40 Gbit/s光传输系统关键技术及应用方案

    摘要：随着互联网业务的迅猛发展，对骨干传输网提出了更高的传输速率需求，在此背景下40Gbit/s传输系统逐步进入了历史舞台。首先对40Gbit/s系统的应用背景、采用的关键技术和所具备的优势进行论述；然后给出40G系统的商用方案，并对方案进行对比分析。

    1、背景
    自90年代中期以来，网络容量一直以每5～6年翻4倍的速度稳步增长。从622M到2.5G，从2.5G到10G，光纤传输速率的每次飞跃过程用“道路曲折，前途光明”来形容最为贴切。近期，40G也将面临类似向10G演进时的微妙阶段。目前普遍认为，向40G迈进的步伐明显落后于容量增加的正常规律，其中的原因有多方面，包括市场需求迫切程度、大容量10G波分复用技术的广泛应用、高速传输带来的技术或成本难题以及电信泡沫的破裂等。同时，运营商对新技术的应用更趋谨慎，对网络优化和网络容量的提升采取了亦步亦趋的做法，网络建设更加理性。

 
    光通信市场在经历低谷之后，如今元气已基本得以恢复，并呈现良好的上升势头。互联网业务（尤其宽带业务）的迅猛发展极大地拉动了市场对带宽的需求，加上3重播放业务的出现，使得运营商有必要采用更高速率。因此，时隔几年，沉寂了一段时间的40G系统再次进入大家的视线，让人们又一次充满期待。

    2、40Gbit/s传输系统的关键技术
    40Gbit/s系统的实现要广泛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40Gbit/s信号，将其成帧；其次，选择适合传输的格式进行编码，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。完成这些工作需要解决许多关键技术问题，主要包括：IC材料技术、调制技术、提高光信噪比（OSNR）技术、色散补偿技术、超级FEC等。
    （1）IC材料技术
    40Gbit/s网络随着脉宽或脉冲间隔的变窄，信号抖动和码间干扰（ISI）对信号的影响也变得更差。为了保证高质量的波形传输，就必须改善数字和模拟IC技术，以便高速、宽带、低噪声地对光波形进行整形和再定时。另外，IC功能的改良和功耗的减少是缩减成本的必要途径。
    在40Gbit/s系统中很多芯片需要采用InP（铟磷）材料，但是InP材料制作比较困难，同时由于芯片尺寸太小，使得与光纤的耦合变得非常困难，插损大。
    （2）调制技术
    目前主要有3种传统光调制器：直接调制分布回馈半导体激光器（DFB-LD）、电吸收外部调制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3马赫-曾德尔（MachZehnder）外部调制。这些调制器的应用领域是由他们各自的带宽、啁啾脉冲和波长相关性所决定的。前两种方式不适合高速系统，LiNbO3调制可以生成高速、低啁啾的传输信号，而且特性与波长没有关系，被认为是40Gbit/sWDM传输系统的最佳选择。
    40G调制格式的选择是一个难题。目前有多种方式，例如NRZ码、差分相移键控RZ码、光孤子、伪线性RZ、啁啾的RZ、全谱RZ、双二进制等等。从最新的研究成果分析，差分相移键控RZ码（DPSK）显得最有希望，这种调制方式的频谱宽度介于NRZ和RZ之间，比普通RZ码的频谱效率高，可以改进色散容限、非线性容限和PMD容限，传输距离比普通RZ码长。
    （3）提高光信噪比技术
    同10Gbit/sWDM系统相比较，40Gbit/s WDM系统有更多与光信噪比（OSNR）、色散、非线性作用、PMD等有关的尚待解决的问题。对于40 Gbit/s系统，为了要达到与10 Gbit/s系统相近的传输误码率，系统OSNR需提高6～8 dB。
    （4）色散补偿技术
    从理论上看，色度色散代价和极化模色散代价都随比特率的平方关系增长，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，实现起来非常困难。由于小于100ps/nm色散容差很小，对于40Gbit/s的系统来说有可能会造成极其严重的限制，所以，从系统灵活设计和经济角度考虑，应采用可变色散补偿器（VDC）进行自动补偿。40Gbit/s传输系统的另一个很严重的制约因素是偏振模色散（PMD），它是由纤心的不对称以及内、外压力（如光纤的弯曲）所致。由于引入了双折射，光纤中的两个传播偏振模经历了群时延的微分（DGD），这导致了脉冲的加宽，即产生码间干扰（ISI）并表现为比特误差率的上升。
    （5）超级FEC技术
    这是一个相对比较古老的技术，从1984年面世，至今才开始形成大规模的应用。随着光速率达到40G，提高光信噪比的难度越来越大，成本和代价也越来越高，FEC就成为一个非常关键的实用技术。特别是对于40Gbit/s速率，采用带外FEC已经成为关键的使能技术之一，不仅可以使传输距离达到实用化要求，而且在一些短距离传输系统上，可以避免实施昂贵复杂的有源PMD补偿。

    3、40Gbit/s传输系统的主要优势
    基于所采用的关键技术以及本身的特性，40Gbit/s系统具有以下优势：
    （1）可以比较有效地使用传输频带，频谱效率比较高。
    （2）减少了OAM的成本、复杂性以及备件的数量。尤其在城域骨干网络上，调度性、集成度要远远好于4个10G系统，可 以节省机房面积，减少设备堆栈，提高单节点设备的带宽管理能力和调度能力。
    （3）每比特的成本比其它的城域网的方案更加经济。
    （4）通常单波长可以处理多个数据连接，核心网的功能将会大大地增强，40G将使业务得到更加高效和有保护的承载。
　　鉴于以上优势，40G将具有广泛的应用范围。在商用模式具备后，40Gbit/s接口将会出现在DWDM系统、ADM设备、大容量带宽管理设备及路由器上，将为资料中心或网络POP节点提供高速互联的功能。因此，40G系统将会在城域骨干网以及长途干线网络中得到广泛应用。

    4、40Gbit/s传输系统的应用方案
    近年来随着互联网的普及和各类业务的不断兴起，对路由器（尤其是核心路由器）的容量需求不断提高，单机640Gbit/s容量的产品开始出现。而在实际运营网络中，个别核心节点的容量需求已达Tbit/s量级。可以预见，核心路由器将会迎来40G埠时代。根据试验情况，40G系统主要有3种应用模式。

   （1）新建N×40Gbit/sWDM传输网络
    支持40Gbit/s路由器的最佳传输方案是40Gbit/sWDM传输技术。目前在40 Gbit/s WDM技术方面领先的是两个新兴公司：Mintera和StrataLight，一些传统设备商也声称自己的产品支持40 Gbit/s速率。从研究的结论来看，只要选用合适的光纤（PMD系数在0.1 ps/km1/2以内），目前通道间隔100 GHz、传输距离1000 km以内的40 Gbit/s WDM传输技术已经成熟，如果光纤损耗和跨距合适，可以不使用拉曼放大器。
    （2）10/40Gbit/s混传
    为了支持40Gbit/s信号在现网中的传输，最可行的方案是在现有10Gbit/sWDM系统中开通若干个40 Gbit/s速率波长信道，即10/40 G混传技术。
    10/40G混传技术面临的挑战是50GHz间隔的40Gbit/s信号传输。由于近几年新建了大量50 GHz间隔（C波段80波）的10 Gbit/s WDM系统，混传模式的应用必然要求在这些系统上开通40 Gbit/s波长通道。因为50 GHz间隔的40 Gbit/s WDM系统频谱利用率高达80%，滤波效应、非线性效应等不利因素的影响将极大限制系统传输性能。研究表明，采用CSRZ码型，50 GHz间隔系统中40 Gbit/s信号的ONSR容限比100 GHz间隔系统中要高约2 dB；而且对OTU和滤波器件的波长稳定性提出了更严格的要求，中心波长偏移超过0.02 nm就会带来约1 dB的滤波代价。
    （3）4×10Gbit/s反向复用技术
    40Gbit/sWDM传输系统在技术实现还是成本因素都存在较多的限制，而反向复用（IMUX）技术另辟快捷方式，可以在10Gbit/s WDM系统上实现40 Gbit/s信号的传输。
    反向复用指的是在发送端将一路高速率信号解复用成为若干路低速率信号，经过低速率的传输系统的传输后，在接收端将多路低速率信号复用成一路高速率信号。这与常用的复用技术正好相反，所以称为反向复用。低速IMUX技术的实现并不复杂，但是不能因此低估了高速IMUX技术的实现难度，实际上目前40Gbit/sIMUX技术的实现难度甚至大于40Gbit/s WDM技术。

    40Gbit/sIMUX技术的最大优点是不需要对现有10Gbit/s WDM系统进行任何改造，即可实现对40 Gbit/s业务传输的支持。现网中核心路由器之间一般直接通过WDM系统的波长信道相连接，在这种网络架构下，40 Gbit/s IMUX可以如图1所示在两个位置实现：第一个位置是路由器接口，即路由器接口板对内（核心路由模块）提供40 Gbit/s接口，对外提供4个10 Gbit/s接口，IMUX功能在路由器接口板上实现；第二个位置是WDM设备业务侧接口，即OTU业务侧提供一个40 Gbit/s接口完成与路由器40 Gbit/s接口的对接，波分侧用4个10 Gbit/s接口进行传输，IMUX功能在WDM设备OTU板上实现。

4.1方案比较
    综上所述，彻底解决40Gbit/s信号的传输问题还有待时日，可能的解决方案发展路线如下所述：10/40Gbit/s混传技术可以在一些满足使用条件的线路上首先得到应用，但是没有规模效应。40Gbit/s IMUX技术一旦成熟，可以基于现有10 Gbit/s WDM系统，提供限制条件更为宽松的40 Gbit/s信号传输解决方案。但是40 Gbit/s IMUX只是一种过渡技术，形成规模效应的40 Gbit/s WDM系统将是解决40 Gbit/s信号传输问题的最终解决方案。

    5、总结
    下一代网络的显著特征之一就是网络的业务性，下一代光传输设备必须充分考虑到对未来网络业务的支持；虽然2.5G和10G是目前网络中最常用的接口，但随着带宽需求的进一步增加，40Gbit/s技术将是下一代通信网最关键的技术，传输网向着40Gbit/s迈进是网络发展的必然趋势。尽管40Gbit/s暂时面临一系列技术上的困难，但目前这些困难都已经有了或即将有相应的解决方案，在不远的将来，40 Gbit/s系统必将登上传输领域的舞台，成为今后几年骨干网和城域核心网中最重要的传输接口之一。