40G光传输系统展望

北电网络（中国）有限公司
　　一、引言

　　上一次电信产业在电信传输速度上出现飞跃时，北电以10G产品勇拔头筹。北电认为，电信运营商确实需要这样快的速度。大家已经知道，北电的选择是正确的，正确的选择将巩固其在光网络市场中的领先地位。

　　现在，又处在类似的时刻，电信运营商对10G网络已经很满意了，而厂商却在竞相研发40G的器件和系统。这一次，又听到了同样的论调，许多厂商都认为，40G真正在运营商骨干网中运用，还需要一至二年的时间。部分原因是厂商在开发40G系统方面面临着一些挑战，还有部分原因是大家认为电信运营商会等待40G系统成本大幅度下降之后才会考虑部署这样的系统。

　　但是也很少有人怀疑40G系统的出现。10G接口的路由器和其它设备的出现在很大程度上意味着40G不得不用在核心网络中，只有这样才可以使业务得到高效的承载。随着技术的进步和发展，在一个波长上承载40G信号将比在四个波长上分别承载10G而达到40G容量要便宜得多。

　　二、为什么需要40G

　　1.越快越好

　　正如五年前部署10G系统一样，今天业内又有许多人认为没有必要部署40G系统。既然DWDM技术已经如此普及，为什么不采用只增加四个10G信道的方法来实现40G的容量？回答很简单，核心光网络的带宽必须大于任何单一的接入信号。10G问世时，最快的交换机或路由器的接口速度只有2.5G。现在路由器的速度已经赶超上来，是再一次扩展核心网络的时候了。因此，运营商需要40G，但是它们是否承担得起这笔开销呢？到2002年，可能只有少数运营商有能力。但是，40G的时代已经到来。

　　扩展信道带宽背后有一个很简单的逻辑。核心应该能够打包业务，并在网络中有效地传输这些包。如果能够在每个波长中包含多个数据连接，核心网络的功能和可收益性将能大大提高。因此，随着数据网络设备开始采用10G接口，核心向40G转移就变得非常重要。

　　2.网络应用

　　40G非常重要，因为它有很广泛的应用范围。在未来三年内，将会看到40G接口首次出现在DWDM系统、ADM设备、大容量带宽管理设备及路由器上。40G接口将在数据中心或网络POP节点中提供高速互联的功能。同时，还将看到40G系统在城域网以及长途干线网络中的广泛应用。

　　目前，业内对于这些应用中那些会第一批出现，存在着一些争议。短距应用当然更容易一些，但是只有核心需要更大的带宽增幅。同时，也正是核心部分的这个需求推动了长途DWDM接口速度的发展。

　　40G究竟要在网络的哪一部分立足将是广为关注的问题。由于网络越来越来注重城域地区，因此有些城域网络的带宽需求将很有可能与核心网络的带宽需求相当，甚至有所超越。这将促使40G系统首先在城域网中采用。但是，从历史上看，无论网络业务在城始发，对带宽需求有多大，核心网络总是领导带宽需求的。

　　三、挑战

　　40G系统的实现要广泛地应用电子学和光学领域的技术。首先，需要将网络业务低速颗粒复用为40G信号，将其成帧。其次，选择适合传输的格式进行码，然后进行驱动和调制。最后，将其发送到光纤上传输到最近的光放大站点。所有这些工作都需要解决许多困难，面临诸多挑战。

　　1.集成电路

　　40G集成电路的设计将面临很大的挑战。从物理层的接口芯片到更为复杂的流量管理芯片组，40G接口要求高速Sonet/SDH成帧器、映射器、开销处理器、接收机、发射机及复用器等芯片。这些芯片对10G系统设计师来说，已是相当大的难题，常常需要非常新的材料，如砷化镓。而40G器件在复杂程度和材料特理特性上的要求比10G更高。

　　40G路由器和交换机接口需要更复杂的处理，包括流量整形、过滤和数据包级优先级划分。因此，还需要更长的时间才可能出台。

　　2.光学

　　40G网络的光学部分是真正的难题，主要围绕如何使40G波长的间隔更紧密，如何有交待　进行远距离的传输，关键是如何使40G的光传输尽可能延至最远的距离，因为40G DWDM系统的电子再生异常昂贵。远距离传输10G信号所遇到的困难到40G时将加重数倍。主要体现在以下几个方面：

　　（1）OSNR

　　光信噪比是指真正传输的有用光信号同泄漏到系统的其它噪声信号之比值。通常情况下，光信号必须比背景噪声强很多。

　　在光纤传输中，光信号强度随传输距离的增加而减弱，需要定期用光放大器（EDFAs和Raman放大器）加强。但是，这些放大器在提供光增益的同时，必须同其引入的额外噪声进行平衡。

　　对于40G系统，低噪声放大器非常关键。因为，40G信号需要很强的光功率才能实现远距离传输。此外，如果系统需要同时支持10G信道和40G信道，则需要进行更为严格的光增益均衡，以确保相邻波长中的信号有相同的强度。

　　在给定光纤跨度后，40G系统的传输需要利用合理的OSNR值来决定发射机的发射功率。提高发射机的功率虽然可以在理论上获得更大的传输距离，但随之引发的光学非线性效应，如交叉相位调制和自相位调制等将使接收机无法解读信号，系统无法正常工作。

　　（2）偏振模色散（PMD）

　　光信号在传输时以两种偏振态存在，且互为正交振荡。这两种模式在传播时由于速度不同而引起信号的离散，使得在接收端很难解析光信号。我们将这种现象称为偏振模色散。

　　PMD是影响40G系统中传输距离的主要因素。PMD变化多端，它时而出现，时而消失，而且间隔没有规律，所有这些都意味着任何类型的PMD补偿都必须像PMD的变化一样动态，具有很强的适应性。

　　目前，对于如何经济有效地进行PMD的管理，在业内出现了两派思想。第一种就是在终端上解决PMD问题。这种方法通常是采用新的调制或格式化光信号，使光信号不易受PMD的影响。这种方法成本较低，比较适合于性能比较好的新光纤。第二种方法是采用独立的光PMD缓解器，它们可以对PMD动态地进行调节和管理。这种方法价格昂贵。但是，可以允许网络运营商继续使用原有的旧光纤。

　　（3）色度色散

　　色度色散（简称色散），是远距离传输的另一个杀手，对于10G系统而言，已是一个比较大的挑战。与大多数其它光效应一样，当转向40G时，补偿它的难度会更大。

　　色散造成了光脉冲随其在光纤上的传播而扩散。扩散越大，接收器越难准确解析光信号，从而限制了光段的长度。这个效应在DWDM系统中会加剧，因为每一个波长信道由于光纤色散属性的不同而受到不同的影响。在现代化的多信道DWDM光网络中，每个信道传输不同波长的脉冲，而这些波长以不同的速率色散。这些信道上的色散速率称为“斜率”。每一类光纤的色散和色散斜率都不同，必须在光脉冲到线路终端被接收器解析之前消除。

　　与PMD一样，40G的色散消除更困难。光网络的色散容限与传输的比特率平方成反比。因此，数据速率增加时，色散容限会大大降低。

　　10G系统的方法是采用色散补偿光纤（DCF），一种特制的光纤，它提供负色散补偿，使色散累积在光线路系统中。这些通常放置在放大器内，当信号从一个终端传至另一个终端时提供必要的补偿。这种解决方案在40G网络中遇到了困难。因为，40G易受高光功率的影响，这这来影响性能的非线性效应。

　　（4）非线性效应

　　非线性效应通常被称为非线性克尔效应，包括四波混合、自相位调制和交叉相应调制等。这些效应通常是由光纤折射率随光强变化而引起的。

　　将40G信号放入波道间隔紧凑的DWDM系统中，提供强大的光功率，实现远距离传输会产生比较明显的非线性效应。为防止非线性效应，两种最常见的方法是采用RZ归零编码及高级光纤。40G系统若要普及，这两种解决方案可能会用在汇接局，特别是用于远距离和超远距离的传输解决方案。目前，大多数厂商在开发或采用RZ编码作为线路卡级的长途解决方案。业内有一个很普遍的假设，即大多数运营商将用新光纤升级它们的骨干路由。这种新光纤在非线性上比标准的单模光纤，甚至比现在的NZDSF光纤更强。

　　（5）封装

　　器件的封装长期以来一直是幕后的一个限制因素，它在40G系统中更加严重。以40G速率运行的光发射机必须能在较广的温度范围内操作，而且经过长时间后仍保持稳定。

　　四、解决方案

　　由于40G系统面临着各种挑战，因此出现了许多解决方案。40G系统面临的困难是解决一个问题却又加重了另一个问题。这就延长了已经相当长的高速光学开发周期。首先，必须花时间攻克每一个限制因素。其次，还要花时间在这些解决方案之间找到平衡。以下是力求超越10G的一些主要方法：

　　1.新的调制和编码格式

　　一般的10G系统采用非归零（NRZ）编码格式产生10G信号，最常见的是用DFB激光器和外部调制器对信号进行编码。如果是10G速率，还可应对自如。若是40G，光纤中的非线性效应会影响40G信号的传输距离。

　　归零（RZ）编码技术近来开始流行起来，用于超长距离10G和长途40G，因为它通常比非归零编码有更高的峰值功率。它还提供更好的免疫能力，从而可防止非线性效应及偏振模色散等。

　　NRZ编码比RZ编码实现起来更为简便。NRZ只需要一个高速的外部调制器，就能在10G速率上有效地工作。而RZ一般要有两个调制器，一个生成脉冲，另一个对这些脉冲进行编码，不仅增加了成本，还增加了复杂性。但是在40G系统中采用RZ的原因是NRZ调制在40G速率下很难达到所要求的性能标准。由于RZ调制格式在编码位（1表示“开”，0表示“关”）之间一直都产生不同的转换，因此它能产生更“干净”的光信号供接收器解读。

　　RZ可支持更远的传输距离，因为与NRZ相比，它对PMD有更好的容量，而且可以更好地缓解光纤的非线性效应。目前，许多器件和系统设计师开始致力于创建可行的基于RZ的40G解决方案。RZ调制器是这些系统的关键，通常可以用铌酸锂（LiNbO3）或铟磷（InP）作材料，一般要有两个调制器，一个产生脉冲流，一个以RZ格式对其进行编码。

　　2.提高放大技术

　　使40G信号进行远距离传输对开发商来说的确是一个重要的难题。如果没有可与10G系统相当的传输距离，40G市场将受到限制，而提高光放大技术将大大改善40G系统的形势。

　　40G系统进行电再生是非常昂贵的，需要一套全新的40G电子器件和光器件进行3R再生。

　　有人说光放大将成为推动40G的主要因素，特别是那些使运营商在部署光传输系统时有最大灵活性的光放大方案。

　　今天，Raman放大技术已经广泛面市，从器件到作为大多数DWDM 10G传输系统的解决方案，应有尽有。在40G系统中，Raman还不能足以解决问题。大竞争的系统设计师认为，有必要将Raman和EDFAs结合在一起，这对于厂商来说又是一个挑战，他们要实现在管理上不过于复杂的解决方案，同时又要限制成本。此外，放大技术的改进必须同时权衡OSNR和色散补偿的要求。

　　3.超级FEC

　　这是前向纠错（FEC）的增强版本。目前，标准化的Reed-Solomon前向纠错用于许多海缆传输系统和一些10G陆地传输系统。

　　FEC在光信号外增加了编码层，可以用来探测、隔离和纠正传输过程中产生的任何错误信息。通过补偿链路的性能下降，改善误码率，延长了光链路的传输距离。

　　超级FEC是Reed-Solomon FEC的增强版本，为光链路增加了额外的8dB增益，从而扩延了40G系统的传输距离。

　　FEC还有一些重要的优点，这些优点在其它一些传输格式（如10G以太网和视频信号）中将得到更好的发挥。FEC还可以用作任何光传输信号的链路性能监视器。

　　4.新材料

　　10G器件最初采用铌酸锂（LiNbO3）制造调制器，后来磷化铟（InP）成为电吸收调制器和激光器的重要材料，充分利用了其易于集成的优点。其它材料，如砷化镓（GaAs）和锗硅（SiGe），将用于40G物理接口芯片的集成。

　　与InP一样，SiGe可以用来制造集成芯片，将电和光功能集成在一个芯片上，同时又能以超过10G的速率运行。SiGe的主要优点与InP一样可以节省卡板的空间，降低功能。

　　5.光时分复用（OTDM）

　　与OTDM对应的是电的时分复用ETDM。ETDM是传统的方案，即将电信号复用为一个40G时是以纯粹的光学方法为基础的。在这种方法中，先产生四个10G光信号，多面手通过四个长度不同的光纤延迟线路传输。这四个短脉冲RZ数据结合在一起，生成一个可以有40G速率的数据流。

　　在接收数据时，高速调制器在将数据转化为电信号之前，就将数据解复用为四个单独的10G数据流。实施RZ调制所用的组件同样可以用来实施OTDM。

　　OTDM技术的应用过于复杂，成本过高。40G系统在市场中能否成功应用，取决于它是否能够比10G提供更低的每个可管理比特的成本。ETDM实施方案将降低成本。因为，它们是建立在已经验证的集成电路成本模式上的，减少了所需要的光组件数量。而OTDM采用多个低速光比特流，并在光域中对它们进行复用/解复用。即使是目前采用的OTDM达到40G，系统对它进行管理也并不容易。OTDM所要求的光和电子组件的数量、类型及其高成本和复杂性将使此类解决方案在成本上无法与ETDM竞争。因此，基于OTDM的解决方案可能在成本上比不上现有的10G 　DWDM，甚至也没有基于ETDM的40G解决方案有吸引力，后者在设备成本和体积上具备一定优势，这是运营商网络实施的关键所在。

　　五、结束语

　　不论是在哪一种应用场合，40G系统的普及将会面临很多挑战。但令人鼓舞的是，许多大厂商都在兑相研发40G的器件和系统，并且已经在许多方面取得了可喜的进展。因此，有理由相信，在不久的将来，40G的产品将在核心网络及城域网络中出现，并且随着成本的降低和技术的进一步成熟，必然会被广大网络运营商所接受。

摘自《电信网技术》2002.2