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摘要
介紹了自適應智能全光網(wǎng)的基本特點，實現(xiàn)這些特點的關(guān)鍵組建，討論了每波長40Gbit/s的光傳輸系統(tǒng)技術(shù)、目前的發(fā)展狀況及40Gbit/s解決方案與現(xiàn)有10Gbit/s DWDM系統(tǒng)鏈路的兼容性，以及北電基于40Gbit/s系統(tǒng)——雙極化四相相移鍵控（DP-QPSK）的傳輸技術(shù)。
1 引言
10年前，北電率先推出商用10Gbit/s SDH和基于10Gbit/s密集波分（DWDM）系統(tǒng)，很好地滿足了以往以語音和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務為主的網(wǎng)絡需求。光傳輸技術(shù)的發(fā)展主要是圍繞增強光網(wǎng)絡的機動靈活能力（如ROADM）、互通性（如OTN）、多業(yè)務接入（MSTP）、延長傳輸距離（FEC及喇曼放大器）等方面的改良。在與傳輸容量相關(guān)技術(shù)方面，仍以10Gbit/s為主，即直接強度調(diào)制和傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換接收，每對光纖數(shù)百Gbit/s的傳輸容量。
隨著新型業(yè)務的引入和節(jié)點容量的提高，網(wǎng)絡傳輸能力也必須相應增強。因此，目前基于10Gbit/s波長的光傳輸系統(tǒng)已經(jīng)不能適應目前新型業(yè)務的需求，迫切需要發(fā)展能夠提供更高傳輸能力的光網(wǎng)絡技術(shù)及系統(tǒng)，即基于40Gbit/s波長的光網(wǎng)絡將每對光纖的傳輸能力再提高4倍以上。
2 自適應智能全光網(wǎng)的概念
2.1 自適應全光智能網(wǎng)絡基本特點
（1）自適應。能夠方便地重新配置網(wǎng)絡，從而滿足最終用戶不斷變化的需求。
（2）全光。盡量減少網(wǎng)絡上光→電→光（OEO）中繼站的數(shù)量，實現(xiàn)簡化網(wǎng)絡、降低成本的目的。
（3）智能。能夠監(jiān)視運行狀況中的老化和變化，不斷地實時優(yōu)化光層參數(shù)，并自動做出相應調(diào)整，確保信號始終擁有最佳性能。最好“即插即用”。
（4）可擴展�？梢猿休d不斷增加的業(yè)務容量，適應不同業(yè)務類型，同時通過降低操作復雜性來降低網(wǎng)絡成本。
實現(xiàn)上述愿景的關(guān)鍵組件包括：用于實現(xiàn)網(wǎng)絡靈活性和業(yè)務機動性的可重構(gòu)全光分插復用器（ROADM）、用于簡化光鏈路的電子色散補償技術(shù)以及用于免除現(xiàn)場人工配置的必需和降低備件成本的可調(diào)諧激光和濾波器（見圖1）。
圖1 自適應全光智能網(wǎng)絡
2.2 ROADM和電子色散補償技術(shù)給網(wǎng)絡帶來的好處
（1）可重構(gòu)全光分插復用器（ROADM）
可重構(gòu)全光分插復用器（ROADM）能夠讓網(wǎng)絡運營商靈活制訂業(yè)務計劃，迅速滿足不斷變化的客戶和業(yè)務需求。一個ROADM必須具備多分支能力，能夠在網(wǎng)絡上方便靈活地分出、插入或重路由各個波長的信號；必須能在50GHz網(wǎng)絡上運行，以實現(xiàn)最大的可擴展性；必須滿足在100GHz環(huán)境下運行，以支持成本敏感型應用。ROADM的另一個關(guān)鍵要素是能夠傳輸任何業(yè)務，如10Gbit/s，40Gbit/s或100Gbit/s。
（2）電子動態(tài)色散補償（eDCO）技術(shù)
傳統(tǒng)的固定色散補償模式基于DWDM網(wǎng)絡，由終端站組成并依據(jù)系統(tǒng)電中繼段長度進行補償，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
●需要根據(jù)線路長度拓撲進行規(guī)劃。
●需要預測和設計OADM站點。
●需要針對各個光放大段選擇DCM。
●光纖路由或參數(shù)改變需要重新配置DCM。
●無法支持光層重構(gòu)(ROADM)。
由于距離和波長數(shù)量使色散補償窗口變窄，色散影響率必須采用子波帶補償，DCM引入的光功率損耗需要附加的光功率放大（兩級光放大），增加了系統(tǒng)成本，產(chǎn)生了更多的光噪聲，占用了更多空間。
對于全光網(wǎng)絡，其每個業(yè)務波長穿越不同距離和路由，跨過的光纖類型也不同。傳統(tǒng)的固定色散補償模式一般基于全部C，L波帶或子波帶進行固定補償，無法對動態(tài)的網(wǎng)絡狀況和業(yè)務需求進行色散補償。其可能的業(yè)務和路由如圖2所示。
圖2 全光網(wǎng)的需求
電子色散補償（eDCO）技術(shù)可以是傳輸前的預補償、單波長補償以及利用接收端反饋調(diào)節(jié)補償水平。預補償?shù)哪康氖歉淖儌鬏斆}沖頻譜來抵消光纖色散影響，無需DSCM，可降低光噪聲水平，支持光層交換，降低運維承包成本。
圖3描述了采用eDCO技術(shù)和ROADM簡化網(wǎng)絡的原理。北電于2005年推出的10Gbit/s電子動態(tài)色散補償光傳輸（eDCO）技術(shù)證明它已經(jīng)成為一項非常有效的網(wǎng)絡簡化技術(shù)。eDCO在無需任何色散補償設備的情況下能夠?qū)⒉ㄩL傳輸距離延長2000多km。eDCO不僅消除了色散補償模塊（DCM）及相關(guān)光放大器的成本，而且大幅提升了網(wǎng)絡的靈活性。此外，該技術(shù)還免除了大多數(shù)光纖特性測量和網(wǎng)絡設計工作，運營商再也不需要根據(jù)傳輸所用的光纖考慮采用何種補償技術(shù)。通過采用eDCO技術(shù)，服務供應商可以充分利用ROADM提供的靈活性，重新配置網(wǎng)絡并在各個波長之間進行轉(zhuǎn)換，無需對色散補償作任何重新設計。
圖3 采用eDCO技術(shù)和ROADM簡化網(wǎng)絡的原理示意圖
3 網(wǎng)絡從10Gbit/s演進至大容量網(wǎng)絡的幾點考慮
當網(wǎng)絡從10Gbit/s演進至40Gbit/s或100Gbit/s時，我們所選擇的解決方案必須能夠始終滿足實現(xiàn)自適應全光智能網(wǎng)絡的目標。具體而言，為了使更高速率的解決方案得到廣泛應用，后者必須滿足以下條件：
（1）擁有與現(xiàn)有10Gbit/s系統(tǒng)相類似的部署和運行條件，無論在色散（CD）、極化模色散（PMD）還是光信噪比（OSNR）方面。
（2）可擴展，即支持50GHz波長間距。
（3）具備全面的機動性，可滿足不斷變化的業(yè)務需求（ROADM的靈活性）。
4 40Gbit/s網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)
4.1 40Gbit/s網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)
（1）為了將帶寬提升4倍，就必須將40Gbit/s TDM解決方案中的信號比特率提高4倍（即將比特間隔從100皮秒縮短至25皮秒）。否則會影響系統(tǒng)的傳輸距離，從而降低其經(jīng)濟性。
（2）目前，光網(wǎng)絡上廣泛部署的OADM和ROADM濾波器影響了部署40G解決方案所使用的路由類型。
4.2 幾種商用的40Gbit/s調(diào)制技術(shù)對比
早在10Gbit/s波分的概念被普遍采納的同時，業(yè)界就已經(jīng)在探討40Gbit/s波分的實現(xiàn)方案，曾提出了一些新的調(diào)制技術(shù)，如雙二進制、差分相移鍵控（DPSK）和差分四相相移鍵控（DQPSK）等。這些技術(shù)在性能上互有優(yōu)劣，但普遍不能達到10Gbit/s波分系統(tǒng)的傳輸距離和光纜兼容性，不能充分發(fā)揮已有的波長機動調(diào)度能力(ROADM)，有的方案(DPSK)甚至需要加大波長間隔來達到不實現(xiàn)容量增加4倍的要求。這些技術(shù)方案都過多依賴超高速光電器件，實現(xiàn)成本較高。
5 北電雙極化四相相移鍵控（2-POL QPSK）
5.1 10Gbit/s參考系統(tǒng)
目前，大多數(shù)10Gbit/s系統(tǒng)都采用NRZ（非歸零）作為標準的調(diào)制格式。這種技術(shù)通過開關(guān)光信號對二進制的高低狀態(tài)（分別用數(shù)字“1”和“0”表示）進行編碼，并通過濾波器傳輸所產(chǎn)生的信號。這些系統(tǒng)可采用高增益前向糾錯技術(shù)，實現(xiàn)超過1000km的傳輸距離。
5.2 雙二進制（PSBT）
雙二進制調(diào)制（也被稱為“相位整形二進制傳輸”或PSBT）技術(shù)將每一個“1”bit光信號的相位轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�特定的比特序列，平均光信號功率與標準的NRZ信號相比也減少了一半。由于采用相位編碼，信號的光帶寬降低了，因此色散和極化模色散容限比起40Gbit/s NRZ得到改善。盡管如此，其各方面的性能還遠不如10Gbit/s參考系統(tǒng)。
5.3 差分相移鍵控（DPSK）
差分相移鍵控（DPSK）技術(shù)是將比特信息轉(zhuǎn)換成光信號相位的編碼。與雙二進制調(diào)制技術(shù)相比，這種技術(shù)可以將光信噪比靈敏度提高3dB，由此提供的傳輸距離性能大約為雙二進制解決方案的2倍。為了獲得最佳系統(tǒng)性能，要在接收器檢測相位編碼，需使用平衡探測器（2個PIN二極管），探測器前連有一個1bit光延遲線。相對于40Gbit/s NRZ，這些器件增加了接收器的成本。該技術(shù)比40G NRZ性能提升顯著，但仍遜色于10Gbit/s參考系統(tǒng)。此外，OADM對系統(tǒng)傳輸距離的影響在DPSK系統(tǒng)中體現(xiàn)得較為明顯。
5.4 差分四相相移鍵控（DQPSK）
差分四相相移鍵控（DQPSK）是四相版的DPSK。在采用DQPSK技術(shù)傳輸?shù)拿恳粋�碼元中，有兩個比特經(jīng)過編碼，它們的比特組合為00，01，11和10。與DPSK相比，DQPSK具有一個優(yōu)勢，即能夠?qū)⒕�路速率降低50%，為20Gbit/s。但實現(xiàn)這一點必須以大幅增加接收器的復雜程度和成本為代價。接收器需要配備的高速光電器件大約2倍于DPSK解決方案和4倍于40Gbit/s NRZ解決方案。這些器件的工作頻率是雙二進制解決方案的一半。不僅如此，這種解決方案需要使用兩個1bit光延遲線路（比DPSK多一個）。就40Gbit/s TDM解決方案而言，這種調(diào)制方法提供的顯著改進提升了對PMD的彈性。
5.5 在現(xiàn)有10Gbit/s網(wǎng)絡上的運行比較
（1）傳輸距離
與10Gbit/s系統(tǒng)相比，雙二進制技術(shù)在電中繼之前的典型傳輸距離為500km。雖然可以通過增加喇曼前置放大器來延長傳輸距離，但網(wǎng)絡成本以及系統(tǒng)安裝和運行的復雜程度也將會大幅增加。
（2）色散和極化模色散容限值
由于DQPSK的比特率只有其它兩個解決方案的一半，DQPSK的極化模色散容限值要比二進制或DPSK高，因此性能也高于二者。但值得注意的是，DQPSK的極化模色散容限值仍然低于10Gbit/s NRZ解決方案兩倍。為了改善這些參數(shù)的性能，可以部署PMD補償器、子波帶微調(diào)色散補償模塊和可調(diào)諧色散補償器。雖然這些設備可以改善上述參數(shù)，但仍不能達到10 Gbit/s系統(tǒng)的性能。此外，由于需要安裝額外設備，40Gbit/s系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及可重配置能力將會因此受到很大影響。
（3）50GHz波長間隔的兼容性
DPSK存在一個很大的局限性，即不能在50GHz系統(tǒng)中運行，因此它不能用作40G解決方案。雙二進制和DQPSK解決方案可以在50GHz系統(tǒng)中運行，但在電中繼站之前，每個網(wǎng)絡跨段上可部署的OADM/ROADM的數(shù)量最多只能有3個。由于存在這種限制，服務供應商既不能利用網(wǎng)絡中的現(xiàn)有設備，也不能充分利用ROADM所帶來的靈活性和低成本優(yōu)勢。
（4）電子系統(tǒng)
由于雙二進制，DPSK和DQPSK系統(tǒng)中的電子器件需要在一個高于10Gbit/s系統(tǒng)的頻率上工作，這些解決方案的成本目前要高于4個10Gbit/s解決方案的成本，因此只適合少量的特殊應用。此外，上述因素還限定了適用器件的采購，因此這些解決方案的經(jīng)濟性又受到了影響。
總而言之，由于存在以下制約因素，40Gbit/s雙二進制和DQPSK解決方案不便于在現(xiàn)有網(wǎng)絡上部署：
（1）由于傳輸距離短于10Gbit/s系統(tǒng)，必須在網(wǎng)絡上部署喇曼放大器；
（2）由于色散和極化模色散容限值低于10Gbit/s系統(tǒng)，必須安裝額外的補償設備；
（3）允許部署的OADM/ROADM的數(shù)量遠低于10Gbit/s系統(tǒng)，難于甚至不可能符合50GHz系統(tǒng)對于OADM/ROADM的要求。
由于不能在50GHz環(huán)境中運行，DPSK不能用作40Gbit/s解決方案。表1列出了各種下一代40G系統(tǒng)對比情況。
表1 各種下一代40G系統(tǒng)對比表
6 DP-QPSK 40Gbit/s（雙極化四相相移鍵控）光傳輸技術(shù)
北電解決40Gbit/s傳輸所面臨的挑戰(zhàn)的方案是，采用10Gbit/s波特的QPSK編碼方式。如圖4所示，該解決方案使用了兩個QPSK信號，每個QPSK信號調(diào)制光載波的兩個正交極化光之一。這種方法被稱作雙極化（2-POL）QPSK。采用這種調(diào)制技術(shù)后，可以使用類似于10Gbit/s系統(tǒng)中所使用的電器件和光電器件實現(xiàn)40Gbit/s傳輸，而且光損傷也只相當于10Gbit/s系統(tǒng)。該解決方案所使用的接收器是全相干接收器，它將接收到的信號與一個本地振蕩器混合，然后將其檢測出來。一個相干接收器能夠保持成功解碼QPSK信號所需的信號特性。在完成高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)化后，接收器使用北電開發(fā)的基于CMOS的數(shù)字信號處理器來區(qū)分和跟蹤這些信號。
圖4 雙極化四相相移鍵控
6.1 DP-QPSK調(diào)制
DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying)，或稱雙極化QPSK，是在每一波長采用兩個QPSK信號來傳遞40Gbit/s業(yè)務，這兩個QPSK信號分別調(diào)制光載波兩個正交極化（偏振）中的一個。由于QPSK和正交極化復用分別將頻譜利用率提高一倍，與Duobinary或DPSK等調(diào)制方式相比，DP-QPSK只需1/4頻譜帶寬，因而可以獲得與傳統(tǒng)10Gbit/s NRZ系統(tǒng)類似的噪聲特性。
DP-QPSK發(fā)射機原理圖如圖5所示，這里只顯示出X軸QPSK電路，Y軸電路除另有I和Q信道數(shù)據(jù)外與X軸完全一樣。X軸和Y軸光信號按正交極化（偏振）復用，合并成通過光纖傳輸?shù)男盘枴?/p>
圖5 DP-QPSK發(fā)射機原理圖
6.2 相干接收機
DP-QPSK的相干檢測如圖6所示。接受信號通過一個極化束分離器(Polarization Beam Splitter)分解成兩個正交信號，每個正交信號都與一個本地光源混頻，該本地光源的載波頻率控制精度為數(shù)百MHz。混頻后得到4個極化和相位正交的光信號，分別用PIN檢測，經(jīng)電放大和濾波后由A/D電路轉(zhuǎn)化為4路數(shù)字信號，其間實現(xiàn)的3dB帶寬大約為6GHz，從而消除了帶外噪聲。
圖6 相干接收機
定時恢復、信號恢復、極化和PMD跟蹤，以及色散補償均為數(shù)字化處理實現(xiàn)。
6.3 數(shù)字信號處理(DSP)
接受信號的電場是發(fā)送信號電場與光纖瓊斯矩陣的乘積，經(jīng)過場域解析，可以近乎完美地將原始的發(fā)送信號與光纖傳播效應(色散和PMD等)分離。
在數(shù)字信號處理中運用了多級的線性和非線性處理，整體為具有152個有效抽頭的有限沖激相應(FIR)數(shù)字濾波效應，運算速度為每秒12×1012次。實現(xiàn)了系統(tǒng)在5×104ps/nm的色散及25ps平均DGD時的OSNR代價可忽略不計，而在8×104ps/nm的色散和33ps平均DGD時的OSNR代價各約2dB。
快速控制電路保證本地光源的激光器線寬為2MHz，且能跟蹤50kHz的PMD狀態(tài)旋轉(zhuǎn)。監(jiān)測電路可報告實時的色散和PMD參數(shù)。
上述的A/D電路，數(shù)字信號處理器及其控制和監(jiān)測電路都集成在采用90nm CMOS工藝的2000萬門的ASIC上。
6.4 超強FEC
業(yè)界領(lǐng)先的超強FEC進一步降低了系統(tǒng)的OSNR門限，使系統(tǒng)能夠容忍更大的噪聲，從而延伸了傳輸距離。
卷積碼（或稱乘積碼，即Product Code）FEC采用兩維迭代編碼，獲得了獨有的9.2dB編碼增益，比市場上其他的FEC方案提高約1~3dB，可將3.84×10-3的原始接受誤碼率（RAW BER）改善到優(yōu)于1×10-15的水平。
北電提出的這種解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的光性能，可與10G系統(tǒng)相媲美；北電開發(fā)的數(shù)字信號處理器（DSP）可實現(xiàn)高達+/-5×104ps/nm的全電子化色散補償；還能實現(xiàn)PMD和PDL補償。2-POL QPSK的另一個重要優(yōu)勢是，它全面支持多個50GHz OADM/ROADM的級聯(lián)，并且通道代價與10G系統(tǒng)相當。由于這種解決方案創(chuàng)造性地使用了10G器件，所需關(guān)鍵器件可以從眾多供應商那里選取最優(yōu)的。
2-POL QPSK的創(chuàng)新理念與北電此前提出的DSP增強的10G系統(tǒng)（10G eDCO）相得益彰，以CMOS DSP處理器取代了光網(wǎng)絡的復雜性，為服務供應商極大地簡化了網(wǎng)絡。
6.5 系統(tǒng)性能
如圖7所示，北電提出的2-POL QPSK系統(tǒng)具備優(yōu)異的極化模色散容限值，這方面甚至高于10G系統(tǒng)。圖中顯示了極化模色散對40G TDM系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴重影響。2-POL QPSK所提供的增強的彈性可以讓網(wǎng)絡運營商顯著提升其光纖資源的價值。圖8是OADM對不同40G系統(tǒng)的傳輸距離的影響。
圖7 極化模色散對不同40G系統(tǒng)的傳輸距離的影響
圖8 OADM對不同40G系統(tǒng)的傳輸距離的影響
北電的2-POL QPSK系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢是它的頻譜與典型的10G系統(tǒng)相同。因此，它在OADM和ROADM級聯(lián)方面與10G系統(tǒng)類似。如圖6和圖7所示，隨著OADM數(shù)量的增加，北電的2-POL QPSK系統(tǒng)所實現(xiàn)的傳輸距離類似于10G系統(tǒng)，而其它40G解決方案連接了少數(shù)幾個OADM之后就變得不實用了。
如上所述，北電的2-POL QPSK系統(tǒng)可實現(xiàn)高達+/-5×104ps/nm的全電子化色散補償（與北電10G eDCO系統(tǒng)相同）。這種能力不僅解除了系統(tǒng)在色散補償方面的所有限制，而且能夠讓其充分利用ROADM所帶來的可重配置優(yōu)勢。
6.6 北電2-POL QPSK技術(shù)符合自適應全光智能網(wǎng)絡的愿景
（1）無需破壞現(xiàn)有網(wǎng)絡。色散容限與10G網(wǎng)絡相當，集成的電子色散補償技術(shù)不需要色散補償模塊；不需要使用外部極化模色散補償器；不需要使用喇曼放大器。
（2）能夠在50GHz波長間隔的系統(tǒng)中運行。
（3）支持靈活的OADM/ROADM，保持完全的機動能力以滿足不斷變化的業(yè)務需求。
（4）成本低于4個10G系統(tǒng)。
表2匯總了2-POL QPSK解決方案與其它解決方案相比的技術(shù)優(yōu)勢。
6.7 北電DP-QPSK的技術(shù)優(yōu)勢
（1）每對光纖傳輸容量達到88×40G，超過10G系統(tǒng)4倍以上。
（2）無中繼傳輸2000km以上。
（3）完全取消光層色散補償，簡化設備，節(jié)省投資，極大地簡化了工程設計與施工，可以快速部署、支持波長的實時調(diào)度。
（4）比10G波分系統(tǒng)更好地容忍極化模色散(PMD)，以往10G不能開通的線路可以部署40G。
（5）支持與10G波分系統(tǒng)相同數(shù)量的OADM級聯(lián)。
（6）可將10G波分系統(tǒng)（CPL線路）直接升級到40G，無需改造光放大器等任何線路設備。
（7）支持未來100GE的長途波分傳輸。
7 結(jié)束語
自2007年以來，已有來自北美、歐洲和亞洲地區(qū)的多家主要運營商選擇了具有DP-QPSK技術(shù)的北電40G傳輸產(chǎn)品OME6500，其中Verizon Business公開宣布選用北電的40G設備建設連接歐洲主要城市的泛歐網(wǎng)絡。在已經(jīng)完成和正在進行中的用戶測試中，北電的方案也獲得普遍好評，預計在2008年還會有更多的用戶部署OME6500 40G系統(tǒng)。
