100G波分復用傳輸的關鍵技術

楊欣宇

摘要：100Gb/s的關鍵技術主要體現在調制編碼與復用、接收技術、FEC等多個方面。本文將將從這三個方面，介紹近期100G線路傳輸解決方案的最新進展與技術。

關鍵詞：編碼技術；相干技術；FEC；傳輸距離1概述

WDM遠距離傳輸技術產生以來，始終向著大容量、更遠距、更低比特傳輸成本的方向發展。與單波10G速率向40G速率發展相比，單波40G速率演進到100G速率面臨著更為嚴格的限制因素，需要更先進的編碼技術和接收技術。而且從保護投資、降低網絡建設成本和運維成本角度考慮，100G傳輸技術也有可平滑升級的需求。本文將從編碼技術、新型接收技術和FEC技術三個方面，介紹近期100G線路傳輸解決方案的最新進展。

2100G系統中的關鍵技術

2.1 編碼技術

從10G速率超長距離傳輸開始，編碼技術始終是WDM的研究重點。隨著比特率的增大和傳輸距離的延長，WDM的長距傳輸受限于4項物理條件：光信噪比、色度色散、非線性效應、偏振模色散。這些均與傳輸的波特率相關。如：如果碼型不變當波特率從10G提高到40G，OSNR的要求將提升6dB，色散容限將降低到前者的1/16，PMD容限將降低到前者的1/4，光纖非線性危害程度也隨之增加。為了提升線路，速率通常采用新型的編碼技術避免以上這些物理效應的危害以上述關系增加，通常采用新型的編碼技術，主要措施包括相位調制格式、多進制調制、RZ技術。

因為QPSK在40G系統中應用較為廣泛，所以成為100G調制方式的首選。但是100G直接采用QPSK調制，其信號譜寬會超出50GHz，無法實現50GHz的波道間隔，所以采用偏振復用方案，PDM-QPSK采用恒定幅度四級相位調制和正交偏振復用相結合得方式將傳輸符號的波特率降低為二進制調制的四分之一，即100G傳輸中，采用PDM QPSK技術之后，實際線路上的波特率仍然是25G速率，這樣就實現了50Hz的波道間隔。

2.2 相干接收和DSP技術

采用PDM-QPSK的調制方式雖然降低了100G傳輸中光信號的波特率，因而降低傳輸碼型的譜寬，實現了50GHZ波道間隔，但是由于在兩個偏振上分別獨立加載了業務信息，業務信息在在光纖傳輸過程中，不同偏振上的光信號會互相耦合，并在光纖PMD效應作用下產生誤碼。因此采用偏振復用，首先要在接收端進行偏振分離，并解決PMD代價的問題。這就需要通過相干接收和數字信號處理來實現的。

色散效應是頻域光電場的相位產生了畸變，PMD效應是在兩個偏振的時域光電場的相位上產生了不同時延。在傳輸系統的收端的強度接收或者自相干接收過程中，這些相位上的畸變和時延均會轉化為接收眼圖的畸變和碼間干擾，而造成信號損傷。如果能探測出光信號的電場，則可以采用線性補償的方法，在光場上抵消色度色散和PMD效應，這就是光學DSP處理的核心。由于色散和PMD效應均是在光電場的相位或偏振上引入調制或畸變，而光相干檢測則可探測并同時獲知光場的偏振、幅度和相位信息。進而采用數字信號處理的方法，可以消除色散和PMD導致的眼圖畸變和碼間干擾，重新恢復碼元信息。采用這種方法，在100G系統上可實現高達60000ps/nm的色散容限及25-30ps的PMD容限。那么在傳輸系統線路側上不再放置色散補償模塊，PMD效應也不會成為限制系統傳送距離的因素，系統組網能力和靈活性將得到極大的提高。目前，PDM-QPSK、相干接收、DSP技術的配合使用，已經成為100G傳輸系統主流的技術配置方案，并且目前PDM-QPSK與相干接收部分已形成模塊化，產業鏈成熟，各廠商相差不大，但DSP部分因為涉及到算法，很難用語言區分，只能從系統指標進行區分。

2.3 SD-FEC技術

前向糾錯始終是光傳送技術中降低OSNR要求主要手段，在線路速率不斷提升的驅動下，經歷了三代的發展。第一代FEC采用硬判決分組碼，以RS（255，239）為代表的代數碼技術，采用6.69％的開銷，主要用于2.5G系統和早期的10G系統，RS（255，239）已經被寫入ITU-T G.709和ITU-T G.975標準，在光通信領域獲得了廣泛的應用。后來隨著10G和40G系統的廣泛應用，出現了糾錯能力更強、增益更高的第二代FEC技術，其采用硬判決級聯編碼技術，ITU-T G.975.1標準收錄了8種第二代FEC算法，碼字開銷仍以6.69%為主，當輸出BER=1E-15時，其中大部分FEC算法的凈編碼增益在8dB以上，可支持10G和40G的系統長距離傳輸需求。到了100G的時代，在相干電處理技術的驅動下，借力高速IC技術的發展，目前又誕生了基于軟判決第三代FEC技術。

軟硬判決主要區別在其對信號量化所采用的比特位數。硬判決對信號量化的比特數為1位，其判決不是0就是1。軟判決則采用多個比特位對信號進行量化，采用“00”、“01”、“10”、“11”判決，通過各種估計算法提高判決的準確率，軟判決可提供約11.5dB的凈編碼增益。第三代FEC需要更大的運算規模（1千萬門以上乃至數千萬門的ASIC），目前基于65nm工藝的ASIC技術難以為繼，需要40nm工藝的ASIC才能實現其高運算量和低功耗目標。此外，SD-FEC的另一個特點是開銷更高，可高達20％（OIF建議SD-FEC的開銷不超過20％），使得100G的線路速率達到128Gbps，這有可能在非線性和濾波效應方面對傳輸性能造成影響。

3結束語

基于數據網絡流量以接近兩年翻一番的速度迅速膨脹，100G波分技術成熟和商用的步伐將進一步加快。以偏振復用、正交四相位調制、相干接收和數字信號處理技術為核心的100G PDM-QPSK相干技術的誕生和成熟，標志著波分系統由傳統的模擬光傳輸系統向數字化光傳輸系統的轉變，已成為未來發展的必然趨勢。