100G光传送技术渐入佳境

• 偏振复用正交相移键控将是相对实现优势比较明显的传输码型，也是目前标准化组织和设备厂商关注的焦点码型
• 基于100G信号的实时相干接收处理等尚待技术突破，这是100G 波分复用系统走向商用的最大技术瓶颈
• 前向纠错技术的进一步突破势必会对系统长距传输带来裨益

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题(2009AA01Z257、2009AA01Z252)；国家重点基础研究发展规划(“973”计划)课题(2010CB328200、2010CB328201)  

    2004年左右，随着路由器40 Gbit/s POS接口的推出和传送网络带宽的持续增长，40 Gbit/s技术已经逐步成熟并走向规模商用。近年来，中国运营商在传送网上开展了不同规模的试验和小规模商用。从2010年开始，中国电信和中国联通等在干线网络上大规模引入40 Gbit/s波分复用(WDM)系统，标志着基于40 Gbit/s的WDM系统已经逐步进入规模商用阶段。随着100GE标准的确立，100G高速传输技术已成为业界关注的下一个高速率平台。

1 100GE相关标准已经确立
    100GE技术的相关标准已由美国电气和电子工程师协会(IEEE)、国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)和光互联论坛(OIF)等进行开发。IEEE成立了IEEE 802.3ba工作组研究100GE技术；ITU-T正在研究如何将100GE信号映射到光传送网(OTN)构架的OTU-4等级中；OIF关注物理层及链路层接口标准，研究支持100G速率的接口标准以及信号传输特性的标准。3个标准组织在标准化方面的分工如图１所示。

    IEEE于2006年成立高速网络工作(HSSG)，主要制订100G以太网的媒体接入控制(MAC)、物理编码子层(PCS)、物理介质附加子层/物理介质子层(PMA/PMD)的技术规范。2007年12月，HSSG正式转变为IEEE 802.3ba任务组，其任务是制订在光纤和铜缆上实现40 Gbit/s或100 Gbit/s数据速率的标准[1]。该小组的草案目标是希望未来的40 Gbit/s或100 Gbit/s以太网标准支持全双工操作，并通过使用802.3 MAC的方式保留802.3以太网帧格式，MAC层和物理层的误码率(BER)至少要低于1e-12并且能够妥善地支持OTN[2]。100GE的标准已于2010年6月正式通过，100GE信号速率为103.125 Gbit/s ±100 ppm，在100GE物理层规范方面，100 Gbit/s以太网层应满足的条件如表1所列。

 
    ITU-T作为较为强势的标准组织，在标准化方面主要涉及100GE的映射和传送。ITU-T G.709定义了OTU4的速率为111 809 973.568 kbit/s，ODU4的速率为104 794 445.815 kbit/s，保证了未来100GE作为客户信号映射进OTN的兼容性，同时开展了相关光波分传输接口和前向纠错(FEC)等方面的研究工作[3]。
OIF主要规范了相关电接口，并定义了CEI-25（通用电接口）、SPI-5（物理层接口）、SFI-5（串行/解串行接口）和VSR-5（甚短距接口）等接口标准。同时，OIF于2008年9月左右开始研究100G长距离密集型光波复用(DWDM)传输项目，该项目遵从ITU-T定义的112 Gbit/s传输速率，采用双极性正交相移键控(DP-QPSK)和相干接收机结合的技术来开展100 G长距离传输研究，同时开展100G长距离DWDM传输架构、传输集成光器件、FEC和光模块等方面的标准研究，并已经形成实现协议。从某种角度来说，这也对ITU-T开展的相关长距传输标准研究造成了一定的挑战。

    中国标准组织也在积极跟踪和制订100G相关标准。 中国100G传输标准由中国通信标准化协会传输网与接入网技术工作委员会(CCSA TC6)制订，目前行业技术报告《Nx100G DWDM传输系统技术要求》已征求意见，报告《Nx100G DWDM系统测试方法》正在研究中。鉴于制造业等对100G标准需求，2011年拟制订行业标准《N×100 Gb/s光波分复用(WDM)系统技术要求》。

    综合来看，100G有关的用户侧和传输的国际标准已经基本确立，部分关键的技术点也已在研究中。中国相关标准已初具形态，并将在技术试验和设备研发的基础上尽快推出。

2 100G传输现网试验方兴未艾
    高速Internet和视频业务的迅速发展，IP网络流量持续强劲增长，这些都对运营商的骨干传送网络提出了更高的要求，因此运营商需要不断地升级网络。针对100G的长距传输，从2004年左右，很多设备制造商已经开始跟踪和研发，全球很多厂家都宣称有100G WDM的解决方案，近年来全球各大运营商也对此表现出极大的兴趣，开展了各种现场试验，表2所示为2010年部分现网试验的案例。

    随着光纤接入(FTTx)等业务的发展和国家“三网融合”战略的实施，中国各大运营商的宽带业务和网络的发展都逐步步入快速增长期。目前中国电信和中国联通的骨干网已经规模部署了40G WDM传输系统。中国移动也开展了现网实验，100G WDM超高速传输技术的需求也已初现端倪。中国电信与康宁公司等于2010年11月成功完成100G超长距WDM传输技术实验室测试，实现了超过3 000 km的超长传输距离。该测试是中国第一次100G超长距WDM传输实验，测试的100G WDM传送设备采用相干接收PM-QPSK调制技术，也是业界公认的100G WDM长途传输的最佳解决方案，同时在有色散补偿模块(DCM)的现网升级模型和没有DCM的新建系统模型下全面评估了100G WDM传输技术的性能和关键技术参数。

    综上所述，100G 传输实验始于2008年，现网试验在近两年获得了很大发展，运营商对100G DWDM高速传输系统非常关注，已经开始了实验室超长距离传输的实验，为后续标准和工程应用等奠定了技术基础。

3 100G长距传输关键技术尚待完善
    与40 Gbit/s技术类似，除了支持现有通路间隔（如100 GHz、50 GHz）和尽量提高频谱利用率之外，100G长距传输限制的因素主要体现在色度色散容限、偏振模色散容限、光信噪比(OSNR)容限及非线性效应容限等多个方面。为了克服对100G信号的传输限制，除了采用常规的解决途径（如采用光域或电域的补偿或均衡之外）之外，主要采用的解决方案包括新型调制码型、新型复用技术、相干接收技术和FEC技术等多个方面。

3.1 新型调制码型和复用方式
    从调制格式和复用方式来看，100G长距传输技术除了基于偏振复用结合多相位调制的调制方式，如四相相移键控(PDM-(D)QPSK)之外，还包括多级相位和幅度调制的调制码型，如8/16相移键控(8 PSK/16 PSK)、16/32/64级正交幅度调制(16 QAM/32 QAM/64 QAM)等，及基于低速子波复用的正交频分复用(OFDM)等。
目前10 Gbit/s速率及其以下速率商用系统中普遍采用的是基于强度调制及检测的非归零码 (NRZ)调制格式。为了解决目前高速光信号传输距离受限（CD、PMD、非线性效应等）的问题，新型调制码型成为一个新的技术选择。比较典型的几种调制码型的波形和眼图如图2所示。

    对于40 Gbit/s技术，目前基本采用的码型为光双二进制/相位整形二进制传输(ODB/PSBT)、差分移相键控(DPSK)（包括改进型DPSK）、差分正交相移键控 (DQPSK)和DP-QPSK（相干接收）等。对于100 Gbit/s高速传输，目前基本采用的码型为DQPSK、DP-QPSK同时结合相干接收等技术。

    在40 Gbit/s DWDM技术发展过程中出现了多种调制格式百花齐放的情景。对于多种应用场景可以采用不同的码型，但是也同时出现了多种码型同时研发、成本和备件都较高的弊端，为了解决光信号高速技术限制而提出的多种调制编码格式在实际应用中面临如何选择的难题，综合研究认为对于调制格式的选择，应主要考虑以下一些方面：

    首先，传输距离是决定码型选择的关键因素之一。在几种典型码型中，根据码型具体特征，若不考虑50 GHz通路间隔的应用需求，NRZ可用于局内、短距和600 km左右的长距，而ODB/PSBT可用于600 km左右的长距，其他几种可用于600 km以上长距。

    第二，通路间隔也是码型选择的主要条件。目前商用N×10 Gbit/s系统通路间隔最小为50 GHz，若考虑40 Gbit/s系统也支持50 GHz通路间隔，根据码型具体特征，那么实际应用时可选择ODB/PSBT、归零码－差分正交相移键控(RZ-DQPSK)和DP-QPSK等，其他码型在50 GHz通路间隔应用时系统代价较大，一般很难满足系统性能要求。

    第三，与低速40 Gbit/s系统的混传也是目前100 Gbit/s码型选择时需要考虑的问题。多种速率混传时，除了考虑传输距离和通路间隔等共性问题之外，还需考虑两种速率间不同调制格式之间的通道间干扰问题，如目前公开的一些试验和仿真研究表明在某些特定条件下强度调制对于四相相位调制的信号影响较大。
第四，综合考虑调制编码格式的成本与性能的平衡。与NRZ相比，ODB/PSBT、归零传号交替反转码(RZ-AMI)、RZ-DQPSK、DP-QPSK、DPSK等传输码型在实现了某些高性能的同时，实现复杂性（成本）亦在不断增加。这就需要在实际选择传输码型时需兼顾成本与性能的平衡问题。另外，考虑到未来的N×100 Gbit/s技术，基于偏振复用、多相位调制和相干解调的传输码型具有较强的竞争力。

    对于100 Gbit/s高速传输，不同的调制码型的PMD、CD和背靠背OSNR容限等差异很大，如表3所示。

    为了提供系统波特率的前提下不降低系统性能，基于不同的复用技术也应用到高速光通信当中，对典型如基于偏振的复用、基于频率/波长的复用等，如图3所示。

    依据目前的技术分析，QPSK将是相对实现优势比较明显的传输码型，也是目前标准化组织和设备厂商关注的焦点码型。

3.2 相干接收技术
    从调制编码解调来看，目前主要可采用直接解调和相干解调两种方式，其中相干解调主要采用数字信号处理(DSP)技术来实现，显著降低了相干通信中对于激光器特性的要求。相对于常规的直接检测技术，相干技术主要有以下一些优势：

    (1) 在足够大本征功率的情况可得到散弹噪声受限的接收机灵敏度。本征的较大功率给予信号很大的增益，本征的散弹噪声淹没了接收机的热噪声限制。相对于常规的强度直接检测技术，采用相干接收以后接收机灵敏度可提升20 dB左右。

    (2) 可以显著提升系统的频谱利用率。中频的频率分辨率相对很高，可以在电域分离间隔更近的WDM相邻通路。

    (3) 相位检测技术的实现可以显著提高接收灵敏度。这主要是由于符号之间的编码距离通过相位信息得到拓展。例如，相对于NRZ，基于平衡接收的DPSK接收灵敏度理论上可以提高3 dB左右。

    (4) 一些相位调制技术还可以通过相干接收引入到光纤通信网络当中来。

    虽然相干接收技术优势明显，在二十多年以前业界就十分关注，但随着掺铒光纤放大器(EDFA)技术的发明和规模应用，利用相干接收方式提高接收机灵敏度的优势已不再显著。另外，相干接收技术本身的技术难题也没有得到本质解决，例如基于外差相干接收实际可以处理的比特速率还达不到直接相干接收的一半，而基于零差相干接收的复杂性、对于载波相位漂移的平稳锁定等。

    但最近几年对着高速和WDM技术的发展，基于相干接收的技术又得到迅猛发展，最基本的驱动是基于更高频谱利用率的多相位调制编码技术的应用以及高速DSP处理技术的发展。按照基本的工作原因，目前研究的相干技术可以分为两大类：即相干接收和自相干接收。

    综合考虑系统性能要求、实现复杂性和性价比等多种因素，对于100G传输商用设备，业界一般看好的长距传输码型为采用相干接收的PDM-QPSK。另外，由于目前模数转换器(ADC)和DSP芯片等处理技术水平的限制，几乎所有高速电信号处理芯片都没有商用解决方案，目前基于100G信号的实时相干接收处理等尚待技术突破，这是100G WDM系统走向商用的最大技术瓶颈。

    从OSNR容限来看，对于相同的调制格式，100 Gbit/s相对于40 Gbit/s的OSNR容限要求要提升4 dB左右，这对于系统研发挑战性很大，目前采用不同调制格式的OSNR容限差异较大，但相同的调制格式采用相干接收后可显著提升OSNR容限1～2 dB以上，但是在OSNR上要实现100G WDM系统 1 000 km以上的传输，还需要在FEC 方案、相干接收、等方面有更多的增益，才能日益满足OSNR的要求。

3.3 前向纠错技术
    解决高速光通信系统的另外一个有效途径即是采用FEC技术，以降低系统对于OSNR容限的要求。FEC的具体实现方式主要分为带内FEC、带外普通FEC（如ITU-T G.709）、带外增强型FEC等几类。目前基于带内的FEC基本没有应用，基于普通FEC的OSNR增益一般为5～7 dB，基于增强型FEC的OSNR增益一般可达到7～9 dB左右。各大芯片制造商也竞相在FEC等方面开展研究，以期进一步提高系统性能，PMCSierra公司近日宣布推出新FEC技术，利用标准的6.7%的OTN开销可实现高达 9.45 dB 的业界最高净有效编码增益(NECG)。可以看到FEC技术的进一步突破势必会对系统长距传输带来裨益。

3.4 测试和评估技术
    100G高速传输技术发展迅速，对于100G高速传输系统的评估和测试也逐步提到议事日程中，一些国际知名的仪表公司陆续推出了100G的相关测试仪表，可分为电域信号分析仪和光域信号分析仪两大类。可初步完成一些评估和测试项目，但是在部分测试项目中仍有待于进一步研究。

    对于OSNR测试，40G信号的带内测试目前基于偏振效应实现，基于偏振复用的100G信号的带内测试与40G系统面临着类似甚至更复杂的问题；对于CD容限测试，100G采用相干接收加DSP极大增加了接收机的CD容限，但现有仪表尚未有大范围CD仿真仪；对于调制信号质量与抖动测试，100G (DP-QPSK)信号测试眼图意义不大，直接测试某些关键相位参数体现的含义更为直接，具体采用哪些相位指标有待进一步研究。

    综上所述，综合考虑系统性能要求、实现复杂性和性价比等多种因素，对于100G传输商用设备，业界一般看好的长距传输码型为采用相干接收的PDM-QPSK。另外，ADC和DSP芯片等处理技术水平的限制，几乎所有高速电信号处理芯片都没有商用解决方案，目前基于100 Gbit/s信号的实时相干接收处理等尚待技术突破，这是100G WDM系统走向商用的最大技术瓶颈。在FEC和测试评估等方面都有一些尚待研究的方面，随着技术的发展会逐步突破。

4 100G WDM传输规模商用尚待时日
    随着100GE标准在2011年正式确定，从应用来看，主要分为100G短距技术和100G长距距技术，100G短距技术主要用于路由器、高速视频服务器、海量数据服务器等核心设备的互连，优先采用10×10 Gbit/s的光/电物理接口，将逐步开展应用。100G WDM长距传输的需求后续会逐步出现，主要解决100G信号在省际和省内干线层面的1 000 km以内甚至更长的传输需求。从目前100G产品进展的公开资料和OVUM公司的预测来看（如图4所示），至少到2012年左右才可能多家出现，形成市场效应[4]。

    同时在干线网络上，由于目前基于40 Gbit/s速率的路由器和传输系统已经大规模部署，部分解决了端口容量和端口数量的问题，预计基于100G的长距传送在1～2年后开始部署，首先从干线开始部署，逐步延伸到城域核心，采用DWDM技术和应用，相信在这个时间窗口内100G长距传输技术存在的主要技术瓶颈也会逐步攻克，并迎来容量大幅提高的100G WDM时代的来临。

 
5 参考文献
[1] IEEE 802.3ba-2010.?40Gb/s and 100Gb/s Ethernet [S].2010.
[2] ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN) [S].2009.
[3] 赵文玉,张海懿,汤瑞,等.OTN关键技术及应用策略探讨[J].电信网技术,2010(11):50-54.
[4] 张海懿.100G光传送时代渐行渐近[N].人民邮电报, 2010-11-26.

收稿日期：2011-03-17

[摘要] 高速Internet和视频业务的迅速发展，IP网络流量持续强劲增长，对运营商的骨干传送网络提出了更高的要求，100G光传技术因此应运而生。该技术在码型、复用方式、相干接收和前向纠错(FEC)等关键技术方面都有创新。对于100G传输商用设备，业界一般看好的长距传输码型是采用相干接收的偏振复用正交相移键控(PDM-QPSK)，但由于目前模数转换器(ADC)和DSP芯片等处理技术水平的限制，几乎所有高速电信号处理芯片都没有商用解决方案，这是目前的技术攻关重点。近年来实验室和现网实验方兴未艾，预计基于100G的长距传送系统在1～2年后开始部署。

[关键词] 100 Gbit/s；标准；关键技术；应用

[Abstract] With the rapid development of high-speed Internet and video service and the corresponding increase in IP network flow, higher requirements are placed on transmission networks. As a result, 100G optical transport technology has emerged. 100G optical transport technology has innovative coding scheme, multiplexing methods, coherent receiver, and forward error correction (FEC). For 100G commercial equipment, industry is generally optimistic about the long-distance transmission code that uses polarization-division multiplexed quadrature phase shift keying (PDM-QPSK) of a coherent receiver. However, because development of analog-to-digital converter (ADC) and DSP chip technology is somewhat restricted, almost all high-speed signal processing chip solutions are not commercially available. This is now the focus of technical research. Recently, laboratory experiments and field trials have been conducted, and it is expected that the 100G long-distance transport system will be deployed in one to two years.

[Keywords] 100 Gbit/s; standard; key technology; application