100GDWDM系統關鍵技術及實現原理

黃旭

【摘要】通信網絡中高速率業務的不斷發展，對現有的網絡的傳輸帶寬提出了更高、更迫切的需求。從目前主流的10/40Gbps光傳輸技術向100Gb/s演進成為光傳輸技術的發展趨勢。本文簡述了100G DWDM系統關鍵技術的基本原理，分析了100G系統的技術特點及優點并詳細介紹了100Gb/s線路側光模塊基本實現原理。

【關鍵詞】100G DWDM；PM-QPSK；相干接收；DSP算法

【Abstract】The continuous development of high-speed services in the communication network puts forward higher and more urgent demand for the existing network transmission bandwidth. From the current mainstream 10 / 40Gbps optical transmission technology to 100Gb / s evolution as the development trend of optical transmission technology. This paper briefly introduces the basic principle of 100G DWDM system key technology， analyzes the technical characteristics and advantages of 100G system and introduces the basic realization principle of 100Gb / s line side optical module in detail.

【Key words】100G DWDM；PM-QPSK；Coherent reception；DSP algorithm

1. 100G系統簡介

（1）根據定義，由光傳送設備承載的100G傳送數據包能夠迅速完成任何類型100G數據的傳輸，其封裝格式是OTN或者以太網。總流量分布在城域、局域以及長途密集波分復用（DWDM）網絡上。目前ITU組織研究的重點是利用現有100G以太網規范，IEEE802.3ba，在現有40G和10G基礎設備上實現100G OTN。

（2）這能夠滿足越來越高的帶寬需求，降低系統復雜度，減少了用于管理的波長，提高了頻譜總效率，最終降低了成本。根據定義，目前實現的100G以太網覆蓋距離比100G傳送網要短一些，一般為40Km。100G以太網和100G傳送網有相似的目標，即，尋找以低成本實現高性能快速鏈接的方法。

（3）OTN含有的網絡功能和協議要求能夠滿足這些需求，以系統方式在光介質上傳輸信息。本文重點介紹通過光纖承載傳送網和以太網載荷。建立同步數字體系（SDH）等OTN機制也在這一定義范圍之內，但是我們主要關注LAN到WAN的應用，特別是40GbE和100GbE應用（802.3ba）。出于這一標準化以及工作規劃的目的，所有OTN新功能以及相關技術都被認為是電信標準局（ITU-T標準）的工作范疇。

2. 100G系統的關鍵技術

2.1 偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK）。

正交相移鍵控（QPSK）是一種多元（4元）數字頻帶調制方式，其信號的正弦載波有4個可能的離散相位狀態，每個載波相位攜帶2個二進制符號。PM-QPSK將單個100G信號分成2個具有不同偏振狀態的50G載波信號，然后對每個載波做QPSK調制。因此，該方式能將通道波特速率降到一半，同時，由于每個偏振態可以使用4個相位來表示bit信息，有可以實現通道波特速率降到一半，因此，經過PM-QPSK編碼后，波特率可以降至bit率的四分之一。

下圖1為PM-QPSK編碼方式示意圖：

2.2 SD-FEC。

（1）FEC技術被廣泛的應用于光通信系統，不同的FEC能獲得不同的系統性能，根據接收信號處理方式的不同，FEC可分為硬判決碼和軟判決碼。

硬判決碼是基于傳統糾錯碼觀點的譯碼方式，解調器首先對信道輸出值進行最佳硬判決，硬判決的FEC冗余度約為7%，已在光通信領域得到廣泛應用。

（2）軟判決譯碼則充分利用了信道輸出的波形信息，解調器將匹配濾波器輸出的一個實數值送入譯碼器，即軟判決譯碼器需要的不僅僅是“0/1”碼流，還需要“軟信息”來說明這些“0/1”的可靠程度，即離判決門限越遠，判決的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要體現遠近程度就要把判決空間劃分得更細。除了劃分“0/1”的門限，還要用“置信門限”將“0”和“1”空間進行劃分以說明判決點在判決空間的相對位置。與硬判決相比，軟判決包含了更多的信道信息，譯碼器能夠通過概率譯碼充分利用這些信息，從而獲得比硬判譯碼更大的編碼增益。

（3）OIF建議100G選擇冗余度小于20%的軟判決糾錯編碼（SD-FEC），凈編碼增益可達10.5dB左右，采用SD-FEC的100G技術，能基本達到與10G同量級的傳輸距離。

2.3 相干技術。

（1）相干是指波的振動量相同，振動方向、頻率相同，而且相位關系固定信號的解調機制。利用調制信號的載波和接收到的已調信號相乘，然后通過低通濾波得到調制信號的檢測方式。相干檢測可檢測強度，相位以及頻率調制的光載無線 信號。光信號在進入光接收機之前與接收端的本振激光器（LO）進行混頻，產生一個等于本振激光器的頻率和原光源頻率之差的中頻分量。

（2）與直接檢測相比，相干檢測更容易獲得大的信噪比，可恢復的信號種類較多，并且頻率選擇性較好，更適合密集波分復用系統。數字相干接收機通過相位分集和偏振態分集將光信號的所有光學屬性映射到電域，利用成熟的數字信號處理技術在電域實現偏振解復用和通道線性損傷（CD、PMD）補償，簡化傳輸通道光學色散補償和偏振解復用設計，減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴。但數字相干接收機將傳輸通道設計的復雜度轉移到了接收機，相干檢測獲得較好的檢測性質代價就是大大提高了系統的復雜性，而且缺乏靈活性。endprint

3. 100G實現的基本原理

3.1 傳送網承載以太網幀。

目前，以太網是專網和企業網絡的主要LAN技術，公共傳送網也支持新出現的多協議/多業務以太網。從IEEE802的一系列標準來看，ITU-T和其他組織還在討論公共以太網業務和幀傳送標準及其實施協議。以太網的主要構成是業務層、網絡層和物理層。

3.1.1 業務層。

（1）公共以太網業務層（對于業務供應商）包括不同的業務市場，拓撲選擇以及持有模型等。所采用的持有模型以及使用的拓撲類型定義了公共以太網業務。

（2）根據所支持的三類業務，對拓撲選擇進行了分類，即線路業務、LAN業務和接入業務。線路業務本質上是點對點的，包括以太網專用和虛擬線路等業務。LAN業務本質上是多點對多點，包括虛擬LAN業務。接入業務本質上是分散式結構，支持一個ISP/ASP為多個客戶提供服務。（從公共網絡角度看，由于其相似性，線路和接入業務本來就是一樣的）。

（3）業務層提供不同的服務質量。SDH等電路交換技術提供有保證的比特率，而MPLS等包交換技術提供各種服務質量，從盡力而為到有保證的比特率。可以在以太網MAC層以及以太網物理層提供以太網業務。

3.1.2 網絡層。

以太網網絡層支持以太網業務端之間以太網MAC幀的端到端傳輸，由MAC地址區分業務端具體業務。以太網MAC層業務能夠以線路、LAN和接入業務的形式，通過SDHVC和OTN ODU等電路交換技術，或者MPLS和RPR等包交換技術來實現。對于以太網LAN業務，可以在公共傳送網內部實現以太網MAC橋接，將MAC幀轉發到正確的目的地址。以太網MAC業務不限于IEEE標準定義的物理數據速率（例如，10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、100Gbps），因此，能夠以任意比特率提供以太網MAC業務。

3.1.3 物理層。

IEEE為以太網定義了一組明確的物理層數據速率，并提供一組接口選擇（電或者光）。以太網物理層在公共傳送網上透明傳輸數據，使用透明GFP映射技術，將10GbEWAN等信號通過OTN傳送，或者將1GbE信號通過SDH傳送。以太網物理層業務是點對點的，總是采用標準數據速率。與以太網MAC層業務相比，它不夠靈活，但是延時很低。

3.2 采用運營商級以太網標準支持OTN。

（1）以太網最初雖然是設計用在LAN環境中，但現在已經廣泛應用在骨干網和城域網（MAN）中。以太網在多方面進行了改進，包括更高的比特率和長距離接口、基于以太網的接入網、虛擬網絡、更新能力、骨干網供應商橋接、可靠的保護技術、QoS流量控制和流量調理等，因此，它能夠作為網絡運營商的承載網。此外，以太網很容易實現多點對多點鏈接，在現有點對點傳送技術下，需要n×（n-1）/2路鏈接。

（2）如圖2所示，運營商級以太網將以太網從LAN擴展到WAN，嘗試進入整個通信支撐系統中。其目的是為用戶提供WAN技術將站點鏈接起來，其方式與運營商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術相似。運營商級以太網不是LAN采用的以太網，例如，客戶在桌面以及服務器房間中使用的以太網。

3.3 100G實現基本原理。

3.3.1 100G線路側模塊發送端基本原理。

（1）100Gb/s線路側光模塊的設計目標是應用于長距離光傳輸，支持OTU4的DWDM設備線路側傳輸。下圖3為100Gb/s線路側光模塊發送端的原理框圖。

（2）如圖所示，可調諧激光器（ITLA）輸出的連續光送入QPSK調制器（Modulator），在調制器中通過一個偏振分離器件產生PBS后成為兩路偏振太相互正交的光波，沒個偏振太分別由一個QPSK調制器對該光波進行調制，調制信號時有MUX產生的兩路I和O信號，通過寬帶放大器（Driver）將I和O信號放大，施加在調制器上產生電光調制。調制后的兩路QPSK信號經過一個PBC合成一路PM-QPSK偏振復用信號輸出。對于QPSK調制器（Modulator）還需要通過閉環控制對其I、Q和Pi/2相位多個偏置點進行反饋控制（MZ bias control），使QPSK調制器（Modulator）長期穩定地工作在正常的偏置狀態。此外，發射單元還通過SD-FEC的編碼器（SD-FEC Encoder）將需要傳輸的業務數據進行編碼并輸入到MUX（X）和MUX（Y）中，通過并串轉的方式產生4路串行數據輸出到渠道器（Driver）中。

3.3.2 模塊接收側基本原理。

（1）如圖4所示PM-QPSK光信號講過長距離傳輸后，由光模塊的相干接收單元（Coherent Detection）接收，光信號通過偏振分束器分為兩個相互正交的偏振光信號，記為X方向和Y方向，X方向和Y方向的光信號分別于相應本振偏振光進行90度相干混頻（900Hybrid），混頻輸出的信號經過平衡光電檢測器（O/E）進行光電轉換，然后通過ADC進行抽樣和量化處理，完成模擬/數字變換，最后，抽樣量化后的離散數字序列被送入數字信號處理（DSP）單元中進行處理。

（2）在數字信號處理單元（DSP）中，數字信號經過時鐘恢復處理實現同步，經電域均衡實現偏振解復用及去CD，PMD及部分非線性效應損傷，通過頻偏估計和相應判決處理消除本振光源和發送光載波的頻差以及相位噪聲的影響。然后將處理后的數據送入SD-FEC解碼器單元（SD-FEC Decoder）進行解碼，最后恢復出數據信號。

3.3.3 DSP算法基本原理。

3.3.3.1 數字信號處理單元完成DSP算法，該算法只要可以分成5個子功能：數字時鐘恢復（Clock Recovery）、均衡和偏振解復用（Equalization with Polarization Demultiplexing）、頻偏估計（Carrier Estimation），相偏估計（Phase Estimation）、解碼和數據恢復（Slicer &Decoder）。其功能框圖如圖4所示。endprint

3.3.3.2 下面對將分別對框圖中各單元進行簡單介紹：

（1）數字時鐘恢復。

數字時鐘恢復的目的是：由于ADC的采樣時鐘是獨立于發射端的符號時鐘的，所以必須利用插值濾波器接收機的符號取樣時刻，使得調整后的接收機采樣時鐘與發射符號時鐘同步，即保證ADC的采樣速率與符號速率完全吻合。

（2）均衡和偏振解復用。

均衡和偏振解復用是對單個偏振太進行的。均衡的作用是消除由于信道的線性因素造成的信號串擾，可以采用固定或可變抽頭系數的FIR實現而偏振解復用需要采用蝶形濾波器實現；偏振解復用是為了將兩個偏振太的信號分離開。因為信號傳輸時，兩個偏振太中間有串擾（偏振耦合造成），而且由于偏振旋轉，接收端PBS之后的信號偏振太與初始偏振太不對應。

（3）載波頻偏估計。

由于激光器的非理想特性，光相干接收機種本振激光器的振蕩頻率，可能會與載波頻率之間存在一定的偏差，這個頻率偏差反映在符號上，是相位的偏移，對于PM-QPSK這種相位調制系統而言，必須去除頻偏帶來的相位偏移，才有可能解調出最后的數據符號，因此，頻偏估計是接收機種不可缺少的一個模塊。其原理是對頻偏大小的檢測，在根據估計出的頻偏值，對符號進行相位修正以去除頻偏的影響。

（4）載波相偏估計。

由于激光器存在線寬，所以其真實振蕩頻率附近會產生一些相位偏移，再加上頻偏估計的誤差，使得頻偏估計之后的符號，其相位偏移依然存在，并且這個偏移量隨著時間而變化，可以覆蓋到0到2π所有范圍。載波相位恢復的目的就是去除這部分相位偏移量，使其輸出的符號相位可以直接用于符號判決。載波相位估計的基本原理是獲得出了信息相位意外的相位偏移量，并從每個符號中去除。

（5）解碼與數據恢復。

對于QPSK，在恢復出信號的相位后，可根據相位調制規則分別得到兩個偏振太的I、Q路信號；對于DQPSK，恢復出信號相位后，還需要將前后兩個符號的相位相減，再得到兩個偏振太的I、Q信號。

4. 100G系統的技術特點及優點

眾所周知，單信道速率的每一次提升，都會受到包括OSNR容限、色散、PMD及非線性等傳輸損傷的限制，因此需要更為先進的技術來減小這些傳輸損傷的影響，100G融合了偏振復用、相位調制、超強FEC、相干檢測、DSP等多技術，現行100G技術解決方案特點有以下幾點：

（1）通過采用技術偏振復用，利用光信號的兩個偏振態之間相互正交特性來實現在同一個光載波上攜帶兩路信息，使得信號碼元速率下降一半。

（2）利用QPSK技術可以使光載波攜帶的信息量增大一倍，與偏振復用的結合使得100G信號波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應用在50GHz間隔的OTN系統中，同時也降低了信號對光纖非線性容忍度的要求。

（3）通過LDPC（低密度奇偶校驗碼）解決方案，以及軟判決方式，有效的提高和編碼增益。

（4）相干檢測與ADC和數字信號處理（DSP）的結合也是100G極為關鍵的一項技術突破，相比于直接檢測和自相干解調方式，相干檢測及DSP技術結合能有效提高解調效率，提高接收機靈敏度，在電域均衡色散和PMD，降低成本等優點。

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[文章編號]1619-2737（2017）07-20-675endprint