40Gbit/s高速光傳輸技術的應用與挑戰

1? 40Gbit/s高速光傳輸的技術發展與應用現狀

　　1.1? 40Gbit/s傳輸的業務背景

　　40Gbit/s傳輸技術的出現和發展與以Internet為代表的電信網絡業務與技術的蓬勃發展是分不開的，特別是最近幾年Internet流量的爆炸性增長直接推動了40Gbit/s傳輸需求的出現和網絡應用。

　　從運營商角度出發，建設40Gbit/s高速光傳輸系統的業務驅動力主要有兩個：一是骨干IP網絡核心路由器的高速互聯需求；二是某些大型金融機構、科研機構和政府部門用于其超級計算機或數據中心互聯的40Gbit/s高速電路租用需求。對于國內運營商來說，目前的需求均屬于第一種類型，第二種類型需求集中在北美、歐洲等發達國家和地區。

　　中國電信的ChinaNet的規模和容量在全球骨干IP網絡中已達到數一數二的位置，中國聯通（原中國網通）的骨干IP網絡也位列全球超大型IP網絡之列，因此這兩家運營商在國內最早出現對40Gbit/s高速光傳輸技術的需求，也最早建設商用40Gbit/s WDM傳輸系統。目前，40Gbit/s網絡建設集中在骨干網，未來還將向城域網延伸。

　　1.2? 40Gbit/s傳輸的技術路線

　　雖然早期業界曾提出采用4個10Gbit/s波道傳輸40Gbit/s信號的反向復用（IMUX，Inverse Multiplexing）解決方案，華為、愛立信（前馬可尼）等廠商還推出了成熟的商用設備。但是隨著需求和技術的發展，最終人們還是選擇了單波道提速的路線，正如當年2.5Gbit/s WDM系統提速到10Gbit/s WDM系統一樣，40Gbit/s WDM傳輸技術成為40Gbit/s傳輸的主流解決方案。

　　從10Gbit/s到40Gbit/s，信號速率提高了4倍，但是技術難度的增長卻遠遠不止4倍。40Gbit/s信號苛刻的傳輸性能要求使得沿用 10Gbit/s傳輸技術完成40Gbit/s信號的長距離傳輸成為一項不可能完成的任務。我們假設都采用傳統的NRZ碼型：40Gbit/s信號的 ONSR（光信噪比）要求比10Gbit/s信號高6dB，但是由于非線性效應的影響，入纖功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信號的OSNR受限距離大約只有10Gbit/s信號的1/6；更嚴重的，40Gbit/s信號的色度色散和偏振模色散（PMD）受限距離只有10Gbit/s信號的1 /16。因此，40Gbit/s WDM傳輸需要一系列新技術來實現與10Gbit/s WDM傳輸大致相當的無電中繼傳輸距離。其中先進調制碼型是40Gbit/s WDM傳輸使能技術中最突出的代表，下面進行重點介紹。

　　調制碼型是40Gbit/s WDM傳輸技術中最精彩的部分，也是最豐富的部分，目前已商用的碼型達到近10種。根據其技術特點，可以簡單歸成3類：

　?。?）相位輔助的強度調制碼型：其特點是信號通過強度調制方式傳遞，使用普通的直接檢測技術，但是引入特定的相位調整手段來改善傳輸性能；代表性碼型包括CSRZ（載波抑制歸零碼）、DRZ（差分歸零碼）和ODB/PSBT（光雙二進制碼/相位整型二進制傳輸碼）。

　?。?）強度輔助的相位調制碼型：其特點是信號通過相位調制方式傳遞，使用差分或者相干等接收技術，具有較好的傳輸性能，同時引入NRZ，RZ等強度調制手段來達到改善傳輸性能、使用50GHz間隔等目的；代表性碼型包括RZ-DPSK（歸零-差分相移鍵控碼），NRZ-DPSK（非歸零-差分相移鍵控碼）和RZ-DQPSK（歸零-差分四相相移鍵控碼），目前在現網應用較多的P-DPSK（部分差分相移鍵控碼）也是一種特殊的NRZ-DPSK碼，其特點是通過控制差分的幅度，抵消濾波效應帶來的影響，從而以較小的代價實現50GHz間隔傳輸。

　?。?）偏振復用調制碼型：其特點是利用相互正交的兩個偏振態來傳遞不同的信息，提高系統頻譜使用率，降低單信道的信號速率，每個偏振信道的調制方式可以是上述調制碼型的任意一種；目前在40Gbit/s WDM傳輸系統中實現商用的偏振復用調制碼型只有北電的DP-QPSK（雙極性四相相移鍵控碼）。

　　先進調制碼型在40Gbit/s WDM傳輸系統中發揮的作用是全方位的，例如：延長傳輸距離，目前40Gbit/s WDM系統無電中繼傳輸距離已經超過了1000km甚至1500km；滿足50GHz間隔傳輸，提高頻譜利用率；提高PMD容限，降低對光纜PMD性能的要求，擴大現網適用范圍。表1列舉了目前在國內傳輸設備市場較活躍的廠商40Gbit/s WDM傳輸設備采用的碼型技術特點和應用場景。

表1? 40Gbit/s WDM系統常用碼型比較表

　　除了調制碼型以外，可調色散補償技術（用于彌補40Gbit/s信號色散容限過低的限制）、高速芯片技術（40Gbit/s FEC，Framer，SerDes等核心芯片）、高速調制/解調技術等也是40Gbit/s WDM傳輸系統的重要使能技術。

　　1.3? 40Gbit/s傳輸設備的發展與應用

　　在40Gbit/s應用方面，傳輸設備的滯后實際上成為前些年40Gbit/s無法廣泛應用的瓶頸因素。Cisco，Juniper等主流路由器廠商早在2006年就推出了商用40Gbit/s POS板卡，但是40Gbit/s WDM傳輸設備的普及是在2007年以后。特別是到了2008年，主流傳輸設備廠商都已發布了40Gbit/s WDM傳輸設備，在國內較活躍的廠商有華為、烽火、中興、北電、上海貝爾、愛立信等。

　　目前，主流廠商40Gbit/s WDM傳輸設備已經系列化，既有支持中短距離傳輸的ODB/PSBT等碼型，也有支持中長距離傳輸的DPSK碼型，甚至更復雜的DQPSK，DP-QPSK等碼型，設備的適用性得到了極大提高。主流電信運營商也已廣泛認可40Gbit/s WDM傳輸技術和設備的成熟性，按照業內知名咨詢公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行業報告中的統計，截至2008年，全球已經有超過30個運營商部署了40Gbit/s傳輸網絡，其中就包括中國電信和中國聯通（原中國網通）。在該報告中，Ovum公司認為40Gbit/s傳輸技術已經進入 “普及應用階段（Generalized Deployment Phase）”，將迎來健康持續的發展期。

　　中國電信是國內最早關注40Gbit/s傳輸的電信運營商。早在2004年，中國電信就開始了40Gbit/s傳輸技術研究工作，與國家科技部“八六三”計劃合作，于2005年建成“上?！贾?0Gbit/s WDM實驗傳輸系統”并運行至今，這是國內第一個，在國際上也屬于較早的40Gbit/s現網實驗傳輸系統。此后在多年持續跟蹤研究40Gbit/s傳輸技術與設備的基礎上，2008年中國電信建設了國內第一個商用40Gbit/s WDM傳輸系統，即“上?！獰o錫80×40Gbit/s WDM系統”，同時于2008年下半年進行了多廠商參加的40Gbit/s WDM傳輸設備及系統驗證性測試，有力地推動了國內40Gbit/s傳輸產業的發展。從2009年開始，中國電信將根據其業務發展情況，按步驟推進骨干40Gbit/s傳輸網絡的規模部署，首批建設的40Gbit/s WDM傳輸網絡覆蓋了長三角、珠三角等業務發展良好、40Gbit/s應用需求迫切的地區。中國聯通（含原中國網通）也于2008年開始建設第一個商用 40Gbit/s WDM傳輸網絡，覆蓋了華北地區的主要城市。

　　隨著產業鏈日漸成熟，40Gbit/s傳輸相關技術標準工作也日趨完善。ITU-T，OIF和國內的CCSA都制定并發布了一系列技術標準，有效促進了40Gbit/s傳輸設備的現網應用。

　　2? 40Gbit/s高速光傳輸技術面臨的挑戰

　　雖然40Gbit/s高速光傳輸技術已經步入了規模商用階段，但是為了應對復雜的現網應用環境和未來業務發展的進一步需求，40Gbit/s傳輸技術還面臨著一些挑戰。這些挑戰有技術領域的，例如現網光纖PMD對40Gbit/s傳輸的限制；也有成本方面的，例如持續降低40Gbit/s WDM傳輸系統的成本，實現單比特×公里傳輸成本低于10Gbit/s WDM系統；還有下一代100Gbit/s傳輸技術的發展帶來的挑戰等。本章將對這些挑戰進行詳細分析，從中形成對40Gbit/s高速傳輸技術的未來發展方向和前景。

　　2.1? 適應于大PMD光纖的40Gbit/s傳輸技術

　　對于OSNR，色散等40Gbit/s傳輸限制因素的相繼解決，PMD成為目前影響40Gbit/s WDM系統無電中繼傳輸距離的主要限制因素。普通40Gbit/s信號的PMD容限只有大約2～2.5ps，即使不考慮系統其它光學元器件帶來的PMD，也只能在 PMD系數優于0.1ps/sqrt(km)的光纖中才具有實用價值，在PMD系數優于0.05ps/sqrt(km)的條件下才能發揮長距離傳輸的優勢。這對現網40Gbit/s WDM系統建設的光纖選型要求是非?？量痰模磥?0Gbit/s WDM傳輸系統面臨的最大技術挑戰就是如何適用于大PMD光纖。

　　在提高40Gbit/s WDM系統PMD首限傳輸距離方面，業界已經進行了很多努力，提出了各種各樣的解決方案，這些方案可以歸納為以下3種：

　　（1）PMD補償方式：其思路是沿用色散補償的思路，通過一定技術手段跟蹤線路PMD的變化并通過引入相反的偏振時延的方式實現PMD補償；這種方式的思路簡單明了，但是由于PMD的動態特性，PMD補償技術的實現難度遠遠大于色散補償技術，目前僅僅在一階PMD補償方案取得了一定進展，一些廠商號稱推出了商用模塊，但是尚無規模商用部署的報道，而且由于原理性缺陷，目前高階PMD的補償機理尚無突破；因此，PMD補償方式目前看來并不成功。

　（2）先進調制碼型提高信號PMD容限：其思路是通過復雜的調制碼型，在保證40Gbit/s信號比特率不變的情況下降低信號波特率，從而提高信號自身的PMD容限，目前最常見的具備提高PMD容限功能的調制碼型主要有RZ-DQPSK和DP-QPSK兩種，其中前者僅僅依靠調制碼型，而后者還涉及到第3種方式（電域均衡方式）；目前，通過RZ-DQPSK碼型來提高40Gbit/s信號PMD容限是最廣為應用的方式，可以將PMD容限從其它碼型的 2~2.5ps提升到6～8ps，效果非常明顯。

　?。?）基于相干接收的電域均衡技術：其原理是利用相干接收后電信號保留的光域相位信息，分離PMD導致的信號畸變，采用特殊電域均衡算法（硬件上通過高速ADC和DSP實現）糾正信號畸變，從而實現消除PMD影響的目的；北電在業界最早推出了商用的解決方案，其DP-QPSK碼型40Gbit/s信號的平均PMD容限可以達到25ps，甚至超過了10Gbit/s信號的水平。
上述3種方式的技術復雜度和使用范圍都有一定的區別，筆者認為：

　　●PMD補償技術由于存在原理性限制，不太可能成為一種規模商用方案。

　　●DQPSK是近期需要重點關注的一種高PMD容限調制碼型，它以適中的復雜度實現了6～8ps的平均PMD容限，將40Gbit/s WDM系統對光纖PMD系數要求降低到優于0.2ps/sqrt(km)，國內運營商的光纜網絡建設時間較晚，大多數地區都能找到滿足該要求的光纖光纜。

　　●基于相干接收的電域均衡方案具有更好的性能，可以說是PMD限制的終極解決方案，筆者認為該方案是100Gbit/s WDM傳輸的解決方案，但是對于40Gbit/s WDM系統來說，還需要根據今后其發展情況和與現行方案的性價比關系來判斷。

　　2.2? 持續降低成本的需求

　　目前，40Gbit/s WDM傳輸系統單位比特×公里的傳輸成本依舊高于10Gbit/s WDM系統，主要有3個原因：第一，40Gbit/s WDM傳輸技術自身復雜度較高，研發成本的分攤較多，元器件的成本也較高；第二，40Gbit/s WDM系統的設備出貨量還遠遠小于10Gbit/s WDM系統，無法形成較大的規模效應來有效降低成本；第三，40Gbit/s WDM系統的無電中繼傳輸距離不如10Gbit/s WDM系統，尤其在一些骨干網超長距離應用場景中，更多的OEO再生勢必提高40Gbit/s WDM傳輸系統的建設成本。

　　因此，持續降低40Gbit/s WDM系統的成本也應該從上述幾個方面入手。首先，運營商需要根據業務需求適度超前建設40Gbit/s WDM系統，只有較大的設備采購量才能形成規模效應，降低單位比特×公里建設成本。其次，40Gbit/s WDM傳輸系統的技術和性能還需要進一步提高，特別是在無電中繼再生距離方面，需要達到甚至超過10Gbit/s WDM系統的水平；上節分析的PMD受限問題也是部分場景40Gbit/s WDM系統成本高的重要原因，PMD問題的有效解決也有助于降低40Gbit/s WDM系統的成本。

　　總之，40Gbit/s傳輸系統在成本方面的挑戰是實現低于10Gbit/s WDM系統。隨著技術進步節約的OEO再生成本和設備出貨量增大帶來的規模效應，樂觀估計，未來兩年左右，40Gbit/s WDM系統的單位比特×公里傳輸成本接近甚至低于10Gbit/s WDM系統。

　　2.3? 100Gbit/s傳輸技術發展的挑戰

　　雖然40Gbit/s相對于10Gbit/s已經是一個飛躍，但是40Gbit/s遠不是高速傳輸速率的終點。事實上，由100GE（100Gbit/s以太網）技術標準和接口帶動的100Gbit/s高速傳輸技術已經得到了業界的廣泛關注，成為高速光傳輸領域新的熱點。

　　在標準領域，ITU-T，IEEE和 OIF分別在100G OTU3，100GE和100G DWDM 3個領域積極推進相關技術標準的制定工作，預計在2010年底，3個組織的主要技術標準都將完成制定。在設備研發及應用領域，領先的設備廠商都啟動了 100Gbit/s WDM傳輸技術的研究工作，部分廠商發布了樣機并與一些運營商合作（集中在歐洲和北美）進行了多次100Gbit/s傳輸的演示。因此，100Gbit /s傳輸技術的發展是迅猛的，業界也出現了一種論點，即40Gbit/s只是過渡技術，100Gbit/s才是下一代高速網絡的標準速率，網絡速率的提高可以跨越40Gbit/s，從10Gbit/s直接達到100Gbit/s。

　支持上述觀點的一個佐證就是Ethernet的發展路線，毫無疑問未來WDM傳輸系統的主要業務就是各種速率Ethernet接口的互聯互通。從 10M Ethernet到100GE，IEEE一直以10倍為單位提高這Ethernet的速率，10倍整數才是Ethernet的主流，40Gbit/s只是作為10Gbit/s與100Gbit/s之間過渡技術存在。

　　根據對路由器40Gbit/s 接口應用需求，WDM傳輸的技術特點，目前100Gbit/s設備發展現狀以及成本因素的分析，筆者的觀點是：由于100Gbit/s的迅猛發展，40Gbit/s WDM傳輸的市場窗口將會受到一定影響，但是無法跨越，未來4~5年內高速網絡建設依舊以40Gbit/s為主，以后才會逐漸向100Gbit/s演進。理由如下：

　?。?）從技術角度：目前100Gbit/s傳輸技術尚處于實驗室階段，其成熟程度僅僅相當于2005年前后的40Gbit/s傳輸技術；如果沒有100Gbit/s傳輸的支持，100GE接口即使出現，也只能用于同機房設備的互通，無法應用于骨干網絡。

　?。?）從產業鏈角度：100Gbit/s傳輸上下游產業鏈尚未形成，存在諸如核心芯片、測試儀表等諸多短板，沒有產業鏈的支撐很難形成成熟的100Gbit/s傳輸市場。

　?。?）從預計市場規模角度：越高速率的傳輸技術，可預期的應用場景越有限，100GE業務的傳輸手段相對豐富，特別是未來WDM傳輸技術與OTN調度技術相結合，40Gbit/s甚至10Gbit/s線路速率都可以有效支持100GE業務接口，因此100Gbit/s傳輸的整體市場規模存在不確定因素。

　?。?）從性價比角度：40Gbit/s傳輸已經實現了一定的規模應用，將為其帶來明顯的成本優勢，在未來若干年內，100Gbit/s傳輸的性價比尚難以超越40Gbit/s傳輸。

　　3? 高速光傳輸技術展望

　　就在筆者撰寫本文的時候，聽聞喜訊：被稱為“光纖之父”的英籍華人科學家高錕（Charles C. Kao）博士被宣布授予2009年諾貝爾物理學獎，高錕成為三位獲獎者之一并獲得二分之一的獎金。這對于光通信行業內的每個人來說，都是一個振奮人心的好消息，光纖通信在信息化過程中的貢獻是有目共睹的，這種成就完全有資格寫入人類發展史。諾貝爾獎只是對歷史的回顧和肯定，作者也希望高博士的獲獎能夠成為一個象征，光通信技術和產業都能在未來得到更廣大的發展。

　　無論在哪個階段，高速大容量WDM傳輸都是光通信技術中最具代表性的一種，從2.5Gbit/s到10Gbit/s再到現在的40Gbit/s，單波速率已經提高了16倍；從最初的8×2.5Gbit/s到現在的80×40Gbit/s，系統容量提高了160倍；100Gbit/s WDM傳輸技術也已經走向前臺，成為下一代高速光傳輸技術的代表。

　　隨著業務需求和相關技術的發展，我們有足夠的理由相信，高速光傳輸技術還有廣闊的發展空間：一方面要繼續提高單波速率和系統容量；另一方面需要進一步降低成本，提高性價比，擴展適用范圍?？傊咚俟鈧鬏敿夹g存在和發展的惟一價值就是更好地滿足人們的信息通信需求。