100Gbit/s DWDM標準進展及關(guān)鍵技術(shù)

王芳, 趙小強, 李勇

（1 北京中通海科技有限公司，北京 100088；2 中國移動通信集團河南有限公司，鄭州450003；3 中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

隨著中國移動3G網(wǎng)絡(luò)和寬帶接入的快速發(fā)展，CMNet和IP承載網(wǎng)的中繼鏈路帶寬需求急劇增加，尤其是路由器100GE端口的逐步商用化，100Gbit/s DWDM系統(tǒng)技術(shù)的突破性進展，為100Gbit/s傳輸系統(tǒng)規(guī)模商用提供了可能。

1 100Gbit/s標準進展

為了避免100Gbit/s標準滯后對產(chǎn)業(yè)的不利影響，全球主流運營商、設(shè)備供應(yīng)商都在積極參與IEEE、ITU-T以及OIF國際標準組織的活動。100Gbit/s的源頭是100GE業(yè)務(wù)，IEEE 802.3ba對此進行了規(guī)范，ITU-T考慮100GE業(yè)務(wù)的承載，而OIF規(guī)范了業(yè)務(wù)的100Gbit/s LH模塊的實現(xiàn)以及100Gbit/s互連互通接口規(guī)范，中國通信標準組織也在積極準備100Gbit/s標準的制定。目前100Gbit/s DWDM相關(guān)標準已基本成熟。

1.1 IEEE

IEEE 802.3ba是IEEE關(guān)于40Gbit/s和100Gbit/s以太網(wǎng)的專門研究組，目標是為40Gbit/s和100Gbit/s的以太網(wǎng)制定物理層接口規(guī)范。該標準從2006年啟動，到2010年6月已完成并發(fā)布。物理編碼子層（PCS）采用64B/66B編碼，100GE實際物理層速度是103.125Gbit/s，如此高速率電信號無法串行處理，所以100GE物理層都是并行的多道（Lanes），與我們用戶關(guān)系最密切的100GE接口是物理介質(zhì)相關(guān)子層（PMD），如表1所示。

表1 100GE接口類型

其中用途最廣泛的接口應(yīng)是100GBase-LR4和100GBase-ER4， 它 是100Gbit/s WDM傳輸設(shè)備與核心路由器設(shè)備之間的互聯(lián)接口。

1.2 ITU-T

ITU-T對100Gbit/s的標準研究在SG15的Q6/Q11進行的，2009年12月批準的G.709標準已為100Gbit/s定義了OTU4，還定義了多種低速信號到OTU4的映射復用以及100GE到OTU4映射。為了100GBase-LR4/ER4以太網(wǎng)接口的重用，也定義了OTM-0.4v4，如圖1所示。2009年11月發(fā)布的G.959.1中參照IEEE 802.3ba制定了用4×25Gbit/s多通道域內(nèi)的應(yīng)用代碼及參數(shù)：4I1-9D1F和4L1-9C1F。

物理層多通道并行傳輸是100Gbit/s的特點，不同的物理通道由于波長的不同傳輸速度有微小差異，不同通道物理長度及處理時延等也有微小差異，因此多通道同步是必須解決的技術(shù)問題，在最新的G.709以及IEEE 802.3ba對通道去歪斜做了詳細規(guī)范。

1.3 OIF

光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF），致力于開發(fā)電信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的互連互通協(xié)議。100Gbit/s承載相關(guān)的標準研究主要在物理和鏈路層工作組（PLL WG）中進行，100Gbit/s LH DWDM技術(shù)下設(shè)了長距離DWDM傳輸框架、集成光子、FEC、傳輸模塊電接口、傳輸模塊管理接口等5個項目組，除管理接口外其它研究組工作已完成并發(fā)布。

光調(diào)制方式選擇了偏振復用-正交相移鍵控（簡稱PM-QPSK或DP-QPSK等）、光相干接收。糾錯編碼（FEC）技術(shù)OIF推薦了冗余度在18%～20%的軟判決糾錯編碼（SD-FEC），凈編碼增益可達10.5dB左右，這時線路速率接近達到126Gbit/s。

為了100Gbit/s核心模塊通用，OIF正在制定100Gbit/s線路側(cè)模塊標準：Implementation Agreement for 168-pin Transponder Module。

圖1 OTM-0.4v4結(jié)構(gòu)

多源協(xié)議聯(lián)盟（MSA）正制定100Gbit/s客戶側(cè)模塊標準：CFP MSA，這些標準已基本定稿。

1.4 CCSA

中國通信標準化協(xié)會（CCSA）TC6的WG1負責100Gbit/s DWDM標準的研究制定，目前行業(yè)技術(shù)報告《N×100G DWDM傳輸系統(tǒng)技術(shù)要求》已征求意見，預計今年Q3可以形成定稿；報告《N×100G DWDM系統(tǒng)測試方法》正在研究中。

2 100Gbit/s傳輸面臨的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)上來說，100Gbit/s信號在光纖中傳輸所面臨的物理傳輸限制比10/40Gbit/s更加嚴峻，如相比40Gbit/s系統(tǒng)而言，色度色散(CD)容限要求為40Gbit/s的4/25倍，偏振模色散(PMD) 容限要求為40Gbit/s的2/5倍，非線性效應(yīng)明顯增加；背靠背OSNR要求提高4dB，濾波器級聯(lián)造成的代價(ROADM)等方面都更加難以達到要求。

總的說來，100Gbit/s DWDM系統(tǒng)技術(shù)突破主要集中在光終端技術(shù)，包含線路側(cè)光調(diào)制接收技術(shù)、更高編碼增益的FEC技術(shù)、客戶側(cè)CFP模塊技術(shù)以及光器件和電芯片集成技術(shù)。

2.1 線路側(cè)光調(diào)制接收技術(shù)

雖然將目前廣泛用于40Gbit/s傳輸?shù)腘RZDQPSK或者RZ-DQPSK直接提速到112Gbit/s也可以實現(xiàn)100Gbit/s傳輸，但這種方案的綜合性能較差，系統(tǒng)余量較低，直接將傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)“提速”到100Gbit/s的速率，很難解決100Gbit/s速率提升帶來的諸多物理限制。解決方案之一就是將100Gbit/s信號反向復用到多個10Gbit/s和40Gbit/s的OTU2、OTU3，并利用多個低比特速率的光信號進行傳輸上，經(jīng)傳輸后再進行100Gbit/s業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的恢復。這種方案可以在現(xiàn)有的器件條件下實現(xiàn)，是當前階段較為經(jīng)濟有效的方案，但波長利用率較低。同時，這種方案也存在多個接收信號在接收端進行對齊及波長管理的問題。

解決100Gbit/s速率上的物理限制的另一個更重要的技術(shù)發(fā)展方向是，尋求一種高頻譜利用率的、單波長傳輸?shù)男滦驼{(diào)制格式與接收方式。與40Gbit/s采用多種多樣的碼型相比，100Gbit/s大家更為關(guān)注偏振復用、相干接收、多相位調(diào)制和OFDM等技術(shù)以克服物理傳輸?shù)南拗啤?/p>

正交相移鍵控（QPSK）是目前100Gbit/s光調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)，再與頻分復用或偏振復用或正交頻分復用等技術(shù)結(jié)合是100Gbit/s光調(diào)制技術(shù)必須的，業(yè)界研究較多的是PM-DQPSK-PT（Polarization Multiplexed-Differential Quadrature Phase Shift Keying+ 接 收 端 采 用 Polarization Tracker）、PM-(D)QPSK（Polarization Multiplexed-(D)QPSK） 和OFDM-QPSK（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，QPSK），性能簡要比較如表2所示。

PM-QPSK光調(diào)制方式是OIF推薦的100Gbit/s長距離光傳輸調(diào)制方式，是目前幾個主流廠家主要采用的技術(shù)，技術(shù)方案基本是成熟的。原理是：OTU4速率分成4路，即28～32Gbaud，每兩路做一個（差分）正交相位調(diào)制（QPSK），兩個QPSK光輸出信號按偏振態(tài)正交復用，形成100Gbit/s PM-QPSK光信號。由于是28～32Gbaud，其光譜較窄，從而可以支持50GHz波長間隔及穿通多個OADM站點。

相同光調(diào)制方式下100Gbit/s跟10Gbit/s相比，OSNR容限要差10dB，PMD容限會降低10倍，CD容限降低100倍，因此必須采用先進技術(shù)手段保證100Gbit/s的實用性。選擇光相干、平衡光接收技術(shù)相比NRZ直接接收提升OSNR容限近6dB。

表2 主流100Gbit/s光調(diào)制技術(shù)基本性能

由于經(jīng)過長距離傳輸后的PM-QPSK光信號其偏振態(tài)會隨機變化,接收端本地光振蕩器與接收光信號存在頻率差以及相位差，業(yè)界看好的解決方案是采用高速電信號處理（DSP）技術(shù)，原理如圖2所示。

依賴于復雜的電處理技術(shù)，系統(tǒng)的PMD容限和CD容限可以優(yōu)于10Gbit/s系統(tǒng)，可降低PMD和CD引入的傳輸代價，并具有較高的光接收靈敏度。

其困難是要開發(fā)包含高速ADC（50Gsample/s以上）和DSP的專用ASIC芯片以及光器件集成和降低功耗，技術(shù)工藝難度極大。

2.2 高效FEC技術(shù)

圖2 相干接收DSP原理框圖

目前10Gbit/s NRZ在糾錯前誤碼率（pre-FEC）為2×10-3時（超強糾錯編碼糾錯門限）的OSNR容限小于12dB，而業(yè)界看好的PM-QPSK的pre-FEC BER@2×10-3時OSNR容限在15.5dB左右，也就是說采用相同能力的FEC，100Gbit/s傳輸距離不到10Gbit/s的一半。

10Gbit/s和40Gbit/s DWDM系統(tǒng)已普遍采用各種增強糾錯編解碼技術(shù)，凈編碼增益（NCG）約8.5dB。OIF建議選擇冗余度在18%～20%的軟判決糾錯編碼（SD-FEC），凈編碼增益可達10.5dB左右，這時線路速率超過了126Gbit/s。

考慮到100Gbit/s采用了智能化的電處理技術(shù)，OSNR傳輸代價可以減少；省掉分布式色散補償模塊，可以提高系統(tǒng)的OSNR等，100Gbit/s系統(tǒng)傳輸能力可以與10Gbit/s系統(tǒng)相當。

2.3 客戶側(cè)CFP模塊

100GE采用了多道（Lanes）并行光接口，客戶側(cè)模塊比以往的10Gbit/s模塊就復雜的多。MSA聯(lián)盟制定的100Gbit/s CFP模塊標準支持熱插拔。

2.4 集成技術(shù)

100Gbit/s的線路側(cè)光模塊集成主要包括：包含高速ADC和大規(guī)模DSP的ASIC芯片；光發(fā)射機光調(diào)制器、光接收機光解調(diào)器以至于兩者集成在一起。實現(xiàn)方案及其復雜，必須依賴光電集成技術(shù)，否則功耗、體積和成本會造成100Gbit/s難以規(guī)模商用。OIF給出的100Gbit/s線路側(cè)光模塊框圖如圖3所示。

另外客戶側(cè)CFP模塊包含4通道TOSA和ROSA以及4路光合波和光分波、高速Mux/DeMux，也需要光集成，否則其功耗和體積難于適應(yīng)大規(guī)模商用要求。

3 小結(jié)

雖然100Gbit/s DWDM技術(shù)存在諸多難題，但隨著各種業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，100Gbit/s的需求也逐漸明朗。目前雖然已報道了大量的實驗室和現(xiàn)網(wǎng)測試，業(yè)界看好的相干PM-QPSK方案目前以離線試驗為主；個別廠商完成了原型研究進行現(xiàn)網(wǎng)試驗，但性能與預期還有差異；個別廠商宣稱開發(fā)完成了100Gbit/s DWDM傳輸產(chǎn)品，但其產(chǎn)品技術(shù)還不適合規(guī)模應(yīng)用，主要是設(shè)備功耗過高、性能與10Gbit/s系統(tǒng)差距較大。

總之，100Gbit/s技術(shù)的成熟和規(guī)模商用已經(jīng)漸行漸近。從其應(yīng)用特點來看，長距傳輸和短距互聯(lián)各有側(cè)重，但長距傳輸應(yīng)用時面臨的挑戰(zhàn)較為顯著，包括線路傳輸限制解決、系統(tǒng)余量考慮、光信噪比測試、組網(wǎng)OTN功能支持以及現(xiàn)網(wǎng)升級兼容性支持等；從國內(nèi)100Gbit/s后續(xù)發(fā)展趨勢來看，技術(shù)成熟、規(guī)模商用和成本將是影響其部署的主要因素。從今年開始，將是100Gbit/s DWDM的大發(fā)展階段，隨著其系統(tǒng)性能和設(shè)備的體積、功耗進一步降低后將逐步推動應(yīng)用的規(guī)模商用，后續(xù)的400Gbit/s或更高速率將重新成為高速傳輸應(yīng)用技術(shù)新的關(guān)注焦點。

圖3 100Gbit/s線路側(cè)光模塊框圖

[1] IEEE，802.3ba及802.3bg標準[S].

[2] ITU-T，G.709和G.959.1標準[J].

[3] 施社平. 100Gbit/s速率標準最新進展[J]. 電信工程技術(shù)與標準化，2010(9).

[4] 華為公司. WDM 40G&100Gbit/s產(chǎn)品相干特性專題[J]. 百度文庫，2011,(10).