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：

　　（1）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）。

　　（2）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。

　　（3）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“上海—杭州40Gbit/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“上海—無錫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常苛刻的，未來40Gbit/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。

　　（3）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：

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）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。

　　（4）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。總之，高速光傳輸技術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。