40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

　1? 40Gbit/s高速光傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1.1? 40Gbit/s傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)背景

　　40Gbit/s傳輸技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與以Internet為代表的電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展是分不開的，特別是最近幾年Internet流量的爆炸性增長直接推動了40Gbit/s傳輸需求的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

　　從運營商角度出發(fā)，建設(shè)40Gbit/s高速光傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)驅(qū)動力主要有兩個：一是骨干IP網(wǎng)絡(luò)核心路由器的高速互聯(lián)需求；二是某些大型金融機構(gòu)、科研機構(gòu)和政府部門用于其超級計算機或數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的40Gbit/s高速電路租用需求。對于國內(nèi)運營商來說，目前的需求均屬于第一種類型，第二種類型需求集中在北美、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)。

　　中國電信的ChinaNet的規(guī)模和容量在全球骨干IP網(wǎng)絡(luò)中已達到數(shù)一數(shù)二的位置，中國聯(lián)通（原中國網(wǎng)通）的骨干IP網(wǎng)絡(luò)也位列全球超大型IP網(wǎng)絡(luò)之列，因此這兩家運營商在國內(nèi)最早出現(xiàn)對40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的需求，也最早建設(shè)商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)。目前，40Gbit/s網(wǎng)絡(luò)建設(shè)集中在骨干網(wǎng)，未來還將向城域網(wǎng)延伸。

　　1.2? 40Gbit/s傳輸?shù)募夹g(shù)路線

　　雖然早期業(yè)界曾提出采用4個10Gbit/s波道傳輸40Gbit/s信號的反向復(fù)用（IMUX，Inverse Multiplexing）解決方案，華為、愛立信（前馬可尼）等廠商還推出了成熟的商用設(shè)備。但是隨著需求和技術(shù)的發(fā)展，最終人們還是選擇了單波道提速的路線，正如當(dāng)年2.5Gbit/s WDM系統(tǒng)提速到10Gbit/s WDM系統(tǒng)一樣，40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)成為40Gbit/s傳輸?shù)闹髁鹘鉀Q方案。

　　從10Gbit/s到40Gbit/s，信號速率提高了4倍，但是技術(shù)難度的增長卻遠遠不止4倍。40Gbit/s信號苛刻的傳輸性能要求使得沿用 10Gbit/s傳輸技術(shù)完成40Gbit/s信號的長距離傳輸成為一項不可能完成的任務(wù)。我們假設(shè)都采用傳統(tǒng)的NRZ碼型：40Gbit/s信號的 ONSR（光信噪比）要求比10Gbit/s信號高6dB，但是由于非線性效應(yīng)的影響，入纖功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信號的OSNR受限距離大約只有10Gbit/s信號的1/6；更嚴(yán)重的，40Gbit/s信號的色度色散和偏振模色散（PMD）受限距離只有10Gbit/s信號的1 /16。因此，40Gbit/s WDM傳輸需要一系列新技術(shù)來實現(xiàn)與10Gbit/s WDM傳輸大致相當(dāng)?shù)臒o電中繼傳輸距離。其中先進調(diào)制碼型是40Gbit/s WDM傳輸使能技術(shù)中最突出的代表，下面進行重點介紹。

　　調(diào)制碼型是40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)中最精彩的部分，也是最豐富的部分，目前已商用的碼型達到近10種。根據(jù)其技術(shù)特點，可以簡單歸成3類：

　?。?）相位輔助的強度調(diào)制碼型：其特點是信號通過強度調(diào)制方式傳遞，使用普通的直接檢測技術(shù)，但是引入特定的相位調(diào)整手段來改善傳輸性能；代表性碼型包括CSRZ（載波抑制歸零碼）、DRZ（差分歸零碼）和ODB/PSBT（光雙二進制碼/相位整型二進制傳輸碼）。

　?。?）強度輔助的相位調(diào)制碼型：其特點是信號通過相位調(diào)制方式傳遞，使用差分或者相干等接收技術(shù)，具有較好的傳輸性能，同時引入NRZ，RZ等強度調(diào)制手段來達到改善傳輸性能、使用50GHz間隔等目的；代表性碼型包括RZ-DPSK（歸零-差分相移鍵控碼），NRZ-DPSK（非歸零-差分相移鍵控碼）和RZ-DQPSK（歸零-差分四相相移鍵控碼），目前在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用較多的P-DPSK（部分差分相移鍵控碼）也是一種特殊的NRZ-DPSK碼，其特點是通過控制差分的幅度，抵消濾波效應(yīng)帶來的影響，從而以較小的代價實現(xiàn)50GHz間隔傳輸。

　?。?）偏振復(fù)用調(diào)制碼型：其特點是利用相互正交的兩個偏振態(tài)來傳遞不同的信息，提高系統(tǒng)頻譜使用率，降低單信道的信號速率，每個偏振信道的調(diào)制方式可以是上述調(diào)制碼型的任意一種；目前在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中實現(xiàn)商用的偏振復(fù)用調(diào)制碼型只有北電的DP-QPSK（雙極性四相相移鍵控碼）。

　　先進調(diào)制碼型在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是全方位的，例如：延長傳輸距離，目前40Gbit/s WDM系統(tǒng)無電中繼傳輸距離已經(jīng)超過了1000km甚至1500km；滿足50GHz間隔傳輸，提高頻譜利用率；提高PMD容限，降低對光纜PMD性能的要求，擴大現(xiàn)網(wǎng)適用范圍。表1列舉了目前在國內(nèi)傳輸設(shè)備市場較活躍的廠商40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備采用的碼型技術(shù)特點和應(yīng)用場景。

表1? 40Gbit/s WDM系統(tǒng)常用碼型比較表

　除了調(diào)制碼型以外，可調(diào)色散補償技術(shù)（用于彌補40Gbit/s信號色散容限過低的限制）、高速芯片技術(shù)（40Gbit/s FEC，F(xiàn)ramer，SerDes等核心芯片）、高速調(diào)制/解調(diào)技術(shù)等也是40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的重要使能技術(shù)。

　　1.3? 40Gbit/s傳輸設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用

　　在40Gbit/s應(yīng)用方面，傳輸設(shè)備的滯后實際上成為前些年40Gbit/s無法廣泛應(yīng)用的瓶頸因素。Cisco，Juniper等主流路由器廠商早在2006年就推出了商用40Gbit/s POS板卡，但是40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備的普及是在2007年以后。特別是到了2008年，主流傳輸設(shè)備廠商都已發(fā)布了40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備，在國內(nèi)較活躍的廠商有華為、烽火、中興、北電、上海貝爾、愛立信等。

　　目前，主流廠商40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備已經(jīng)系列化，既有支持中短距離傳輸?shù)腛DB/PSBT等碼型，也有支持中長距離傳輸?shù)腄PSK碼型，甚至更復(fù)雜的DQPSK，DP-QPSK等碼型，設(shè)備的適用性得到了極大提高。主流電信運營商也已廣泛認可40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)和設(shè)備的成熟性，按照業(yè)內(nèi)知名咨詢公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行業(yè)報告中的統(tǒng)計，截至2008年，全球已經(jīng)有超過30個運營商部署了40Gbit/s傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中就包括中國電信和中國聯(lián)通（原中國網(wǎng)通）。在該報告中，Ovum公司認為40Gbit/s傳輸技術(shù)已經(jīng)進入 “普及應(yīng)用階段（Generalized Deployment Phase）”，將迎來健康持續(xù)的發(fā)展期。

　　中國電信是國內(nèi)最早關(guān)注40Gbit/s傳輸?shù)碾娦胚\營商。早在2004年，中國電信就開始了40Gbit/s傳輸技術(shù)研究工作，與國家科技部“八六三”計劃合作，于2005年建成“上?！贾?0Gbit/s WDM實驗傳輸系統(tǒng)”并運行至今，這是國內(nèi)第一個，在國際上也屬于較早的40Gbit/s現(xiàn)網(wǎng)實驗傳輸系統(tǒng)。此后在多年持續(xù)跟蹤研究40Gbit/s傳輸技術(shù)與設(shè)備的基礎(chǔ)上，2008年中國電信建設(shè)了國內(nèi)第一個商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)，即“上?！獰o錫80×40Gbit/s WDM系統(tǒng)”，同時于2008年下半年進行了多廠商參加的40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備及系統(tǒng)驗證性測試，有力地推動了國內(nèi)40Gbit/s傳輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從2009年開始，中國電信將根據(jù)其業(yè)務(wù)發(fā)展情況，按步驟推進骨干40Gbit/s傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，首批建設(shè)的40Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋了長三角、珠三角等業(yè)務(wù)發(fā)展良好、40Gbit/s應(yīng)用需求迫切的地區(qū)。中國聯(lián)通（含原中國網(wǎng)通）也于2008年開始建設(shè)第一個商用 40Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了華北地區(qū)的主要城市。

　　隨著產(chǎn)業(yè)鏈日漸成熟，40Gbit/s傳輸相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作也日趨完善。ITU-T，OIF和國內(nèi)的CCSA都制定并發(fā)布了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有效促進了40Gbit/s傳輸設(shè)備的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用。

　　2? 40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

　　雖然40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)已經(jīng)步入了規(guī)模商用階段，但是為了應(yīng)對復(fù)雜的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境和未來業(yè)務(wù)發(fā)展的進一步需求，40Gbit/s傳輸技術(shù)還面臨著一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)有技術(shù)領(lǐng)域的，例如現(xiàn)網(wǎng)光纖PMD對40Gbit/s傳輸?shù)南拗?；也有成本方面的，例如持續(xù)降低40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)單比特×公里傳輸成本低于10Gbit/s WDM系統(tǒng)；還有下一代100Gbit/s傳輸技術(shù)的發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)等。本章將對這些挑戰(zhàn)進行詳細分析，從中形成對40Gbit/s高速傳輸技術(shù)的未來發(fā)展方向和前景。

　　2.1? 適應(yīng)于大PMD光纖的40Gbit/s傳輸技術(shù)

　　對于OSNR，色散等40Gbit/s傳輸限制因素的相繼解決，PMD成為目前影響40Gbit/s WDM系統(tǒng)無電中繼傳輸距離的主要限制因素。普通40Gbit/s信號的PMD容限只有大約2～2.5ps，即使不考慮系統(tǒng)其它光學(xué)元器件帶來的PMD，也只能在 PMD系數(shù)優(yōu)于0.1ps/sqrt(km)的光纖中才具有實用價值，在PMD系數(shù)優(yōu)于0.05ps/sqrt(km)的條件下才能發(fā)揮長距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。這對現(xiàn)網(wǎng)40Gbit/s WDM系統(tǒng)建設(shè)的光纖選型要求是非?？量痰模磥?0Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)就是如何適用于大PMD光纖。

　　在提高40Gbit/s WDM系統(tǒng)PMD首限傳輸距離方面，業(yè)界已經(jīng)進行了很多努力，提出了各種各樣的解決方案，這些方案可以歸納為以下3種：

　　（1）PMD補償方式：其思路是沿用色散補償?shù)乃悸?，通過一定技術(shù)手段跟蹤線路PMD的變化并通過引入相反的偏振時延的方式實現(xiàn)PMD補償；這種方式的思路簡單明了，但是由于PMD的動態(tài)特性，PMD補償技術(shù)的實現(xiàn)難度遠遠大于色散補償技術(shù)，目前僅僅在一階PMD補償方案取得了一定進展，一些廠商號稱推出了商用模塊，但是尚無規(guī)模商用部署的報道，而且由于原理性缺陷，目前高階PMD的補償機理尚無突破；因此，PMD補償方式目前看來并不成功。

2）先進調(diào)制碼型提高信號PMD容限：其思路是通過復(fù)雜的調(diào)制碼型，在保證40Gbit/s信號比特率不變的情況下降低信號波特率，從而提高信號自身的PMD容限，目前最常見的具備提高PMD容限功能的調(diào)制碼型主要有RZ-DQPSK和DP-QPSK兩種，其中前者僅僅依靠調(diào)制碼型，而后者還涉及到第3種方式（電域均衡方式）；目前，通過RZ-DQPSK碼型來提高40Gbit/s信號PMD容限是最廣為應(yīng)用的方式，可以將PMD容限從其它碼型的 2~2.5ps提升到6～8ps，效果非常明顯。

　?。?）基于相干接收的電域均衡技術(shù)：其原理是利用相干接收后電信號保留的光域相位信息，分離PMD導(dǎo)致的信號畸變，采用特殊電域均衡算法（硬件上通過高速ADC和DSP實現(xiàn)）糾正信號畸變，從而實現(xiàn)消除PMD影響的目的；北電在業(yè)界最早推出了商用的解決方案，其DP-QPSK碼型40Gbit/s信號的平均PMD容限可以達到25ps，甚至超過了10Gbit/s信號的水平。
上述3種方式的技術(shù)復(fù)雜度和使用范圍都有一定的區(qū)別，筆者認為：

　　●PMD補償技術(shù)由于存在原理性限制，不太可能成為一種規(guī)模商用方案。

　　●DQPSK是近期需要重點關(guān)注的一種高PMD容限調(diào)制碼型，它以適中的復(fù)雜度實現(xiàn)了6～8ps的平均PMD容限，將40Gbit/s WDM系統(tǒng)對光纖PMD系數(shù)要求降低到優(yōu)于0.2ps/sqrt(km)，國內(nèi)運營商的光纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時間較晚，大多數(shù)地區(qū)都能找到滿足該要求的光纖光纜。

　　●基于相干接收的電域均衡方案具有更好的性能，可以說是PMD限制的終極解決方案，筆者認為該方案是100Gbit/s WDM傳輸?shù)慕鉀Q方案，但是對于40Gbit/s WDM系統(tǒng)來說，還需要根據(jù)今后其發(fā)展情況和與現(xiàn)行方案的性價比關(guān)系來判斷。

　　2.2? 持續(xù)降低成本的需求

　　目前，40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)單位比特×公里的傳輸成本依舊高于10Gbit/s WDM系統(tǒng)，主要有3個原因：第一，40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)自身復(fù)雜度較高，研發(fā)成本的分攤較多，元器件的成本也較高；第二，40Gbit/s WDM系統(tǒng)的設(shè)備出貨量還遠遠小于10Gbit/s WDM系統(tǒng)，無法形成較大的規(guī)模效應(yīng)來有效降低成本；第三，40Gbit/s WDM系統(tǒng)的無電中繼傳輸距離不如10Gbit/s WDM系統(tǒng)，尤其在一些骨干網(wǎng)超長距離應(yīng)用場景中，更多的OEO再生勢必提高40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的建設(shè)成本。

　　因此，持續(xù)降低40Gbit/s WDM系統(tǒng)的成本也應(yīng)該從上述幾個方面入手。首先，運營商需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求適度超前建設(shè)40Gbit/s WDM系統(tǒng)，只有較大的設(shè)備采購量才能形成規(guī)模效應(yīng)，降低單位比特×公里建設(shè)成本。其次，40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的技術(shù)和性能還需要進一步提高，特別是在無電中繼再生距離方面，需要達到甚至超過10Gbit/s WDM系統(tǒng)的水平；上節(jié)分析的PMD受限問題也是部分場景40Gbit/s WDM系統(tǒng)成本高的重要原因，PMD問題的有效解決也有助于降低40Gbit/s WDM系統(tǒng)的成本。

　　總之，40Gbit/s傳輸系統(tǒng)在成本方面的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)低于10Gbit/s WDM系統(tǒng)。隨著技術(shù)進步節(jié)約的OEO再生成本和設(shè)備出貨量增大帶來的規(guī)模效應(yīng)，樂觀估計，未來兩年左右，40Gbit/s WDM系統(tǒng)的單位比特×公里傳輸成本接近甚至低于10Gbit/s WDM系統(tǒng)。

　　2.3? 100Gbit/s傳輸技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

　　雖然40Gbit/s相對于10Gbit/s已經(jīng)是一個飛躍，但是40Gbit/s遠不是高速傳輸速率的終點。事實上，由100GE（100Gbit/s以太網(wǎng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口帶動的100Gbit/s高速傳輸技術(shù)已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為高速光傳輸領(lǐng)域新的熱點。

　　在標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，ITU-T，IEEE和 OIF分別在100G OTU3，100GE和100G DWDM 3個領(lǐng)域積極推進相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，預(yù)計在2010年底，3個組織的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都將完成制定。在設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域，領(lǐng)先的設(shè)備廠商都啟動了 100Gbit/s WDM傳輸技術(shù)的研究工作，部分廠商發(fā)布了樣機并與一些運營商合作（集中在歐洲和北美）進行了多次100Gbit/s傳輸?shù)难菔尽Ｒ虼耍?00Gbit /s傳輸技術(shù)的發(fā)展是迅猛的，業(yè)界也出現(xiàn)了一種論點，即40Gbit/s只是過渡技術(shù)，100Gbit/s才是下一代高速網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)速率，網(wǎng)絡(luò)速率的提高可以跨越40Gbit/s，從10Gbit/s直接達到100Gbit/s。

　　支持上述觀點的一個佐證就是Ethernet的發(fā)展路線，毫無疑問未來WDM傳輸系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)就是各種速率Ethernet接口的互聯(lián)互通。從 10M Ethernet到100GE，IEEE一直以10倍為單位提高這Ethernet的速率，10倍整數(shù)才是Ethernet的主流，40Gbit/s只是作為10Gbit/s與100Gbit/s之間過渡技術(shù)存在。

　　根據(jù)對路由器40Gbit/s 接口應(yīng)用需求，WDM傳輸?shù)募夹g(shù)特點，目前100Gbit/s設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀以及成本因素的分析，筆者的觀點是：由于100Gbit/s的迅猛發(fā)展，40Gbit/s WDM傳輸?shù)氖袌龃翱趯艿揭欢ㄓ绊?，但是無法跨越，未來4~5年內(nèi)高速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)依舊以40Gbit/s為主，以后才會逐漸向100Gbit/s演進。理由如下：

　?。?）從技術(shù)角度：目前100Gbit/s傳輸技術(shù)尚處于實驗室階段，其成熟程度僅僅相當(dāng)于2005年前后的40Gbit/s傳輸技術(shù)；如果沒有100Gbit/s傳輸?shù)闹С郑?00GE接口即使出現(xiàn)，也只能用于同機房設(shè)備的互通，無法應(yīng)用于骨干網(wǎng)絡(luò)。

　　（2）從產(chǎn)業(yè)鏈角度：100Gbit/s傳輸上下游產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，存在諸如核心芯片、測試儀表等諸多短板，沒有產(chǎn)業(yè)鏈的支撐很難形成成熟的100Gbit/s傳輸市場。

　　（3）從預(yù)計市場規(guī)模角度：越高速率的傳輸技術(shù)，可預(yù)期的應(yīng)用場景越有限，100GE業(yè)務(wù)的傳輸手段相對豐富，特別是未來WDM傳輸技術(shù)與OTN調(diào)度技術(shù)相結(jié)合，40Gbit/s甚至10Gbit/s線路速率都可以有效支持100GE業(yè)務(wù)接口，因此100Gbit/s傳輸?shù)恼w市場規(guī)模存在不確定因素。

　?。?）從性價比角度：40Gbit/s傳輸已經(jīng)實現(xiàn)了一定的規(guī)模應(yīng)用，將為其帶來明顯的成本優(yōu)勢，在未來若干年內(nèi)，100Gbit/s傳輸?shù)男詢r比尚難以超越40Gbit/s傳輸。

　　3? 高速光傳輸技術(shù)展望

　　就在筆者撰寫本文的時候，聽聞喜訊：被稱為“光纖之父”的英籍華人科學(xué)家高錕（Charles C. Kao）博士被宣布授予2009年諾貝爾物理學(xué)獎，高錕成為三位獲獎?wù)咧徊@得二分之一的獎金。這對于光通信行業(yè)內(nèi)的每個人來說，都是一個振奮人心的好消息，光纖通信在信息化過程中的貢獻是有目共睹的，這種成就完全有資格寫入人類發(fā)展史。諾貝爾獎只是對歷史的回顧和肯定，作者也希望高博士的獲獎能夠成為一個象征，光通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)都能在未來得到更廣大的發(fā)展。

　　無論在哪個階段，高速大容量WDM傳輸都是光通信技術(shù)中最具代表性的一種，從2.5Gbit/s到10Gbit/s再到現(xiàn)在的40Gbit/s，單波速率已經(jīng)提高了16倍；從最初的8×2.5Gbit/s到現(xiàn)在的80×40Gbit/s，系統(tǒng)容量提高了160倍；100Gbit/s WDM傳輸技術(shù)也已經(jīng)走向前臺，成為下一代高速光傳輸技術(shù)的代表。

　　隨著業(yè)務(wù)需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，我們有足夠的理由相信，高速光傳輸技術(shù)還有廣闊的發(fā)展空間：一方面要繼續(xù)提高單波速率和系統(tǒng)容量；另一方面需要進一步降低成本，提高性價比，擴展適用范圍?？傊?，高速光傳輸技術(shù)存在和發(fā)展的惟一價值就是更好地滿足人們的信息通信需求。