这种限制，服务供应商既不能利用网络中的现有设备，也不能充分利用ROADM所带来的灵活性和低成本优势。

（4）电子系统

由于双二进制，DPSK和DQPSK系统中的电子器件需要在一个高于10Gbit/s系统的频率上工作，这些解决方案的成本目前要高于4个10Gbit/s解决方案的成本，因此只适合少量的特殊应用。此外，上述因素还限定了适用器件的采购，因此这些解决方案的经济性又受到了影响。

总而言之，由于存在以下制约因素，40Gbit/s双二进制和DQPSK解决方案不便于在现有网络上部署：

（1）由于传输距离短于10Gbit/s系统，必须在网络上部署喇曼放大器；
（2）由于色散和极化模色散容限值低于10Gbit/s系统，必须安装额外的补偿设备；
（3）允许部署的OADM/ROADM的数量远低于10Gbit/s系统，难于甚至不可能符合50GHz系统对于OADM/ROADM的要求。

由于不能在50GHz环境中运行，DPSK不能用作40Gbit/s解决方案。表1列出了各种下一代40G系统对比情况。

表1  各种下一代40G系统对比表

6  DP-QPSK 40Gbit/s（双极化四相相移键控）光传输技术

北电解决40Gbit/s传输所面临的挑战的方案是，采用10Gbit/s波特的QPSK编码方式。如图4所示，该解决方案使用了两个QPSK信号，每个QPSK信号调制光载波的两个正交极化光之一。这种方法被称作双极化（2-POL）QPSK。采用这种调制技术后，可以使用类似于10Gbit/s系统中所使用的电器件和光电器件实现40Gbit/s传输，而且光损伤也只相当于10Gbit/s系统。该解决方案所使用的接收器是全相干接收器，它将接收到的信号与一个本地振荡器混合，然后将其检测出来。一个相干接收器能够保持成功解码QPSK信号所需的信号特性。在完成高速、高分辨率的模数转化后，接收器使用北电开发的基于CMOS的数字信号处理器来区分和跟踪这些信号。

图4 双极化四相相移键控

6.1  DP-QPSK调制

DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying)，或称双极化QPSK，是在每一波长采用两个QPSK信号来传递40Gbit/s业务，这两个QPSK信号分别调制光载波两个正交极化（偏振）中的一个。由于QPSK和正交极化复用分别将频谱利用率提高一倍，与Duobinary或DPSK等调制方式相比，DP-QPSK只需1/4频谱带宽，因而可以获得与传统10Gbit/s NRZ系统类似的噪声特性。

DP-QPSK发射机原理图如图5所示，这里只显示出X轴QPSK电路，Y轴电路除另有I和Q信道数据外与X轴完全一样。X轴和Y轴光信号按正交极化（偏振）复用，合并成通过光纤传输的信号。

图5  DP-QPSK发射机原理图

6.2  相干接收机

DP-QPSK的相干检测如图6所示。接受信号通过一个极化束分离器(Polarization Beam Splitter)分解成两个正交信号，每个正交信号都与一个本地光源混频，该本地光源的载波频率控制精度为数百MHz。混频后得到4个极化和相位正交的光信号，分别用PIN检测，经电放大和滤波后由A/D电路转化为4路数字信号，其间实现的3dB带宽大约为6GHz，从而消除了带外噪声。

图6  相干接收机

定时恢复、信号恢复、极化和PMD跟踪，以及色散补偿均为数字化处理实现。

6.3  数字信号处理(DSP)

接受信号的电场是发送信号电场与光纤琼斯矩阵的乘积，经过场域解析，可以近乎完美地将原始的发送信号与光纤传播效应(色散和PMD等)分离。

在数字信号处理中运用了多级的线性和非线性处理，整体为具有152个有效抽头的有限冲激相应(FIR)数字滤波效应，运算速度为每秒12×1012次。实现了系统在5×104ps/nm的色散及25ps平均DGD时的OSNR代价可忽略不计，而在8×104ps/nm的色散和33ps平均DGD时的OSNR代价各约2dB。

快速控制电路保证本地光源的激光器线宽为2MHz，且能跟踪50kHz的PMD状态旋转。监测电路可报告实时的色散和PMD参数。

上述的A/D电路，数字信号处理器及其控制和监测电路都集成在采用90nm CMOS工艺的2000万门的ASIC上。

6.4  超强FEC

业界领先的超强FEC进一步降低了系统的OSNR门限，使系统能够容忍更大的噪声，从而延伸了传输距离。

卷积码（或称乘积码，即Product Code）FEC采用两维迭代编码，获得了独有的9.2dB编码增益，比市场上其他的FEC方案提高约1~3dB，可将3.84×10-3的原始接受误码率（RAW BER）改善到优于1×10-15的水平。

北电提出的这种解决方案能够实现卓越的光性能，可与10G系统相媲美；北电开发的数字信号处理器（DSP）可实现高达+/-5×104ps/nm的全电子化色散补偿；还能实现PMD和PDL补偿。2-POL QPSK的另一个重要优势是，它全面支持多个50GHz OADM/ROADM的级联，并且通道代价与10G系统相当。由于这种解决方案创造性地使用了10G器件，所需关键器件可以从众多供应商那里选取最优的。

2-POL QPSK的创新理念与北电此前提出的DSP增强的10G系统（10G eDCO）相得益彰，以CMOS DSP处理器取代了光网络的复杂性，为服务供应商极大地简化了网络。

6.5  系统性能

如图7所示，北电提出的2-POL QPSK系统具备优异的极化模色散容限值，这方面甚至高于10G系统。图中显示了极化模色散对40G TDM系统产生了严重影响。2-POL QPSK所提供的增强的弹性可以让网络运营商显著提升其光纤资源的价值。图8是OADM对不同40G系统的传输距离的影响。

图7  极化模色散对不同40G系统的传输距离的影响

图8  OADM对不同40G系统的传输距离的影响

北电的2-POL QPSK系统的另一大优势是它的频谱与典型的10G系统相同。因此，它在OADM和ROADM级联方面与10G系统类似。如图6和图7所示，随着OADM数量的增加，北电的2-POL QPSK系统所实现的传输距离类似于10G系统，而其它40G解决方案连接了少数几个OADM之后就变得不实用了。

如上所述，北电的2-POL QPSK系统可实现高达+/-5×104ps/nm的全电子化色散补偿（与北电10G eDCO系统相同）。这种能力不仅解除了系统在色散补偿方面的所有限制，而且能够让其充分利用ROADM所带来的可重配置优势。

6.6  北电2-POL QPSK技术符合自适应全光智能网络的愿景

（1）无需破坏现有网络。色散容限与10G网络相当，集成的电子色散补偿技术不需要色散补偿模块；不需要使用外部极化模色散补偿器；不需要使用喇曼放大器。
（2）能够在50GHz波长间隔的系统中运行。
（3）支持灵活的OADM/ROADM，保持完全的机动能力以满足不断变化的业务需求。
（4）成本低于4个10G系统。

表2汇总了2-POL QPSK解决方案与其它解决方案相比的技术优势。

6.7  北电DP-QPSK的技术优势

（1）每对光纤传输容量达到88×40G，超过10G系统4倍以上。
（2）无中继传输2000km以上。
（3）完全取消光层色散补偿，简化设备，节省投资，极大地简化了工程设计与施工，可以快速部署、支持波长的实时调度。
（4）比10G波分系统更好地容忍极化模色散(PMD)，以往10G不能开通的线路可以部署40G。
（5）支持与10G波分系统相同数量的OADM级联。
（6）可将10G波分系统（CPL线路）直接升级到40G，无需改造光放大器等任何线路设备。
（7）支持未来100GE的长途波分传输。

7  结束语

自2007年以来，已有来自北美、欧洲和亚洲地区的多家主要运营商选择了具有DP-QPSK技术的北电40G传输产品OME6500，其中Verizon Business公开宣布选用北电的40G设备建设连接欧洲主要城市的泛欧网络。在已经完成和正在进行中的用户测试中，北电的方案也获得普遍好评，预计在2008年还会有更多的用户部署OME6500 40G系统。