1 概述
自2010年以來(lái),IEEE、OIF、ITU-T先后發(fā)布了100G相關(guān)技術(shù)規(guī)范,包括100G以太網(wǎng)技術(shù)、100G OTN接口技術(shù)、100G WDM調(diào)制技術(shù)、FEC技術(shù)、OTU4幀結(jié)構(gòu)及映射復(fù)用方式等;國(guó)內(nèi)CCSA于2012年完成行標(biāo)《N×100 Gbit/s光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)技術(shù)要求》,推動(dòng)100G WDM技術(shù)快速發(fā)展。主流的設(shè)備供應(yīng)商分別自2011起相繼發(fā)布商用100G WDM產(chǎn)品。
2012年國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商分別對(duì)100G WDM產(chǎn)品進(jìn)行研究測(cè)試,得出100G WDM技術(shù)和產(chǎn)品基本成熟的結(jié)論,并開(kāi)始在骨干網(wǎng)上部署100G WDM系統(tǒng)。
目前的100G WDM產(chǎn)品還屬于第一代產(chǎn)品,其主要具有以下特點(diǎn)。
a) 線路側(cè)彩光發(fā)送端統(tǒng)一采用偏振復(fù)用和QPSK調(diào)制技術(shù)(PM-(D)QPSK)、增強(qiáng)型的FEC編碼技術(shù)(包括軟判決和硬判決2種主要方式);接收端采用差分相干檢測(cè)和DSP處理等方式;光纖色度色散和偏振模色散(PMD)通過(guò)高速信號(hào)處理(DSP)技術(shù)在電域進(jìn)行補(bǔ)償,不再采用傳統(tǒng)色散補(bǔ)償模塊。
b) 能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 km以上的長(zhǎng)距離傳輸,長(zhǎng)距離傳輸能力還需要進(jìn)一步提升。
c) 光模塊和芯片技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。設(shè)備的集成度和單位功耗還沒(méi)有達(dá)到明顯優(yōu)于40G產(chǎn)品的預(yù)期。
d) 普遍采用OTN平臺(tái),兼容傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)WDM和OTN應(yīng)用。
e) 軟判決FEC技術(shù)的能力在不斷穩(wěn)定和提高。
隨著光放大器技術(shù)的改進(jìn)、超長(zhǎng)傳輸技術(shù)的應(yīng)用、光/電子集成技術(shù)的發(fā)展,下一代100G WDM系統(tǒng)碼型調(diào)制技術(shù)不會(huì)改變,但將在長(zhǎng)距離傳輸能力、集成度和功耗等方面有較大的改進(jìn)。
2 100G WDM關(guān)鍵參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的影響
2.1 色散/PMD補(bǔ)償技術(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響
100G WDM技術(shù)采用高速信號(hào)處理技術(shù)對(duì)光纖的色散和偏振模色散進(jìn)行補(bǔ)償,色度色散補(bǔ)償能力達(dá)到30 000 ps/nm以上、PMD補(bǔ)償能力達(dá)到25 ps以上。根據(jù)近4年對(duì)國(guó)內(nèi)大量運(yùn)營(yíng)5~15年的干線光纜測(cè)試數(shù)據(jù)分析,光纖色度色散系數(shù)基本不會(huì)隨應(yīng)用時(shí)間而變化,光纖PMD隨應(yīng)用時(shí)間會(huì)有一定的增加,但1 500 km光纖的PMD還是遠(yuǎn)小于25 ps。這一技術(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好處是非常顯著的。
a) 與10G和傳統(tǒng)40G WDM系統(tǒng)相比,100G WDM系統(tǒng)在應(yīng)用中完全不需要考慮線路色度色散和PMD的影響和補(bǔ)償,將100G WDM系統(tǒng)的傳輸線路受限因素從光纖的衰減、色度色散、PMD簡(jiǎn)化為僅考慮衰減受限,不需要再考慮在系統(tǒng)中每個(gè)光放站該如何合理選擇色散補(bǔ)償模塊(DCM),以保證色散補(bǔ)償效果和系統(tǒng)性能最佳,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
b) 采用DSP進(jìn)行色散補(bǔ)償,對(duì)線路色散變化不敏感,實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明,在配置光復(fù)用段保護(hù)(OMSP)的系統(tǒng)中,主備用路由光纖色散相差17 000 ps/nm以上,業(yè)務(wù)保護(hù)倒換時(shí)間不超過(guò)100 ms,這樣的結(jié)果表明,在WDM系統(tǒng)中采用OLP、OMSP等光層保護(hù)技術(shù)的情況下,基本可以不考慮主備用路由色散差異對(duì)保護(hù)倒換時(shí)間的影響。相比傳統(tǒng)40G WDM系統(tǒng),除配置DCM模塊外,還需要在每個(gè)OTU上配置單波電可調(diào)色散補(bǔ)償模塊(ADC)針對(duì)DCM補(bǔ)償后的各波道殘余色散差異進(jìn)行微調(diào)補(bǔ)償,這種電可調(diào)色散補(bǔ)償模塊的響應(yīng)速度比較慢,為保證在采用OLP、OMSP等光層保護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)中的保護(hù)倒換時(shí)間盡量短,一般要求主備用路由殘余色散差異不超過(guò)100 ps/nm。
2.2 光放大器結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響
光放大器的噪聲系數(shù)(NF)是限制WDM系統(tǒng)長(zhǎng)距離傳輸能力的主要參數(shù)之一,通過(guò)降低光放大器的NF可以有效提高WDM系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸能力。在100G WDM系統(tǒng)中,由于不需要進(jìn)行色散補(bǔ)償,光放大器的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行優(yōu)化,降低NF。10G和40G WDM系統(tǒng)中典型EDFA結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,采用兩級(jí)放大器結(jié)構(gòu),在兩級(jí)放大器之間,預(yù)留連接DCM的接頭,如果不需要配置DCM,則需要在配置DCM的位置配置衰耗器,兩級(jí)放大器的主要目的是補(bǔ)償DCM帶來(lái)的插入損耗(4~10 dB)。這種光放大器的NF比較大,一般在6 dB以上。在100G WDM系統(tǒng)中,由于不需要DCM,放大器的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為單級(jí)結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。隨著結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化,同時(shí)對(duì)EDFA的泵浦源進(jìn)行波長(zhǎng)上的優(yōu)化,可將NF降低到5 dB以下。NF從6 dB以上,降低到5 dB以下,大于1 dB的NF優(yōu)化,在相同系統(tǒng)配置條件下,可以使系統(tǒng)的傳輸距離增長(zhǎng)4個(gè)光放段,約300 km以上。
2.3 PM-(D)QPSK調(diào)制技術(shù)對(duì)長(zhǎng)跨段應(yīng)用的影響
PM-(D)QPSK調(diào)制技術(shù)對(duì)非線性效應(yīng)非常敏感,尤其是由于入纖功率過(guò)高造成的非線性效應(yīng)的影響。入纖功率是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中關(guān)注的主要參數(shù)之一,也是唯一在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化改善非線性效應(yīng)的參數(shù)。非線性效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響通常通過(guò)系統(tǒng)光通道代價(jià)來(lái)反映,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)16個(gè)N×25 dB模型系統(tǒng),分別在入纖功率為0、1、2和3 dBm的情況下進(jìn)行OSNR光通道代價(jià)測(cè)試,結(jié)果如圖2所示。
系統(tǒng)入纖功率為0~2 dBm,系統(tǒng)OSNR代價(jià)有一定增加,在短波長(zhǎng)區(qū)的變化比較明顯,但多數(shù)在1 dBm以內(nèi),入纖功率升到3 dBm,系統(tǒng)的OSNR代價(jià)明顯增加,接近甚至超過(guò)2 dB。因此業(yè)界普遍認(rèn)為入纖功率在1 dBm以下,系統(tǒng)性能比較可靠,2 dBm以下可以接受,但更高的入纖功率顯然不合理。
入纖功率的限制,導(dǎo)致100G WDM系統(tǒng)對(duì)超長(zhǎng)的光放段(衰減大于30 dB)非常敏感,在系統(tǒng)中存在這種光放段的情況下,系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸能力將大打折扣,從而增大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本�?梢灶A(yù)見(jiàn),在未來(lái)的超100G WDM系統(tǒng)中,非線性效應(yīng)仍將是非常重要的限制因素,建議在新建光纜線路時(shí),光放段的設(shè)置應(yīng)注意避免超長(zhǎng)跨段出現(xiàn)。
2.4 OPU4速率規(guī)范對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的影響
業(yè)務(wù)信號(hào)的全透明傳輸是對(duì)傳送網(wǎng)的基本要求,ITU-T G.709提出的OPU2和OPU3速率小于10GE以太網(wǎng)(10 312 500 kbit/s)和40GE以太網(wǎng)(41 250 000 kbit/s)的速率(見(jiàn)表1),導(dǎo)致10GE和40GE以太網(wǎng)信號(hào)分別映射到OPU2和OPU3中時(shí),需要首先采用GFP封裝將以太網(wǎng)信號(hào)波特率進(jìn)行壓縮,造成客戶信號(hào)不能全透明傳輸;或者采用超頻的OPU2e、OPU3e等方式,實(shí)現(xiàn)客戶信號(hào)的全透明傳輸,但這種方式無(wú)疑帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的復(fù)雜性,加大了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和維護(hù)的成本。
到100 Gbit/s階段,ITU-T G.709提出的OPU4比特率充分考慮了業(yè)務(wù)透明傳輸?shù)男枨蟆PU4的速率規(guī)范為104 355 975.330 kbit/s,大于100G以太網(wǎng)的速率,100G以太網(wǎng)信號(hào)映射到OPU4中不再需要GFP封裝,可以通過(guò)GMP完全透明映射到OPU4中,實(shí)現(xiàn)全透明傳輸。
OPU4中每個(gè)1.25G TS的速率為1 301 709.251 kbit/s,千兆以太網(wǎng)(GE)信號(hào)速率為1.25 Gbit/s,可以采用GMP方式完全透明映射到一個(gè)OPU4的1.25G TS中;8個(gè)1.25G TS的速率為10 413 674.008 kbit/s,萬(wàn)兆以太網(wǎng)(10GE)信號(hào)的速率為10 312 500 kbit/s,可以采用GMP方式完全透明映射到8個(gè)OPU4的1.25G TS中。
2.5 客戶側(cè)接口實(shí)現(xiàn)方式的改進(jìn)可降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本
100G高速數(shù)據(jù)流在客戶側(cè)引入了多通道分發(fā)(MLD)技術(shù),對(duì)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行多通道的分發(fā),降低了每個(gè)通道的速率,從而降低對(duì)接口時(shí)鐘頻率的要求和復(fù)雜度。
目前,在100G WDM系統(tǒng)的客戶側(cè)存在著4×25G和10×10G 2種多通道光接口,多個(gè)通道在光層采用粗波分復(fù)用方式,將多個(gè)通道在一根光纖中傳輸。單個(gè)光通道的速率從100G降低到25G和10G,大大提高了客戶側(cè)光接口對(duì)色度色散和PMD的容限,2種接口均可實(shí)現(xiàn)10 km以上的無(wú)中繼傳輸(實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證,可實(shí)現(xiàn)在G.652光纖上進(jìn)行15 km無(wú)中繼傳輸),而40G單通道光接口在G.652光纖上無(wú)中繼傳輸距離只有2 km以上,這種變化為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供更多的靈活性,并降低網(wǎng)絡(luò)成本。
WDM系統(tǒng)的主要服務(wù)對(duì)象是為IP路由器網(wǎng)絡(luò)提供長(zhǎng)距離中繼鏈路。為了保證IP網(wǎng)絡(luò)的安全,在國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)城市,都設(shè)置有2個(gè)骨干IP機(jī)房,機(jī)房間的距離多數(shù)都超過(guò)2 km,但大部分在10 km以下。在傳統(tǒng)40G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,為滿足大多數(shù)城市2個(gè)機(jī)房間的中繼傳輸?shù)男枨�,往往需要�?個(gè)機(jī)房間建設(shè)40G WDM系統(tǒng),平均每個(gè)中繼鏈路的功耗增加160 W以上,且占用大量寶貴的機(jī)房空間。而采用100G技術(shù),針對(duì)10 km以下的中繼距離,僅僅采用光纖直驅(qū)方式即可。
2.6 2種客戶側(cè)光模塊技術(shù)的差異及對(duì)應(yīng)用的影響
目前路由器和傳輸設(shè)備背板接口速率都是基于10 Gbit/s的SerDes技術(shù),host板卡上MAC/Framer層ASIC芯片與CFP光模塊間的互聯(lián)也是通過(guò)10 Gbit/s的SerDes接口。4×25G光接口需要采用MLG技術(shù),實(shí)現(xiàn)25與10 Gbit/s接口速率間的轉(zhuǎn)換;10×10G光接口不需要MLG。2種光模塊的原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。這種結(jié)構(gòu)上的差異也導(dǎo)致4×25G光模塊的價(jià)格比10×10G光模塊的價(jià)格高30%左右。
IEEE 802.3ba[2]對(duì)4×25G光接口進(jìn)行了規(guī)范,包括100G BASE-LR4/ER4等。ITU-T G.709中針對(duì)IEEE定義的4×25G接口提出了多通道OTU4接口(OTL4.4),并在G959.1[3]中給出了OTL4.4的光接口參數(shù)。
10×10 MSA(多廠商產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟)提出10×10G光接口的規(guī)范[4],目前未被IEEE接受,但國(guó)內(nèi)在行標(biāo)《N×100 Gbit/s光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)技術(shù)要求》[5]中接受了該接口。
針對(duì)這2種接口的光模塊的比較詳見(jiàn)表2。
對(duì)設(shè)備供應(yīng)商的調(diào)研結(jié)果表明,國(guó)內(nèi)主流的傳輸設(shè)備和路由器設(shè)備供應(yīng)商絕大多數(shù)都支持采用這2種光模塊。
2種光接口模塊的選擇給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)一定的困擾,互通性和管理方便性是主要考慮因素(見(jiàn)圖4),在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)這2個(gè)因素進(jìn)行了測(cè)試研究。
測(cè)試中,共配置8個(gè)客戶側(cè)互聯(lián)點(diǎn)(從A到H),分別采用4×25G和10×10G光模塊。針對(duì)100GE業(yè)務(wù)和OTU4業(yè)務(wù)的測(cè)試結(jié)果表明,只需要直接互聯(lián)的2個(gè)光模塊的型號(hào)一致,其他互聯(lián)點(diǎn)的光模塊是否與之一致,并不影響業(yè)務(wù)的互通。這2種光模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)CFP封裝,在設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)熱插拔和互換且不影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。
3 結(jié)束語(yǔ)
100G WDM傳輸技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)基本成熟,在現(xiàn)網(wǎng)長(zhǎng)距離傳輸能力上可達(dá)到1 000 km以上,并開(kāi)始在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商骨干網(wǎng)上應(yīng)用。100G WDM技術(shù)采用PM-(D)QPSK編碼調(diào)制技術(shù)、相干檢測(cè)技術(shù)和DSP技術(shù)將基于光纜線路的受限因素從衰減、色度色散和PMD減少為以衰減為主,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置,大大提高了現(xiàn)網(wǎng)光纜的適應(yīng)性和應(yīng)用靈活性;針對(duì)100GE以太網(wǎng)信號(hào)規(guī)范的OPU4容器,業(yè)務(wù)適應(yīng)能力顯著提升;客戶側(cè)接口多通道傳輸方式大幅降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本�?梢灶A(yù)見(jiàn),100G WDM技術(shù)將很快取代40G WDM成為傳輸網(wǎng)的主流傳輸技術(shù)。
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