400G单载波高频谱效率的光传送技术新进展

发布时间:2018-08-13  作者:余建军(中兴通讯)  阅读量:

  随着视频流量、云计算和移动数据的需求日益增长,光网络带宽以每年2dB左右的速率增长。高速相干光通信发展迅速,100G相干光单载波通信系统从实验室到现网铺设使用只用了短短的5年时间。目前单载波100G信号传输已经广泛使用,单载波400G信号传输需求迫切。不同于100G普遍采用的极化复用QPSK调制,单载波400G将面临着一些不同的选择。这主要是由于单载波400G面临着一些限制和挑战。如果单载波400G还如100G系统采用基于数字信号处理的极化复用的QPSK调制和相干探测,其波特率将达到128Gbaud,但频偏效率还是像100G系统一样只能达到2b/s/Hz,通信容量不能有效增加,这样开发的产品就缺乏吸引力。对400G系统而言我们需要有更高级的调制码来提高频谱效率和增加系统传输容量,这样也降低了信号所需的波特率,从而降低了对器件带宽的需求。本文给出了一些解决办法来有效地延长传输距离。例如采用QAM、16QAM或64QAM等高阶调制格式,其所需要的波特率将分别降低到 84、64 和44Gbaud左右。但高级QAM面临着一个重要问题是需要更高的信噪比。例如16QAM相对于QPSK信号需要多6dB的信噪比,这样传输距离就只有QPSK的25%左右。采用更高级QAM会要求更高的信噪比,传输距离就会更短,满足不了长距离传输的要求。最近研究的几何整形和概率整形等先进的调制格式优化技术因为改变了信号星座图的几何分布或概率分布,能够极大地延长传输距离,传输容量可以更加接近香农极限。另外采用小损耗大孔径光纤以及拉曼(Raman)放大器也能够延长传输距离。 

  采用高波特率提高信号的单信道传输速率

  从历史上看,提升波特率是一种可以提升每个信道传输速率的有效且受欢迎的方式。采用高波特率可以实现单信道高速传输,减少信道数量,减少光器件数量,从而降低成本。为了实现高波特信号的产生,可以采用电时分复用(ETDM)技术或高速采样率数模转换器(DAC)。通过使用ETDM技术,实验实现了超过100G波特率的信号产生和传输。在之前的工作中,我们演示了128.8Gbaud 极化复用QPSK的产生和长距离陆地光纤传输,传输距离达到上万公里。最近,我们演示了128Gbaud波特率ETDM 极化复用16QAM光信号的波分复用信号传输。通过使用高采样率的DAC,已经能够实现100Gbaud极化复用64QAM信号的产生。对于这些解决方案,限制系统性能的两个主要因素是:调制带宽限制和用于信号调制、探测的电光器件引入的非线性损伤。我们可以使用先进数字信号处理算法来解决发送和接收端的这些限制因素,包括发送和接收端用预先或后均衡补偿算法。对基于ETDM的高波特率信号来说,可以采用发送端和接收端做数字信号处理提高性能。在发射端主要采用预均衡,而在接收端采用最大似然序列估计。这些算法可以消除光电器件带宽限制引起的窄带滤波效应。也可以通过联合预均衡和查找表预失真来消除基于DAC的高波特率和高阶调制格式信号产生和传输中的器件非线性损伤。

  采用高级QAM调制提高信号的速率和频谱效率

  实现超高速信号传输可以采用高波特率和高级QAM的方式实现。采用高级QAM的好处是能降低波特率和提高频谱效率。但高级QAM相干探测需要更复杂的数字信号处理技术,另外高级QAM信号探测需要更高的信噪比、更窄的激光器线宽和更好线性度的光电器件。由光电器件和光纤引起的非线性也可以采用数字信号处理的方式进行补偿。中兴通讯在2017年最先实现了400G 极化复用256QAM信号的产生和相干探测。目前世界上做到的最高级QAM为4096QAM,但速率只有大约50Gbit/s。

  利用新光纤和放大技术延长传输距离

  光信号在光纤中传输主要遭受损耗、色散和非线性的影响。光纤色散在相干光通信系统中可以采用数字信号处理进行有效的补偿,因此已经不是主要问题。C波段信号在标准单模光纤的损耗为0.2dB/km左右,经过100km光纤传输后,总损耗为20dB。为了减少损耗,提高信号经过传输后的信噪比,已经有新的超低损耗光纤面世。现在光纤的最小损耗可以达到0.14dB/km左右,经过100km光纤传输积累的损耗只有13dB左右,这样相对于标准单模光纤减少了6dB的损耗。另外通过增加光纤的孔径从而减少光纤中单位面积的光功率也降低了光纤中的非线性效应,现在的光纤孔径面积可以超过150µm²。不同于EDFA集中式光放大,拉曼放大可以降低信号在光纤中的光功率(接近EDFA的地方),从而减小非线性效应。目前陆地上长距离传输的纪录基本都是采用拉曼放大实现的。如果能在接收端采用数字信号处理算法,光纤中非线性效应的影响将会进一步降低,但目前的算法复杂,基本不适用,还需要继续研究。

  利用先进算法实现长距离传输

  信号整形是最近两年最火的数字信号处理算法,可分为几何整形和概率整形(PS)。从信息论诞生以来,缩小通信系统容量与香农极限的差距已经成为一个永恒的话题。作为调制格式优化技术的典型,几何整形技术是针对调制格式的星座点在星座图平面中的位置分布进行整形,利用非均匀间隔星座获得更大的最小欧式距离,从而让系统容量更加接近信道的香农极限。而在概率整形星座中,星座点是等间隔的,每个星座点具有不同的概率。概率整形技术是加性白高斯噪声(AWGN)信道中非常重要的方法,通过让能量低的符号比能量高的符号出现的次数更多,可以降低发射功率,虽然这种非均匀分布会降低发射机输出的熵,减少符号的平均比特数也就是比特率,但是能量的节省足以弥补比特率的损失。另外,在固定功率下,通过增加欧几里得距离,可以提高系统的抗噪声能力。

  概率整形技术相比几何整形技术的优势是它不需要改变调制器的结构,因此就实用性来说更容易实现。因为光调制器工作在非常高的频率下,在复平面产生非均匀的星座点非常困难,所以这一点对于光通信系统来说尤其重要。AWGN信道中的结果不能直接用于光通信系统中,因为在光纤链路中,非线性干扰取决于输入信号的功率和分布,从而限定了信道最大可实现信噪比的上限。于是我们关注的不再是噪声功率和信号功率固定的系统,而是对于固定传输距离能实现最大互信息的光星座图分布和发射功率。概率整形相对于均匀分布能降低平均传输功率,由于引入的非线性失真的方差和输入功率的立方成正比,所以通过概率整形能大大提高通信系统的性能。

  对于给定的平均比特率或者固定的传输熵,能使平均传输能量最小化的星座点最优分布是麦克斯韦玻尔兹曼分布,这种分布在AWGN信道中可以实现最大信息速率。原则上,当星座点服从麦克斯韦玻尔兹曼分布时,在每个维度都能实现1.53dB的成形增益(或者称为灵敏度增益)。非均匀信号产生机制可以通过映射简单的可变长度前缀码来实现。构建非均匀星座图分布需要匹配最优分布的比特流对星座点的多对一映射,在低密度奇偶校验码(LDPC)纠正映射误差和信道误码的帮助下,整形后的星座图比未整形的星座图展现了更好性能,在有效数据速率相同的情况下,系统传输能够极大地提高。

  图1为四种概率整形64QAM的概率分布情况,柱状图高度代表调制符号的概率。从图1(a)到(d),概率整形越来越显著,熵也越来越小,分别为5.73、5.23、4.60和4.13比特/符号。

  中兴通讯采用新技术创造400G长距离传输纪录

  采用概率整形技术能够极大地延长传输距离。最近中兴通讯联合几家全球领先的光电器件公司,实现了400Gb/s 16QAM波分复用信号在75GHz信道间距和100km的放大间距下成功传输超过6000km,刷新了陆地传输距离的纪录。该系统采用了一系列新技术和新器件,包括中兴通讯开发的高灵敏度的概率整形和预、后均衡相干探测技术,NeoPhotonics公司设计制造的低功耗、小体积的高带宽相干驱动调制模块(HB-CDM)和OFS公司的大孔径低损耗TeraWave™光纤。其线路频谱效率超过5.3b/s/Hz。相对于没有采用概率整形技术的情况,其传输距离延长超过40%。

  概率整形技术对高级QAM的效果比低级QAM更明显。我们也采用该技术实现了400G 64QAM信号长距离传输。实验中传输了50GHz信道间距的波分复用信号(528Gbit/s每信道)单载波极化复用的64QAM信号。我们采用了两种概率分布信号进行测试分析。图2为50GHz信道间距8信道WDM误码率于传输距离的关系图。可以看到,两种概率信号(PS 5.75或 PS 5.5)在5×10  软判决FEC门限下可以传输3200km。不采用PS技术,最大传输距离为2000km。可见采用概率整形技术,传输距离延长了60%。

  基于数字信号处理的400G高波特率高级调制相干通信技术发展日新月异,我们采用上述先进技术先后实现了400G QPSK信号1万公里传输、16QAM信号6000公里传输和64QAM信号3000公里传输的传输纪录。在这些传输系统中,我们采用的信号波特率最高达到了128.8Gbaud, 高级QAM最高做到了400G的256QAM信号调制。我们采用了小损耗大孔径光纤、拉曼放大等先进器件以及概率整形技术和基于先进数字信号处理的相干探测来有效地延长传输距离。

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