100G WDM关键参数对网络应用的影响

1  概述

自2010年以来，IEEE、OIF、ITU-T先后发布了100G相关技术规范，包括100G以太网技术、100G OTN接口技术、100G WDM调制技术、FEC技术、OTU4帧结构及映射复用方式等；国内CCSA于2012年完成行标《N×100 Gbit/s光波分复用（WDM）系统技术要求》，推动100G WDM技术快速发展。主流的设备供应商分别自2011起相继发布商用100G WDM产品。

2012年国内三大运营商分别对100G WDM产品进行研究测试，得出100G WDM技术和产品基本成熟的结论，并开始在骨干网上部署100G WDM系统。

目前的100G WDM产品还属于第一代产品，其主要具有以下特点。

a） 线路侧彩光发送端统一采用偏振复用和QPSK调制技术（PM-（D）QPSK）、增强型的FEC编码技术（包括软判决和硬判决2种主要方式）；接收端采用差分相干检测和DSP处理等方式；光纤色度色散和偏振模色散（PMD）通过高速信号处理（DSP）技术在电域进行补偿，不再采用传统色散补偿模块。

b） 能够实现1 000 km以上的长距离传输，长距离传输能力还需要进一步提升。

c） 光模块和芯片技术还需要进一步优化。设备的集成度和单位功耗还没有达到明显优于40G产品的预期。

d） 普遍采用OTN平台，兼容传统点到点WDM和OTN应用。

e） 软判决FEC技术的能力在不断稳定和提高。

随着光放大器技术的改进、超长传输技术的应用、光/电子集成技术的发展，下一代100G WDM系统码型调制技术不会改变，但将在长距离传输能力、集成度和功耗等方面有较大的改进。

2  100G WDM关键参数对网络应用的影响

2.1  色散/PMD补偿技术的变化对系统设计的影响

100G WDM技术采用高速信号处理技术对光纤的色散和偏振模色散进行补偿，色度色散补偿能力达到30 000 ps/nm以上、PMD补偿能力达到25 ps以上。根据近4年对国内大量运营5~15年的干线光缆测试数据分析，光纤色度色散系数基本不会随应用时间而变化，光纤PMD随应用时间会有一定的增加，但1 500 km光纤的PMD还是远小于25 ps。这一技术对系统设计的好处是非常显著的。

a） 与10G和传统40G WDM系统相比，100G WDM系统在应用中完全不需要考虑线路色度色散和PMD的影响和补偿，将100G WDM系统的传输线路受限因素从光纤的衰减、色度色散、PMD简化为仅考虑衰减受限，不需要再考虑在系统中每个光放站该如何合理选择色散补偿模块（DCM），以保证色散补偿效果和系统性能最佳，大大简化了系统设计的复杂性。

b） 采用DSP进行色散补偿，对线路色散变化不敏感，实验室测试结果表明，在配置光复用段保护（OMSP）的系统中，主备用路由光纤色散相差17 000 ps/nm以上，业务保护倒换时间不超过100 ms，这样的结果表明，在WDM系统中采用OLP、OMSP等光层保护技术的情况下，基本可以不考虑主备用路由色散差异对保护倒换时间的影响。相比传统40G WDM系统，除配置DCM模块外，还需要在每个OTU上配置单波电可调色散补偿模块（ADC）针对DCM补偿后的各波道残余色散差异进行微调补偿，这种电可调色散补偿模块的响应速度比较慢，为保证在采用OLP、OMSP等光层保护技术的系统中的保护倒换时间尽量短，一般要求主备用路由残余色散差异不超过100 ps/nm。

2.2  光放大器结构优化对系统设计的影响

光放大器的噪声系数（NF）是限制WDM系统长距离传输能力的主要参数之一，通过降低光放大器的NF可以有效提高WDM系统的长距离传输能力。在100G WDM系统中，由于不需要进行色散补偿，光放大器的结构可以进行优化，降低NF。10G和40G WDM系统中典型EDFA结构如图1（a）所示，采用两级放大器结构，在两级放大器之间，预留连接DCM的接头，如果不需要配置DCM，则需要在配置DCM的位置配置衰耗器，两级放大器的主要目的是补偿DCM带来的插入损耗（4~10 dB）。这种光放大器的NF比较大，一般在6 dB以上。在100G WDM系统中，由于不需要DCM，放大器的结构可以简化为单级结构，如图1（b）所示。随着结构的简化，同时对EDFA的泵浦源进行波长上的优化，可将NF降低到5 dB以下。NF从6 dB以上，降低到5 dB以下，大于1 dB的NF优化，在相同系统配置条件下，可以使系统的传输距离增长4个光放段，约300 km以上。

2.3  PM-（D）QPSK调制技术对长跨段应用的影响

PM-（D）QPSK调制技术对非线性效应非常敏感，尤其是由于入纤功率过高造成的非线性效应的影响。入纤功率是网络设计中关注的主要参数之一，也是唯一在现网应用中可以通过系统设计优化改善非线性效应的参数。非线性效应对系统性能的影响通常通过系统光通道代价来反映，通过实验室对16个N×25 dB模型系统，分别在入纤功率为0、1、2和3 dBm的情况下进行OSNR光通道代价测试，结果如图2所示。

系统入纤功率为0~2 dBm，系统OSNR代价有一定增加，在短波长区的变化比较明显，但多数在1 dBm以内，入纤功率升到3 dBm，系统的OSNR代价明显增加，接近甚至超过2 dB。因此业界普遍认为入纤功率在1 dBm以下，系统性能比较可靠，2 dBm以下可以接受，但更高的入纤功率显然不合理。

入纤功率的限制，导致100G WDM系统对超长的光放段（衰减大于30 dB）非常敏感，在系统中存在这种光放段的情况下，系统的长距离传输能力将大打折扣，从而增大网络建设和运营成本。可以预见，在未来的超100G WDM系统中，非线性效应仍将是非常重要的限制因素，建议在新建光缆线路时，光放段的设置应注意避免超长跨段出现。

2.4  OPU4速率规范对业务应用的影响

业务信号的全透明传输是对传送网的基本要求，ITU-T G.709提出的OPU2和OPU3速率小于10GE以太网（10 312 500 kbit/s）和40GE以太网（41 250 000 kbit/s）的速率（见表1），导致10GE和40GE以太网信号分别映射到OPU2和OPU3中时，需要首先采用GFP封装将以太网信号波特率进行压缩，造成客户信号不能全透明传输；或者采用超频的OPU2e、OPU3e等方式，实现客户信号的全透明传输，但这种方式无疑带来网络应用的复杂性，加大了网络应用和维护的成本。

到100 Gbit/s阶段，ITU-T G.709提出的OPU4比特率充分考虑了业务透明传输的需求。将OPU4的速率规范为104 355 975.330 kbit/s，大于100G以太网的速率，100G以太网信号映射到OPU4中不再需要GFP封装，可以通过GMP完全透明映射到OPU4中，实现全透明传输。

OPU4中每个1.25G TS的速率为1 301 709.251 kbit/s，千兆以太网（GE）信号速率为1.25 Gbit/s，可以采用GMP方式完全透明映射到一个OPU4的1.25G TS中；8个1.25G TS的速率为10 413 674.008 kbit/s，万兆以太网（10GE）信号的速率为10 312 500 kbit/s，可以采用GMP方式完全透明映射到8个OPU4的1.25G TS中。

2.5  客户侧接口实现方式的改进可降低网络应用成本

100G高速数据流在客户侧引入了多通道分发（MLD）技术，对高速数据流进行多通道的分发，降低了每个通道的速率，从而降低对接口时钟频率的要求和复杂度。

目前，在100G WDM系统的客户侧存在着4×25G和10×10G 2种多通道光接口，多个通道在光层采用粗波分复用方式，将多个通道在一根光纤中传输。单个光通道的速率从100G降低到25G和10G，大大提高了客户侧光接口对色度色散和PMD的容限，2种接口均可实现10 km以上的无中继传输（实验室验证，可实现在G.652光纤上进行15 km无中继传输），而40G单通道光接口在G.652光纤上无中继传输距离只有2 km以上，这种变化为网络应用提供更多的灵活性，并降低网络成本。

WDM系统的主要服务对象是为IP路由器网络提供长距离中继链路。为了保证IP网络的安全，在国内绝大多数城市，都设置有2个骨干IP机房，机房间的距离多数都超过2 km，但大部分在10 km以下。在传统40G 网络应用中，为满足大多数城市2个机房间的中继传输的需求，往往需要在2个机房间建设40G WDM系统，平均每个中继链路的功耗增加160 W以上，且占用大量宝贵的机房空间。而采用100G技术，针对10 km以下的中继距离，仅仅采用光纤直驱方式即可。

2.6  2种客户侧光模块技术的差异及对应用的影响

目前路由器和传输设备背板接口速率都是基于10 Gbit/s的SerDes技术，host板卡上MAC/Framer层ASIC芯片与CFP光模块间的互联也是通过10 Gbit/s的SerDes接口。4×25G光接口需要采用MLG技术，实现25与10 Gbit/s接口速率间的转换；10×10G光接口不需要MLG。2种光模块的原理结构见图3。这种结构上的差异也导致4×25G光模块的价格比10×10G光模块的价格高30%左右。

IEEE 802.3ba［2］对4×25G光接口进行了规范，包括100G BASE-LR4/ER4等。ITU-T G.709中针对IEEE定义的4×25G接口提出了多通道OTU4接口（OTL4.4），并在G959.1［3］中给出了OTL4.4的光接口参数。

10×10 MSA（多厂商产业联盟）提出10×10G光接口的规范［4］，目前未被IEEE接受，但国内在行标《N×100 Gbit/s光波分复用（WDM）系统技术要求》［5］中接受了该接口。

针对这2种接口的光模块的比较详见表2。

对设备供应商的调研结果表明，国内主流的传输设备和路由器设备供应商绝大多数都支持采用这2种光模块。

2种光接口模块的选择给运营商带来一定的困扰，互通性和管理方便性是主要考虑因素（见图4），在实验室针对这2个因素进行了测试研究。

测试中，共配置8个客户侧互联点（从A到H），分别采用4×25G和10×10G光模块。针对100GE业务和OTU4业务的测试结果表明，只需要直接互联的2个光模块的型号一致，其他互联点的光模块是否与之一致，并不影响业务的互通。这2种光模块均采用标准CFP封装，在设备上能够实现热插拔和互换且不影响业务应用。

3  结束语

100G WDM传输技术和产品已经基本成熟，在现网长距离传输能力上可达到1 000 km以上，并开始在国内运营商骨干网上应用。100G WDM技术采用PM-（D）QPSK编码调制技术、相干检测技术和DSP技术将基于光缆线路的受限因素从衰减、色度色散和PMD减少为以衰减为主，简化了系统配置，大大提高了现网光缆的适应性和应用灵活性；针对100GE以太网信号规范的OPU4容器，业务适应能力显著提升；客户侧接口多通道传输方式大幅降低网络应用成本。可以预见，100G WDM技术将很快取代40G WDM成为传输网的主流传输技术。

参考文献：

［1］  ITU-T G.709/Y.1331 Interfaces for the Optical Transport Network（OTN）［S/OL］. ［2013-01-11］. http://wenku.baidu.com/view/023152 ef5ef7ba0d4a733ba7.html.

［2］  IEEE 802.3ba Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 3: Carrier sense multiple access with collision detection （CSMA/CD） access method and physical layer specifications Local Area Network（LAN） protocols［S/OL］. ［2013-01-11］. http://wenku.baidu.com/view/3df29209bb68a98271fefa17.html.

［3］  ITU-T G.959.1 Optical transport networks physical layer interfaces［S/OL］. ［2013-01-11］. http://www.docin.com/p-309055120.html.

［4］  10X10 MSA Technical Specifications, 2km, 10km and 40km Optical Specifications［EB/OL］. ［2013-01-11］. http://wenku.baidu.com/view/48edbb82bceb19e8b8f6ba45.html.

［5］  N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统技术要求（报批稿）［S/OL］. ［2013-01-11］. http://wenku.baidu.com/view/41908c19b7360b4c2e3f 646e.html.