40G/100G標準化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

湯 瑞，趙文玉，吳慶偉，張海懿（工業(yè)和信息化部電信研究院通信標準研究所，北京100083）

0 前言

由于高清電視（HDTV）、視頻點播（VOD）和移動寬帶業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，特別是基于Internet的視頻應(yīng)用和P2P應(yīng)用使運營商的骨干網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量持續(xù)增長。為了應(yīng)對大容量網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求，高速率的WDM傳輸技術(shù)成為解決問題的重點。傳輸容量也從1995年首次商用的8×2.5G系統(tǒng)發(fā)展到近幾年開始規(guī)模部署的80×40G系統(tǒng)，而更高速率的N×100G傳輸技術(shù)也逐漸走向成熟。

與傳統(tǒng)10G DWDM系統(tǒng)相比，40G/100G對各種系統(tǒng)的光傳輸損傷更為敏感。原本對10G系統(tǒng)影響并不顯著的色度色散、偏振模色散、非線性效應(yīng)等等，在40G/100G高速光傳輸系統(tǒng)中已經(jīng)成為限制傳輸性能的主要因素。近些年，隨著復(fù)雜調(diào)制碼型技術(shù)、自適應(yīng)色散補償技術(shù)以及新型復(fù)用技術(shù)的逐漸突破和發(fā)展成熟，40G光傳輸技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并逐步步入規(guī)模商用的階段。與此同時，在網(wǎng)絡(luò)流量保持快速增長的持續(xù)驅(qū)動下，N×100G光傳輸技術(shù)目前也已經(jīng)取得了初步突破，并有望在未來2~3年內(nèi)逐步成熟并取得商用。

1 40G/100G技術(shù)現(xiàn)狀

隨著40G系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用的驅(qū)動和高速光電處理技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外主流傳輸設(shè)備廠商均可提供商用40G WDM產(chǎn)品。國內(nèi)廠商華為、中興和烽火，以及國外阿朗、諾西、愛立信、CIENA、富士通等諸多廠商目前均能提供N×40G WDM商用設(shè)備，支持差分移相鍵控（DPSK）、部分差分移相鍵控（P-DPSK）、歸零碼 -差分正交相移鍵控（RZ-DQPSK）、相位整型二進制傳輸（PSBT）和光雙二進制碼（ODB）等多種碼型。隨著技術(shù)的不斷進步以及運營商寬帶傳送需求的日益迫切，國內(nèi)外各大運營商均已經(jīng)開始40G WDM網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模建設(shè)。中國聯(lián)通、中國電信已經(jīng)規(guī)模部署和建設(shè)40G WDM網(wǎng)絡(luò)，中國移動也已經(jīng)于2010年完成了40G的實驗室和現(xiàn)網(wǎng)測試，已經(jīng)開始了商用試點網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和部署。從國外運營商來看，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)量較大的運營商，如AT&T、Verizon和NTT等都已經(jīng)部署和建設(shè)了40G商用網(wǎng)絡(luò)。

借助于40G技術(shù)成功商用的經(jīng)驗，100G技術(shù)從2007年提出以后發(fā)展很快，相應(yīng)邏輯接口已經(jīng)趨于標準化后期。100G調(diào)制格式目前主要有正交相移鍵控（QPSK）和正交頻分復(fù)用（OFDM）2種，但需要在性能、復(fù)雜度、可實現(xiàn)性上取得平衡。目前業(yè)界已認識到100G碼型趨于歸一到QPSK碼型上，其中PM-QPSK成為主流方案。從2006年開始就已經(jīng)有一些100G實驗室演示及試驗網(wǎng)建設(shè)。Internet2計劃在2011年采用光子集成技術(shù)（infinera）和ciena的100G傳輸設(shè)備建設(shè)100G骨干網(wǎng)，但100G技術(shù)距離真正的規(guī)模商用還有一段時間。大部分光器件目前已經(jīng)達到可商用程度，但相干接收技術(shù)中關(guān)鍵芯片ADC和DSP的量產(chǎn)商用還需一段時間，功耗和處理能力需要突破。

2 40G/100G標準化現(xiàn)狀

目前主要有ITU-T、IEEE和OIF 3個組織在進行40G和100G的相關(guān)標準化工作。ITU-T主要從光傳送網(wǎng)的角度對40G和100G技術(shù)進行規(guī)范；而IEEE主要從業(yè)務(wù)接口的角度規(guī)范40GE/100GE的接口參數(shù)；OIF則主要關(guān)注于100G長途傳輸線路接口以及相關(guān)電接口的規(guī)范。

各主要國際標準化組織在40G/100G的標準化工作如圖1所示。ITU-T與IEEE對于40G/100G標準化分工如圖2所示。

IEEE于2006年7月成立了高速網(wǎng)絡(luò)工作組（HSSG），重點對40GE和100GE標準目標進行定義，包括10×10G和4×25G 2種100GE光接口標準。2007年12月，HSSG正式轉(zhuǎn)變?yōu)镮EEE 802.3ba任務(wù)組，其任務(wù)是制訂在光纖和銅纜上實現(xiàn)40G和100G數(shù)據(jù)速率的標準，研究內(nèi)容包括邏輯模塊功能、基于光纖長距與短距PMD、基于銅纜PMD等。2010年6月，IEEE P802.3ba正式完成，由多個模塊廠商組成的CFP多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶側(cè)可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議。隨著802.3ba的完成，IEEE也啟動了串行40GE的標準化工作（IEEE 802.3bg），預(yù)計到2011年6月完成。總體而言，IEEE在40GE和100GE上的標準化工作已經(jīng)趨于完善。

ITU-T于2009年12月更新了OTN接口建議G.709，規(guī)范了40G/100G相應(yīng)的邏輯接口（ODU3和ODU4），相應(yīng)的物理接口指標在G.959.1中進行定義。同時，隨著IEEE對40GE和100GE標準化工作的結(jié)束，ITU-T在G.709中還定義了40GE和100GE到OPU3和OPU4的映射協(xié)議，規(guī)定了單板中的成幀處理要求。可以說，到目前為止，ITU-T對40G和100G的相關(guān)標準工作已經(jīng)趨于完善，這將會在很大程度上促進40G/100G技術(shù)的逐步廣泛應(yīng)用。

圖1 國際標準化組織40G/100G標準工作進展

圖2 ITU-T與IEEE對于40G/100G標準化分工

OIF于2008年9月左右開始研究100G長距離DWDM傳輸項目，該項目遵從ITU-T定義的112 Gbit/s傳輸速率，采用DP-QPSK和相干接收機結(jié)合的技術(shù)來開展100G系統(tǒng)的長距離傳輸研究，制定100G波分側(cè)光模塊電氣機械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機和接收機組件、前向糾錯技術(shù)的協(xié)議等規(guī)范以推動波分側(cè)接口設(shè)計的標準化。目前開展的項目包括100G長距離DWDM傳輸架構(gòu)、100G長距離DWDM傳輸集成光器件、100G DP-QPSK長距離通信的FEC、用于100G長距離DWDM傳輸?shù)墓饽K標準、用于甚短距離芯片到模塊的接口標準等，目前已完成的IA包括100G長途傳輸架構(gòu)、偏振復(fù)用正交調(diào)整發(fā)射器件要求、100G DWDM傳輸系統(tǒng)用集成相干接收機要求以及100G長途W(wǎng)DM模塊電氣特性。

與此同時，我國也在積極進行40G/100G的標準化工作。我國的40G/100G傳輸標準由中國通信標準化協(xié)會（CCSA）制定，目前已經(jīng)完成行標《N×40 Gbit/s光波分復(fù)用 （WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》（YD/T 1991-2009）、《N×40 Gbit/s光波分復(fù)用 （WDM）系統(tǒng)測試方法》（YD/T 2147-2010）。在100G的標準化工作方面，我國也在積極跟蹤相關(guān)的國際標準的最新進展。目前已經(jīng)完成標準類研究報告“40G/100G以太網(wǎng)承載和傳輸技術(shù)研究”，行業(yè)技術(shù)報告“N×100Gbit/s DWDM傳輸系統(tǒng)技術(shù)要求”和研究報告“N×100Gbit/s DWDM系統(tǒng)測試方法”正在研究當(dāng)中。

40G/100G國內(nèi)外標準具體進展狀態(tài)見表1。

3 40G/100G技術(shù)發(fā)展趨勢分析

從技術(shù)角度而言，40G技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，目前40G WDM系統(tǒng)已經(jīng)在全球規(guī)模部署，40G以太網(wǎng)和光傳輸設(shè)備的穩(wěn)定性和成本已經(jīng)能夠滿足大規(guī)模商用的需求。未來40G技術(shù)的主要發(fā)展方向是逐步降低設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的成本。在幾年之內(nèi)，將會出現(xiàn)100G WDM的市場需求。今后幾年40G技術(shù)是長距傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)，從更長遠的角度來看，100G技術(shù)則將逐步代替40G技術(shù)成為主流的高速新傳輸商用技術(shù)，同時對于100G光傳輸，支持光傳送網(wǎng)（OTN）功能也將是必備的一個能力。

400 Gbit/s及更高速率如1 Tbit/s的長距離WDM傳輸則是下一代需要攻克的關(guān)鍵速率，更多創(chuàng)新的調(diào)制編碼及復(fù)用技術(shù)將會應(yīng)用到400 Gbit/s傳輸之上，同時也有可能打破現(xiàn)有WDM系統(tǒng)固定頻率間隔的應(yīng)用傳統(tǒng)，采用更小的頻率間隔、更寬的波長帶寬。高速光通信的后續(xù)發(fā)展可能集中在以下幾個方面。

a） 編碼調(diào)制技術(shù)更復(fù)雜：PM-（D）QPSK+相干接收已經(jīng)成為實現(xiàn)100 Gbit/s速率的主流方案。近年來，已經(jīng)開始研究將OFDM應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，并取得一定的成果，OFDM可有效對抗光纖中的色散和偏振模色散等并展現(xiàn)了靈活高效的頻譜利用和調(diào)制，成為100 Gbit/s及以上速率的高速光傳輸極具潛力的調(diào)制編碼和復(fù)用技術(shù)。另外，基于多級相位和幅度集成的正交幅度調(diào)制（QAM）技術(shù)以及接近香農(nóng)極限的LDPC編碼技術(shù)等也將是超高速光傳輸調(diào)制編碼的備選技術(shù)。

b）多種復(fù)用技術(shù)的結(jié)合：目前已經(jīng)實現(xiàn)偏振態(tài)復(fù)用，為了追求更高的速率，通過子載波復(fù)用、空間復(fù)用等多種技術(shù)以實現(xiàn)更高容量。在最近的OFC2011上NEC宣布，在一根7芯光纖上實現(xiàn)了109 Tbit/s（7×97×172 Gbit/s）的傳輸容量。

表1 40G/100G主要標準完成狀態(tài)

c）波分系統(tǒng)設(shè)計的變革：隨著速率的提高，傳統(tǒng)的固定頻率間隔可能被打破，假設(shè)頻譜效率為5 bit/s/Hz，那么1T系統(tǒng)的波長譜寬將達到200 GHz。50 GHz間隔無法支持1 Tbit/s的傳送，而更高的頻譜效率意味著需要更高的OSNR。

d）器件集成度的提高：電子集成電路目前應(yīng)用普遍，但光子集成還比較少，現(xiàn)在的光通信系統(tǒng)的光器件均為分離的器件，導(dǎo)致設(shè)備體積大、耗電大。以光子集成技術(shù)為核心技術(shù)的英飛朗已經(jīng)開發(fā)出商用WDM系統(tǒng)的400 Gbit/s的光子集成芯片，預(yù)計光子集成的密度每3年將會提高一倍，隨著集成度的進一步提高，“WDM on chip”將成為可能。

4 結(jié)束語

綜上所述，40G技術(shù)已經(jīng)成熟并規(guī)模商用，未來40G技術(shù)的發(fā)展主要方向是逐步降低設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的成本。100G技術(shù)隨著關(guān)鍵技術(shù)和器件如DSP、ADC的逐漸成熟，預(yù)計在2011年中期以后，商用產(chǎn)品會陸續(xù)出現(xiàn)。總體來看，今后幾年40G技術(shù)是長距傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)，從更長遠的角度來看，100G+ODU4則將逐步代替40G系統(tǒng)成為主流的高速新傳輸商用技術(shù)。

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