100G的传输技术

　　100G传输的驱动力

　　过去的三年里面，由于IPTV, HDTV, VoD和移动宽带业务的快速发展，特别是基于Internet的视频应用和P2P应用的迅猛发展，使运营商的骨干网络的业务流量持续增长。相关报告预测到2012年，全球的IP业务流量将超过40exabytes (1018 Bytes)。许多运营商预计网络业务流量年平均增长率达到50%以上，按此计算，六年后的网络带宽需求将是当前网络的10倍以上。

　　为了应对大容量网络带宽要求，高速率的WDM传输技术成为解决问题的重点。从1995年DWDM系统首次商用以来，其容量从刚开始的8个DWDM 2.5G波道，发展到近几年来开始规模部署的80个DWDM 40G波道。而更高速率的100G传输技术也正走向成熟。100G bit/s传输将意味着在9秒钟之内传输2个小时的HD电影和在46秒钟之内全部下载500G字节的硬盘内容，该技术的使用将使单波道的频谱效率从40G 的0.8 bit/s/Hz提升到2 bit/s/Hz，满足了运营商扩展网络容量的需求。

　　但如何才能做到频谱效率达到2 bit/s/Hz，并且克服光纤对于长距离途传输100G高速信号带来的挑战，选择合适的信号调制方式和高性能的接收技术是实现100G传输的技术关键。下面我们将从这方面着手，介绍100G传输技术。

　　100G的传输技术

　　调制格式决定了如何将输入的数字信息高效的承载到每个光载波之上。最早期的40G部署基于双二进制传输(PSBT)，一个简单的多电平的调制方式允许50GHz的波道间隔和滤波操作。它具有良好的成本与性能比，但只达到中等距离的传输水平(8x22dB)。自2005年以来，它已在某些地区开始应用，特别是在美国部署长途应用。随后，相位调制技术开始被应用到40G的传输系统，和传统的幅度调制的技术相比，多相位调制方式可以更好的抵御非线性光学效应和噪声。最广泛使用的40G的调制方式包括差分接收的两相调制 (DPSK)和四相调制方式(DQPSK)，可以实现长距离的传输。但100G的传输速率是40G的2.5倍，是传统10G的10倍，为了在50GHz的频谱内的传输信号，更高效的调制方式需要考虑。为了保持合适的传输波特率，100G的传输时候每信元符号需要携带更多的比特信息(4比特/符号)，因此如果单纯考虑增加相位调制的复杂度，从四相调制发展到16QAM (4比特/符号)，但由于16QAM的最小欧氏距离很小，能容忍的相位和幅度噪声也很小，所以其非线性容忍性很差，因此无法满足长距离的传输需要，而且系统设计比较复杂。因此，对于100G的调制方式的选择，业界选择的主流技术仍然是QPSK，但为了达到4比特/符号，采用极化模复用的方式，也就是 PDM-QPSK的调制方式，该调制方式已经被OIF列为标准。

　　

　　图1、选择合适的100G的调制方式

　　图2是PDM-QPSK的信号调制和接收机的功能示意图。在发送端，数据分成4路，分别调制两个QPSK调制器，再通过偏振合波器PBC，得到两个极化偏振态垂直的QPSK信号，即PDM-QPSK信号。

　　在接收端，采用相干检测，用一个本振激光器经过偏振分束，与偏振分束后的信号光进行混频，每个90度混频器输出一个偏振态的两路信号(I、Q)，两个偏振态共四路信号，经过光电转换后，再由ADC采样后采用DSP进行数字信号处理。

　　

　　图2、PDM-QPSK发送和接收的功能示意图

　　PDM-QPSK的信号在接收侧采用相干检测技术可以实现高性能的信号解调。和直接解调和差分解调方式相比，相干检测所使用的本地激光器的功率要远大于输入光信号的光功率，所以光信噪比可以极大地改善。特别是相干检测技术充分利用强大的DSP来处理极化模复用信号，可以通过后续的数字信号处理补偿并进行信号重构，可以还原被传输的信号的特性(极化模，幅度，相位)，大幅度消除光纤带来的传输损伤，如PMD容忍度达30ps，无需线路色散补偿就可以容忍几万ps/nm。

　　

　　图3、PDM-QPSK相干检测的数字信号处理过程

　　图3是PDM-QPSK相干检测数字信号处理的功能示意图。从上图中可以形象的看到接收到的信号，经过ADC，高速采样，色散补偿，极化模解复用和均衡，频率和相位的恢复等一系列的数字信号处理过程，最终在信号判决的时候可以清晰的检测到相关的信号。

　　相比于其它的100G传输方案，如Dual-Sub-Carrier-PDM-QPSK 或OFDM技术，PDM-QPSK结合相干检测提供了最优化的解决方案。事实上已被大多数的系统供应商选择为解决方案。据相关的测试和研究报告，采用PDM-QPSK调制和相干检测技术的100G传输系统，可以支持1500Km的传输距离，当采用Raman光放技术，可以达到2500Km。为长距离的骨干传输做好准备。

　　100G的试验网

　　从2005年开始，阿尔卡特朗讯致力于100G传输商用系统的技术研究和开发，并且在进行了许多的测试，为100G技术的成熟商用奠定了基础。

　　早在2007年，阿尔卡特朗讯在Verizon网络中，在佛罗里达迈阿密成功开展100G信号的传送试验，在原有的现网的平台上，在从Tampa到Miami的504公里的光缆线路上传送了107G的信号，携带了真实的视频业务，调制方式采用RZ-DQPSK。后继，阿尔卡特朗讯又为多个运营商做了一系列的测试，采用创新的光电解决方案实现40和100G传输，得到了用户的积极回馈，确立了其在100G领域的领先地位。最新的现网测试发生在2009年11月，阿尔卡特朗讯在西班牙电信(Telefónica)的Madrid-Sevilla-Merida的现有网络上成功实现了1088公里单波速率为112 Gbit/s的DWDM传输。这项测试在已有业务重载(42个10G波道)的现网平台上，混合了10G( NRZ OOK调制)、40G(P-DPSK调制) 和100 Gbit/s (PDM-QPSK 调制)波道，不需要对波长间隔进行重新规划，并且在无需额外中继的情况下跨越了包括5个可调ROADM和2个固定OADM的多个节点，成功进行了24小时误码测试和一系列的性能测试。该项传输测试从多个方面印证了阿尔卡特朗讯100G商用系统在网络配置的灵活性和可扩展性方面的能力。

　　

　　图4、阿尔卡特朗讯的100G试验

　　除了现网的测试外，阿尔卡特朗讯在实验室也进行了大量的系统测试研究，并且在每年的ECOC和OFC会议上公布试验结果和大量的论文，和大家分享 100G的研究成果，积极推动技术的发展。图4是阿尔卡特朗讯在2005年到2009年期间在ECOC和OFC上发布的100G相关测试的记录。

　　小结

　　网络数据业务的增长正在推动光网络的传输速率不断提升。在不太远的未来，一些系统将演进到100Gbit/s的波道速率。以上我们简单的介绍了100G传输的关键技术信号调制方式和相干检测。并且介绍了100G的相关的现网试验和实验室的试验成果。这些技术将确保运营商建设大容量的长距离传输网络，兼容现有的10G和40G的波道。 2010年，100G的商用系统将会推向市场，2010年中IEEE高速Ethernet的相关规范和ITU-T OTN的相关规范也将制定完成，100G传输系统将为高速数据业务的承载做好准备，相信真正的规模部署并不遥远。