北電40G領(lǐng)跑新一輪全球帶寬風(fēng)暴

    1引言

    在寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大力驅(qū)動下，路由器40G接口已經(jīng)開始商用，40G波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的難點逐步解決，近期人們討論的技術(shù)焦點已經(jīng)不再是40GWDM是否可商用，而是在考慮實際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該選擇什么樣的技術(shù)來部署40GWDM系統(tǒng)。

    2 40GWDM技術(shù)

    目前，全球各個電信設(shè)備制造商為實現(xiàn)40GWDM采用了各種各樣的創(chuàng)新技術(shù)。其中，最復(fù)雜的是編碼/調(diào)制技術(shù)，包括：

    （1）編碼技術(shù)：NRZ（不歸零碼），RZ（歸零碼），CRZ（啁啾RZ），F(xiàn)SRZ（全譜RZ），ODB（光二進(jìn)制碼），PSBT（相位整形二進(jìn)制傳輸），DRZ（差分歸零碼），CS-NRZ（載波抑制不歸零碼）等。

    （2）調(diào)制技術(shù)：IM（強(qiáng)度調(diào)制），DPSK（二相位調(diào)制），QPSK（四相位調(diào)制），DQPSK（差分四相位調(diào)制），DP-QPSK（雙極化四相位調(diào)制）以及一些編碼和調(diào)制技術(shù)的組合。

    （3）色散補(bǔ)償技術(shù)：DCM＋ADC（AdaptiveDispersionCompensation），基于光纖布拉格光柵技術(shù)的可調(diào)色散補(bǔ)償器，采用最大可能性序列估計（MLSE）的電域補(bǔ)償（eDCO，eDC40G）。

    （4）PMD補(bǔ)償（管理）技術(shù)：PMDC（PMD補(bǔ)償器），eDC（電域PMD補(bǔ)償），采用特殊的調(diào)制編碼技術(shù)。

    （5）FEC編碼技術(shù)：為實現(xiàn)更高編碼的增益，很多廠商采用了自有的FEC編碼技術(shù)。

    各個廠商在實現(xiàn)40GWDM時采用了很多新技術(shù)，并且大都聲稱自己的技術(shù)是更適合40GWDM系統(tǒng)。關(guān)于如何評價這些新技術(shù)對系統(tǒng)帶來的影響也眾說紛紜。

    但實際上，我們不能僅根據(jù)系統(tǒng)采用的某一項新技術(shù)來評價一個40G系統(tǒng)的優(yōu)劣，因為一項新技術(shù)的引入在改善系統(tǒng)某些方面性能的同時可能使另外一些性能變差，而變差的那部分性能又可以采用另一種新技術(shù)來彌補(bǔ)。比較客觀準(zhǔn)確的方法應(yīng)該是將廠商提供的40GWDM系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行評價。而對40GWDM系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)最可靠的是使用10GWDM系統(tǒng)做為標(biāo)桿。因為基于NRZ編碼和IM-DD的10G WDM系統(tǒng)已經(jīng)是非常成熟的商用系統(tǒng)，大家對它的系統(tǒng)性能和鏈路預(yù)算能力比較熟悉且意見比較統(tǒng)一。幾乎所有能提供40G WDM系統(tǒng)的廠商都表示，無論采用何種技術(shù)方案，能夠和現(xiàn)有10G WDM系統(tǒng)兼容的才是最重要的。

    3 10GWDM與40G WDM的比較

    （1）支持50GHz間隔

    現(xiàn)有商用的10GLongHaulDWDM系統(tǒng)的波道間隔為100GHz或50GHz，新建的系統(tǒng)幾乎都是50GHz的，如果采用100GHz間隔，一個40G和10G混合的WDM系統(tǒng)所提升的系統(tǒng)容量非常有限，因此100GHz間隔的40G系統(tǒng)不可能成為主流。

    （2）和10G相同的色散容限

    10G系統(tǒng)絕大部分采用在光線路中插入色散補(bǔ)償光纖（DCF）進(jìn)行色散校正，由于不能精確補(bǔ)償，隨著光復(fù)用段的長度增加，殘余色散會逐漸增大。10G系統(tǒng)的色散容限一般都大于±400ps/nm.。40G系統(tǒng)的色散容限應(yīng)該達(dá)到或優(yōu)于這個水平。

    （3）和10G相同PMD容限

    10GWDM對PMD并不敏感，一般在犧牲不大于1dB的OSNR代價就可以容忍15ps以上的平均DGD。但是，40G系統(tǒng)無論采用什么編碼/調(diào)制方式都很難達(dá)到這個水平，目前絕大多數(shù)廠商的解決辦法是挑選PMD性能好的光纖。從長遠(yuǎn)看，PMD補(bǔ)償器和電域PMD補(bǔ)償才是突破PMD容限的有效方法。

    （4）和10G相似的OSNR靈敏度

    隨著各種帶外FEC算法的出現(xiàn)，一般10G系統(tǒng)的背靠背OSNR的靈敏度(原始BER=10E-3時)都小于11dB，如果40G的OSNR靈敏度不能達(dá)到類似的水平，則和10G混傳時的鏈路預(yù)算能力就會大打折扣。

    4北電40G解決方案

    以北電的40G解決方案為例，分析一下40G系統(tǒng)為達(dá)到以上4個方面的要求而采用的技術(shù)和特點。

    （1）能否支持50GHz間隔主要取決于40G已調(diào)光信號的譜寬是否滿足50GHz間隔要求，而已調(diào)信號的譜寬和采用的調(diào)制方式密切有關(guān)。北電40G系統(tǒng)采用DP-QPSK調(diào)制技術(shù)，其中DP是DualPolarization(雙極化，或雙偏振)，也即偏振復(fù)用（PM）。QPSK是四相位調(diào)制。其原理是將一束線偏振光通過PBS（PolarizationBeamSplitter）分成兩個正交偏振的光束，然后在兩束光上分別采用QPSK調(diào)制，各攜帶20Gbit/s的數(shù)字信號，然后用PBC(Polarization Beam Combiner)將這兩束已調(diào)光合并成一束光。這束光信號就攜帶了40Gbit/s的數(shù)字信號信息。信號的波特率是10Gbaud/s，和10G NRZ相同，只需現(xiàn)有10G系統(tǒng)用的激光器就可以使其信號譜寬和10G信號很接近，可以支持50GHz間隔。

    （2）北電的40GWDM在突破色度色散（CD）和PMD容限方面采用了獨特電子色散和PMD補(bǔ)償（eDC）技術(shù)。CD和PMD的電子補(bǔ)償技術(shù)是今后高速（40G，100G）WDM系統(tǒng)突破CD和PMD容限的必然方向。所謂電子色散補(bǔ)償是區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)補(bǔ)償方法，在信號發(fā)射端或接收端直接采用數(shù)字信號處理技術(shù)對電信號進(jìn)行處理，以便直接對光信號在光纖傳輸過程中產(chǎn)生的扭曲變形做出補(bǔ)償。目前，商用的絕大多數(shù)CD電子補(bǔ)償技術(shù)的補(bǔ)償能力有限只適合三四百公里的傳輸距離，而PMD的電子補(bǔ)償技術(shù)還罕見商用。但是北電的40G系統(tǒng)采用了獨特的補(bǔ)償算法和專用的DSP芯片，它的CD補(bǔ)償能力可達(dá)5×105ps/nm，PMD的補(bǔ)償能力達(dá)到了25ps的平均DGD。這就使得40G系統(tǒng)在無任何光層色散和PMD補(bǔ)償?shù)那闆r下的色散和PMD的受限距離突破了2500km。因為不需要在線路上布放DCM模塊，避免了DCM帶來的插損和非線性失真，彌補(bǔ)了相位調(diào)制技術(shù)抗非線性能力的不足。

    （3）當(dāng)系統(tǒng)的OSNR劣化到一定程度時，接收端的業(yè)務(wù)信號就會出現(xiàn)誤碼，OSNR靈敏度一般是指由于WDM系統(tǒng)的OSNR劣化導(dǎo)致Rn點業(yè)務(wù)信號的BER達(dá)到特定值（如BER＝10E-15）時系統(tǒng)的OSNR值。系統(tǒng)穩(wěn)定工作時的OSNR和OSNR靈敏度之間的差異稱為系統(tǒng)的OSNR裕度。OSNR裕度是評價一個WDM系統(tǒng)健壯性的重要指標(biāo)。因為由于EDFA和光纜參數(shù)變化（如光纜割接）而導(dǎo)致的光信號的線性和非線性失真都會導(dǎo)致系統(tǒng)OSNR靈敏度變差，如果系統(tǒng)原來的OSNR裕度就小，則系統(tǒng)健壯性就會大大下降。

    5北電的40G系統(tǒng)在提高系統(tǒng)OSNR方面采取的措施

    （1）采用相干光接收機(jī)。自20世紀(jì)80年代以來，相干光接收機(jī)的優(yōu)點幾乎在所有的《光纖通信原理》教科書都可以找到靈敏度高，選擇性好，適用于多種調(diào)制方式的特點。但是一直以來由于受到各種技術(shù)條件的限制，相干光接收遲遲沒有商用。

（2）超強(qiáng)的FEC算法。無論是10G還是40GWDM系統(tǒng)，通過帶外FEC都可以提高系統(tǒng)的OSNR靈敏度，但是不同的FEC算法所能提高的OSNR靈敏度不同，我們把一種FEC編碼所能提高的OSNR靈敏度稱為這種FEC編碼的編碼增益（CodingGain）。北電專有的FEC算法PFEC的編碼增益為9.2dB。

    單憑某一項新技術(shù)很難解決40GWDM系統(tǒng)所面臨的所有技術(shù)挑戰(zhàn)，需要綜合利用各項創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)勢才能實現(xiàn)。通過采用各項新技術(shù)的組合，40GWDM系統(tǒng)的光信號抗線性和非線性失真的能力已經(jīng)達(dá)到或接近10GWDM系統(tǒng)，其鏈路預(yù)算能力也基本和10G系統(tǒng)一致。