隨著互聯(lián)網(wǎng)骨干帶寬以每年約50％的速度增長(zhǎng)，以及寬帶用戶(IPTV、視頻點(diǎn)播及3G業(yè)務(wù)等)和帶寬饑渴型應(yīng)用的增加，為業(yè)務(wù)匯聚與核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供100GE已成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、大型互連網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商的迫切需要。40G傳輸系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前幾何式增長(zhǎng)的帶寬需求，目前部分?jǐn)?shù)據(jù)流量繁忙的骨干網(wǎng)上業(yè)已呈現(xiàn)出傳送帶寬緊缺的趨勢(shì)。100G傳輸技術(shù)成為眾望所歸的解決方案 ，正逐步規(guī)模商用。

　　波分系統(tǒng)從2.5G到10G，從10G到40G，一直面臨著一系列的物理限制。線路速率再次提升到100G，這些物理限制因素仍然存在，產(chǎn)生的傳輸損傷也更為嚴(yán)重。而100G技術(shù)的發(fā)展，主要是不斷地克服這些因素的影響。

　　一、100G傳輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

　　按照傳統(tǒng)波分系統(tǒng)的發(fā)展模式， 100G傳輸系統(tǒng)將面臨更高的系統(tǒng)OSNR、更高的色散容限和更強(qiáng)的非線性效應(yīng)影響等諸多挑戰(zhàn)。

　　1、要求更高的系統(tǒng)OSNR

　　波分傳輸系統(tǒng)采用光放大器來(lái)克服光纖損耗，延長(zhǎng)無(wú)電中繼傳輸距離，光放大器在對(duì)光信號(hào)進(jìn)行功率放大的同時(shí)也引入了噪聲信號(hào)，另一方面，在波特率提升時(shí)，光接收機(jī)的帶寬也需要隨之而線性增加，而更寬的接收機(jī)帶寬將使得更高功率的噪聲進(jìn)入接收機(jī)的判決電路，從而會(huì)造成誤碼率的增加，這樣就必須要求OSNR容限提升。

　　2、要求更高的色散容限

　　光信號(hào)在光纖中的色散效應(yīng)來(lái)自調(diào)制光信號(hào)的光譜中的不同頻率成分在光纖中的傳輸速度不同，從而導(dǎo)致承載業(yè)務(wù)信號(hào)的一串光脈沖發(fā)生畸變，導(dǎo)致相鄰光脈沖之間的碼間干擾，從而產(chǎn)生誤碼。傳輸光信號(hào)的色散容限與光信號(hào)的光譜寬度成反比，同時(shí)和光信號(hào)的時(shí)域?qū)挾龋}沖周期）成正比。對(duì)于100G信號(hào)，由于其光信號(hào)的波特率提升，其光譜寬度會(huì)相應(yīng)提升，其時(shí)域波形周期也會(huì)隨之降低，如果100G同樣采用傳統(tǒng)的OOK/ASK調(diào)制方法（二進(jìn)制振幅鍵控），則其色散容限將非常小，現(xiàn)有的DCM補(bǔ)償方式已經(jīng)完全不能滿足要求。對(duì)于100G傳輸，色散容限問(wèn)題已經(jīng)成為嚴(yán)重的問(wèn)題，而傳統(tǒng)的光學(xué)色散補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不能克服色散容限降低帶來(lái)的危害，必須采用更新的補(bǔ)償措施，才能使100G傳輸成為可能。

　　同色度色散（CD）一樣，偏振模色散（PMD）也同樣限制著高速波分系統(tǒng)的傳輸能力。偏振模色散（PMD）是指對(duì)相同頻率的光，只要其偏振模式不同，光纖也會(huì)導(dǎo)致其傳播速度不同，偏振模色散會(huì)導(dǎo)致光纖傳輸系統(tǒng)的碼間干擾（ISI），進(jìn)而引起誤碼和系統(tǒng)代價(jià)。

　　如果100G同樣采用傳統(tǒng)的OOK/ASK調(diào)制方法（二進(jìn)制振幅鍵控），其PMD容限不足1ps，無(wú)法達(dá)到工程預(yù)算要求。在100G傳輸系統(tǒng)中，PMD容限也被認(rèn)為是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，常規(guī)的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM-DD）碼型調(diào)制及接收方式無(wú)法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在技術(shù)上必須尋找新的解決方案。

　　3、光纖非線性效應(yīng)增強(qiáng)

　　光纖非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱與入纖光功率、光信號(hào)的光譜寬度、調(diào)制碼型特性、光纖色散系數(shù)以及跨段數(shù)目均有關(guān)系，光信號(hào)的調(diào)制速率越高，對(duì)光纖非線性效應(yīng)的忍耐程度越低。而一些特殊的碼型調(diào)制技術(shù)技術(shù)，如相位調(diào)制、RZ碼型調(diào)制等，有利于增強(qiáng)傳輸碼型對(duì)光纖非線性效應(yīng)的抵抗能力。100G傳輸系統(tǒng)，如果要克服由于調(diào)制速率提升而帶來(lái)的更差的非線性忍耐度，就必須從調(diào)制技術(shù)上尋找新突破。

　　二、100G傳輸新技術(shù)的發(fā)展，有效克服長(zhǎng)距離傳輸限制

　　為了應(yīng)對(duì)以上各類挑戰(zhàn)，100G傳輸技術(shù)需要進(jìn)行革新式的發(fā)展，如采用全新的編碼調(diào)制方式，相干接收技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)（DSP）和更強(qiáng)的FEC技術(shù)等，從而有效克服長(zhǎng)距離傳輸?shù)南拗啤?/span>

　　1、采用偏振復(fù)用正交四進(jìn)制相位調(diào)制（PDM QPSK），降低光信號(hào)的波特率

　　光信號(hào)的光譜帶寬是由波特率決定的，波特率越大，光信號(hào)的光譜就越寬，兩者之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。光信號(hào)的光譜不能大于WDM信道之間的頻率間隔，否則各個(gè)WDM信道的光譜會(huì)相互交疊，導(dǎo)致各個(gè)WDM信道所承載的業(yè)務(wù)碼流之間發(fā)生干擾，從而產(chǎn)生誤碼和系統(tǒng)代價(jià)。當(dāng)波特率提高到100Gbaud/s時(shí)，普通調(diào)制碼型的光譜寬度已經(jīng)超過(guò)50GHz，更加無(wú)法實(shí)現(xiàn)50GHz間隔傳輸。

　　在100G系統(tǒng)中，為了能同樣達(dá)到50GHZ間隔傳輸，就必須采用偏振復(fù)用技術(shù)，使得一個(gè)光信道內(nèi)部存在多個(gè)二進(jìn)制信道，在保持線路比特率不變的基礎(chǔ)上降低傳輸?shù)牟ㄌ芈省?/span>

　　100G PDM QPSK調(diào)制的本質(zhì)是通過(guò)在光場(chǎng)相位上選取4個(gè)可能的取值，使得在不降低線路速率的基礎(chǔ)上，將光信號(hào)的波特率降低一半。這種復(fù)用方式可以將光信號(hào)的光譜帶寬降低一半，同時(shí)又提出了“偏振復(fù)用（PDM）”的方案，將100G數(shù)據(jù)首先通過(guò)復(fù)用到光波長(zhǎng)的兩個(gè)偏振態(tài)上，進(jìn)一步將傳輸光信號(hào)的波特率再降低一半。

圖1. PDM QPSK調(diào)制模型

　　與傳統(tǒng)得二進(jìn)制調(diào)制不同， PDM QPSK采用恒定幅度四級(jí)相位調(diào)制和正交偏振復(fù)用相結(jié)合的方式將傳輸符號(hào)的波特率降低為二進(jìn)制調(diào)制的四分之一，即100G傳輸中，采用PDM QPSK技術(shù)之后，實(shí)際線路上的波特率仍然是25G速率。

　　偏振復(fù)用也有可能帶來(lái)一些問(wèn)題，由于在兩個(gè)偏振上分別獨(dú)立加載了業(yè)務(wù)信息，在光纖傳輸過(guò)程中，不同偏振上的光信號(hào)會(huì)互相耦合，并在光纖PMD效應(yīng)作用下產(chǎn)生誤碼。因此采用偏振復(fù)用，一個(gè)首先要克服的障礙是要在接收端進(jìn)行偏振分離，并解決PMD代價(jià)的問(wèn)題。這就需要通過(guò)相干接收和數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　2、相干接收技術(shù)

　　相干接收技術(shù)主要解決了對(duì)光信號(hào)的電場(chǎng)的檢測(cè)問(wèn)題。光信號(hào)對(duì)業(yè)務(wù)信息是以電場(chǎng)的形式承載的，在光信號(hào)的傳輸過(guò)程中，其電場(chǎng)特性會(huì)受到光纖色散、光纖PMD、光纖非線性效應(yīng)以及濾波效應(yīng)等因素的影響而趨于劣化。常規(guī)的直接檢測(cè)方式只能探測(cè)光信號(hào)電場(chǎng)的模平方包絡(luò)（即光強(qiáng)），因此無(wú)法分解出上述劣化效應(yīng)的影響并給予消除。而相干接收技術(shù)可得到PDM-QPSK信號(hào)的所有信息，包括每個(gè)偏振方向上的電場(chǎng)的實(shí)部和虛部的強(qiáng)弱和相互的相位信息，為傳輸中各項(xiàng)劣化效應(yīng)的分解和補(bǔ)償提供了可能。而ADC則在不損失信息的前提下將檢測(cè)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并由DSP芯片完成時(shí)鐘恢復(fù)、載波恢復(fù)、色散補(bǔ)償、PMD補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵處理。

　　3、數(shù)字處理技術(shù)（DSP）

　　PDM QPSK的調(diào)制方式主要是降低100G傳輸中光信號(hào)的波特率，降低100G傳輸碼型的譜寬，使之能實(shí)現(xiàn)50GHZ間隔傳輸，并部分解決了100G傳輸?shù)腛SNR要求過(guò)高問(wèn)題，但100G系統(tǒng)的色散容限過(guò)小和PMD容限過(guò)小的問(wèn)題依然存在，這對(duì)長(zhǎng)距離100G傳輸尤其不利。

　　色散和PMD效應(yīng)均是在光電場(chǎng)的相位或偏振上引入的線性調(diào)制或畸變，如果能探測(cè)出光信號(hào)的電場(chǎng)，則可以采用線性補(bǔ)償?shù)姆椒?，在光?chǎng)上抵消色度色散和PMD效應(yīng)，這就是光學(xué)DSP處理的核心。

　　在100G PDM QPSK傳輸中，主要就是利用光數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道線性損傷（CD、PMD）補(bǔ)償，即通過(guò)數(shù)字化算法，在電域進(jìn)行色度色散補(bǔ)償以及偏振態(tài)色散補(bǔ)償，以此減少和消除對(duì)光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。

圖2 相干接收機(jī)與DSP結(jié)構(gòu)圖

　　采用這種基于電域的DSP技術(shù)，在100G系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)高達(dá)50000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限（最大值）。在做100G波分設(shè)計(jì)時(shí)，傳輸線路上將不再放置DCM模塊，PMD效應(yīng)也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，使得100G系統(tǒng)具備長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪芰Α?/span>

　　4、100G 軟判決SD/硬判決HD技術(shù)

　　在100G相干電處理技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化力量的驅(qū)使下，并借助高速IC技術(shù)的發(fā)展，目前引進(jìn)了基于軟判決（SD）的第三代FEC編碼技術(shù)。軟硬判決的區(qū)別在于其對(duì)信號(hào)量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對(duì)信號(hào)量化的比特?cái)?shù)為1位，其判決非“0”即“1”，沒(méi)有回旋余地。軟判決則采用多個(gè)比特位對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，采用“00”、“01”、”10“、”11“判決，通過(guò)Viterbi等估計(jì)算法提高判決的準(zhǔn)確率，大大提升了100G系統(tǒng)的傳輸能力。100G系統(tǒng)中，硬判決和軟判決兩種技術(shù)各有各自的特點(diǎn)，適用于不用距離的不同應(yīng)用場(chǎng)景。

　　三、100G波分系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)用思路

　　隨著100G時(shí)代即將到來(lái)，面對(duì)現(xiàn)網(wǎng)各類速率的業(yè)務(wù)情況，建設(shè)100G波分系統(tǒng)有兩種方式：一是新建純100G系統(tǒng)，采用支線路分離方式解決多業(yè)務(wù)傳送；二是將現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)平滑升級(jí)至100G波分系統(tǒng)。

　　1、新建純100G波分系統(tǒng)，與OTN電交叉相結(jié)合，采用支線路分離方式解決多業(yè)務(wù)傳送

　　考慮到100G新技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)異的傳輸性能，純100G波分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得相當(dāng)“簡(jiǎn)單”，色度色散和PMD限制幾乎可以不予考慮，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要?jiǎng)诹SNR的限制，這個(gè)有別于10G、40G波分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的線路色散補(bǔ)償。當(dāng)光纜條件具備，且屬于長(zhǎng)距離傳輸?shù)膱?chǎng)景，在有100G業(yè)務(wù)的情況下，優(yōu)選新建純100G波分系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)OTN電交叉采用支線路分離方式解決10G、40G業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)同平臺(tái)的高效傳送。

　　2、將現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)平滑升級(jí)至100G波分系統(tǒng)

　　當(dāng)光纜纖芯緊張且現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)利用率不高時(shí)，可考慮將現(xiàn)有10G/40G波分系統(tǒng)平滑升級(jí)至100G波分系統(tǒng)，以解決新增的100G業(yè)務(wù)。100G和現(xiàn)網(wǎng)如何兼容混傳成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，需要考慮評(píng)估幾個(gè)主要影響因素，包括系統(tǒng)的OSNR容限、CD/PMD容限和非線性影響。混傳場(chǎng)景主要有以下兩種：

　　第一，相干100G（PDM-QPSK）和非相干10G/40G既有系統(tǒng)混傳。現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)均采用線路的DCM模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的色度色散補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，DCM模塊對(duì)相干的100G系統(tǒng)額外的OSNR上的代價(jià)很?。ú桓哂?.5dB），影響較小。只需系統(tǒng)OSNR參數(shù)能同時(shí)滿足100G和10G/40G的設(shè)計(jì)要求，即可實(shí)現(xiàn)兼容混傳。需要說(shuō)明的是由于10G波分均采用OOK的調(diào)制方式，對(duì)采用PDM-QPSK編碼調(diào)制的100G系統(tǒng)混傳代價(jià)相對(duì)較大，10G和100G混傳時(shí)設(shè)置一定數(shù)量的隔離波道。

　　第二，相干100G和相干40G系統(tǒng)的混傳。對(duì)于40G相干系統(tǒng)，目前業(yè)界有兩種主流編碼技術(shù)，一種采用2相位調(diào)制PDM-BPSK，碼速率為21.5Gbps，入纖功率和100G相干接近，是最容易平滑混傳的解決方案；另一種40G相干采用4相位調(diào)制PDM-QPSK，碼速率為11.25Gbps，抗非線性較弱，入纖功率較低，和100G相干兼容混傳代價(jià)較大，在此場(chǎng)景下混傳時(shí)需要慎重設(shè)計(jì)，也需要設(shè)置一定數(shù)量的隔離波道。

　　作者：武清華，華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，綜合設(shè)計(jì)研究院副總工