论文部分内容阅读
伴随着Internet骨干带宽以每年50%以上的增长速度，用户业务类型正发生着翻天覆地的变化。业务类型从原有的电话业务、Internet网页浏览的低速突发流量业务，逐步演变成以IPTV在线视频、P2P快速下载、视频点播及3G上网为主的高速持续流量业务，带宽饥渴程度逐日提升。为满足业务的发展需要，满足未来网络的发展需求，核心路由器已经推出100GE的业务接口，而且各大核心机房之间需要100G WDM传输来提供一个带宽的传输管道。面对端口的需求、面对带宽的需求，传输网络游40G WDM向100G WDM的演进是大势所趋，各大运营商争相进行100G WDM的实验和研究，力争尽早实现100G WDM的大规模部署。
100G传输的主要技术挑战
传输网络经历了线路速率从2.5G升级到10G、从10G升级到40G的历史。波分传输技术一直面临着一系列的物理限制。在从40G升级到100G过程中，这些物理限制因素仍然存在，而且更为严重。这些物理效应都和传输的线路速率和传输距离有关，线路速率越高，传输距离越长，这些物理效应及其对系统的危害也随之加剧。而波分传输技术的整个发展历史，就是不断的面对这些物理限制，挑战这些物理限制，不断的产生出新的调制解调技术，最终满足网络传输对线路速率和距离的需要。
OSNR 光信噪比容限
超长距离波分传输系统采用光放大器来克服光线损耗，延长无电中继传输距离。而光放大器在对光信号进行功率放大的同时，也会在光信号的频带范围内产生自发辐射光放大。在接受端进行光电探测时，自发辐射光放大和光信号会产生拍频效应，所产生的白噪声是波分系统那个最主要的噪声来源。另一方面，在波特率提升时，光接收机的电带宽也需要随之而线性增加，这样才使得接收光信号时不至于产生严重的滤波失真现象。而更宽的接收机电带宽将使得更高功率的拍频噪声进入接收机的判决电路，从而造成误码率的增加，以及OSNR要求的提升。一般而言，光信号的数据速率每增加4倍，传输系统的OSNR要求的分贝值会要求提高6dB。按照这样计算，在考虑到7%FEC开销的情况下，100G传输码型的线路速率将达到112Gbps，此时接收端OSNR将达到16.7dB，这将很难支持超1000km的商用化100G传输网络。
色散容限
光信号在光纤中的色散效应来自调制光信号的光谱中的不同频率成分在光纤中的传输速度不同，从而导致承载业务信号的一串光脉冲发生畸变，导致相邻光脉冲之间产生码间干扰，使系统产生误码。传输光信号的色散容限与光信号的光谱宽度成反比，同时和光信号的脉冲宽度成正比。当信号的波特率提升4倍，其光谱宽度会提升到4倍，脉冲宽度会降低到原有的1/4，因此色散容限会降低到波特率提升前的1/16。对于100G NRZ-OOK信号，调节范围为几百ps/nm的可调色散补偿模块因为调节精度问题而不能满足要求。可见，对于100G传输，色散容限问题已经成为严重的问题，而传统的光学色散补偿方法已经不能克服色散容限降低带来的危害，必须采用更新的补偿措施，才能使得100G传输成为可能。
PMD容限
光线出了会导致不同频率的光具有不同的传播速度外，即使对相同频率的光，只要其偏振模式不同，光线也会导致其传播速度不同，这称为偏振模色散（PMD）。偏振模色散也会导致光脉冲的码间干扰，进而导致误码和系统代价。调制光信号的PMD容限和光脉冲的脉冲宽度成正比，调制频率越高的光信号，其脉冲的时间宽度越窄，PMD容限也越小。当光信号的波特率提升4倍，比特周期会降低到原来的1/4，因此PMD容限会降低到波特率提升钱的1/4.对于112Gbps的NRZ-OOK信号，其PMD容限是42.8Gbps系统2.4ps的1/4，已不足1ps，无法达到工程要求。因此在100G传输系统中，PMD容限也是一个非常严重的问题，常规的强度调制-直接检测码型调制及接收方式无法满足系统设计要求。
非线性效应
传输光纤中的Kerr非线性效应来自于光脉冲对光纤的折射率的改变。kerr效应会对光脉冲产生时域的相位扰动，这些相位扰动会经由光纤的色散效应转化为光脉冲的波形畸变，最终产生误码和系统性能损伤。光纤Kerr非线性效应可分通道间效应（inter-channel effect）和通道内效应（intra-channel effect），前者包括自相位调制（IXPM）、通道内四波混频（IFWM）等。光纤非线性效应的强弱与入纤光功率、光信号的光谱宽度、调制码型特性、光纤色散系数以及跨段数均有关系。一般而言，光信号的调制速率越高，对光纤非线性效应的忍耐程度越低。而一些特殊的码型调制技术，如相位调制、RZ码型调制等，有利于增强传输码型对光纤非线性效应的抵抗能力。
100G传输的关键技术
光信号波特率
波分系统的传输码型若只采用一个二进制通信信道是无法满足100G速率和50GHz间隔传输这两个要求的。必须在光通道内采用更高级的复用技术，使得一个光信道内部存在多个二进制信道，在保持线路比特率不变的基础上降低传输的波特率，从而在线路速率提升到100G的同时，仍然保持光谱带宽明显小于50GHz。这些技术包括：正交四进制相位调制、偏振复用。
调制技术
在相位调制中，业务信号是由光信号的电场的相位上承载的。而光信号的相位取值范围为[0，2π]，理论上来讲光电场的每一个相位取值点都可以承载业务信号。以BPSK为例，大家选取了0和π两个相位取值点来承载二进制码流信息。例如用相位中的0来承载业务信号中的“1码”，用相位中的π来承载业务信号中的“0码）。而QPSK则使用了光场相位的4个取值（π/4、3π/4、5π/4、7π/4）来承载信号码流。任意两个相位取值之间相差π/2的整数倍，相邻码元之间两两正交。
具体实现上，我们可以将一个速率为为100G的二进制业务通过串-并转换，分成两路并行的50G速率信号，将两路50G的二进制信号的“0”、“1”信息码元分别调至成第一路、第二路光信号的0、π和π/2、3π/2相位，然后将两束相同波长的光合并为一束光。在一束光的内部实际上采用了两个子通道，每隔通道的波特率是25G，而线路速率为100G。
偏振复用
偏振复用技术有诸多好处，首先，它和QPSK调制结合成的PDM-QPSK调制码型，可以将112Gbps的线路速率降低到28Gbps的波特率，大大降低了系统对光器件的带宽要求，是的目前成熟的40G光电器件工艺也能够制作用于100G的系统所需的光器件。其次，PDM-QPSK技术大大降低了光信号的光谱宽度，是的50GHz间隔的WDM传输成为可能，将光谱利用率提升到2bps/Hz。
目前，PDM-QPSK调制技术已经被国际标准化组织确定为未来100G长距离传输的标准调制方式。
100G的波分传输技术将面临与40G一样的挑战，除了以上介绍的几个方面，100G的核心技术——相干接收技术、DSP技术、FEC技术，我们这里不做深入介绍。
目前国内综合运营商的省际骨干传输网络，已经全面的从10G WDM切换至40G WDM，面对未来网络速率的不断提高，100G WDM已经作为运营商下一步的发展目标。中国电信已经率先在100G WDM领域完成了研究型测试，中国移动、中国联通正在积极的紧锣密鼓的准备100G的商用测试。我们有理由相信，100G WDM必将作为未来传输的主要技术形态，为我们提供更大带宽的传输容量。
参考文献：
[1]韦乐平,张成良编著.光网络——系统、期间与联网技术[M].人民邮电出版社
100G传输的主要技术挑战
传输网络经历了线路速率从2.5G升级到10G、从10G升级到40G的历史。波分传输技术一直面临着一系列的物理限制。在从40G升级到100G过程中，这些物理限制因素仍然存在，而且更为严重。这些物理效应都和传输的线路速率和传输距离有关，线路速率越高，传输距离越长，这些物理效应及其对系统的危害也随之加剧。而波分传输技术的整个发展历史，就是不断的面对这些物理限制，挑战这些物理限制，不断的产生出新的调制解调技术，最终满足网络传输对线路速率和距离的需要。
OSNR 光信噪比容限
超长距离波分传输系统采用光放大器来克服光线损耗，延长无电中继传输距离。而光放大器在对光信号进行功率放大的同时，也会在光信号的频带范围内产生自发辐射光放大。在接受端进行光电探测时，自发辐射光放大和光信号会产生拍频效应，所产生的白噪声是波分系统那个最主要的噪声来源。另一方面，在波特率提升时，光接收机的电带宽也需要随之而线性增加，这样才使得接收光信号时不至于产生严重的滤波失真现象。而更宽的接收机电带宽将使得更高功率的拍频噪声进入接收机的判决电路，从而造成误码率的增加，以及OSNR要求的提升。一般而言，光信号的数据速率每增加4倍，传输系统的OSNR要求的分贝值会要求提高6dB。按照这样计算，在考虑到7%FEC开销的情况下，100G传输码型的线路速率将达到112Gbps，此时接收端OSNR将达到16.7dB，这将很难支持超1000km的商用化100G传输网络。
色散容限
光信号在光纤中的色散效应来自调制光信号的光谱中的不同频率成分在光纤中的传输速度不同，从而导致承载业务信号的一串光脉冲发生畸变，导致相邻光脉冲之间产生码间干扰，使系统产生误码。传输光信号的色散容限与光信号的光谱宽度成反比，同时和光信号的脉冲宽度成正比。当信号的波特率提升4倍，其光谱宽度会提升到4倍，脉冲宽度会降低到原有的1/4，因此色散容限会降低到波特率提升前的1/16。对于100G NRZ-OOK信号，调节范围为几百ps/nm的可调色散补偿模块因为调节精度问题而不能满足要求。可见，对于100G传输，色散容限问题已经成为严重的问题，而传统的光学色散补偿方法已经不能克服色散容限降低带来的危害，必须采用更新的补偿措施，才能使得100G传输成为可能。
PMD容限
光线出了会导致不同频率的光具有不同的传播速度外，即使对相同频率的光，只要其偏振模式不同，光线也会导致其传播速度不同，这称为偏振模色散（PMD）。偏振模色散也会导致光脉冲的码间干扰，进而导致误码和系统代价。调制光信号的PMD容限和光脉冲的脉冲宽度成正比，调制频率越高的光信号，其脉冲的时间宽度越窄，PMD容限也越小。当光信号的波特率提升4倍，比特周期会降低到原来的1/4，因此PMD容限会降低到波特率提升钱的1/4.对于112Gbps的NRZ-OOK信号，其PMD容限是42.8Gbps系统2.4ps的1/4，已不足1ps，无法达到工程要求。因此在100G传输系统中，PMD容限也是一个非常严重的问题，常规的强度调制-直接检测码型调制及接收方式无法满足系统设计要求。
非线性效应
传输光纤中的Kerr非线性效应来自于光脉冲对光纤的折射率的改变。kerr效应会对光脉冲产生时域的相位扰动，这些相位扰动会经由光纤的色散效应转化为光脉冲的波形畸变，最终产生误码和系统性能损伤。光纤Kerr非线性效应可分通道间效应（inter-channel effect）和通道内效应（intra-channel effect），前者包括自相位调制（IXPM）、通道内四波混频（IFWM）等。光纤非线性效应的强弱与入纤光功率、光信号的光谱宽度、调制码型特性、光纤色散系数以及跨段数均有关系。一般而言，光信号的调制速率越高，对光纤非线性效应的忍耐程度越低。而一些特殊的码型调制技术，如相位调制、RZ码型调制等，有利于增强传输码型对光纤非线性效应的抵抗能力。
100G传输的关键技术
光信号波特率
波分系统的传输码型若只采用一个二进制通信信道是无法满足100G速率和50GHz间隔传输这两个要求的。必须在光通道内采用更高级的复用技术，使得一个光信道内部存在多个二进制信道，在保持线路比特率不变的基础上降低传输的波特率，从而在线路速率提升到100G的同时，仍然保持光谱带宽明显小于50GHz。这些技术包括：正交四进制相位调制、偏振复用。
调制技术
在相位调制中，业务信号是由光信号的电场的相位上承载的。而光信号的相位取值范围为[0，2π]，理论上来讲光电场的每一个相位取值点都可以承载业务信号。以BPSK为例，大家选取了0和π两个相位取值点来承载二进制码流信息。例如用相位中的0来承载业务信号中的“1码”，用相位中的π来承载业务信号中的“0码）。而QPSK则使用了光场相位的4个取值（π/4、3π/4、5π/4、7π/4）来承载信号码流。任意两个相位取值之间相差π/2的整数倍，相邻码元之间两两正交。
具体实现上，我们可以将一个速率为为100G的二进制业务通过串-并转换，分成两路并行的50G速率信号，将两路50G的二进制信号的“0”、“1”信息码元分别调至成第一路、第二路光信号的0、π和π/2、3π/2相位，然后将两束相同波长的光合并为一束光。在一束光的内部实际上采用了两个子通道，每隔通道的波特率是25G，而线路速率为100G。
偏振复用
偏振复用技术有诸多好处，首先，它和QPSK调制结合成的PDM-QPSK调制码型，可以将112Gbps的线路速率降低到28Gbps的波特率，大大降低了系统对光器件的带宽要求，是的目前成熟的40G光电器件工艺也能够制作用于100G的系统所需的光器件。其次，PDM-QPSK技术大大降低了光信号的光谱宽度，是的50GHz间隔的WDM传输成为可能，将光谱利用率提升到2bps/Hz。
目前，PDM-QPSK调制技术已经被国际标准化组织确定为未来100G长距离传输的标准调制方式。
100G的波分传输技术将面临与40G一样的挑战，除了以上介绍的几个方面，100G的核心技术——相干接收技术、DSP技术、FEC技术，我们这里不做深入介绍。
目前国内综合运营商的省际骨干传输网络，已经全面的从10G WDM切换至40G WDM，面对未来网络速率的不断提高，100G WDM已经作为运营商下一步的发展目标。中国电信已经率先在100G WDM领域完成了研究型测试，中国移动、中国联通正在积极的紧锣密鼓的准备100G的商用测试。我们有理由相信，100G WDM必将作为未来传输的主要技术形态，为我们提供更大带宽的传输容量。
参考文献：
[1]韦乐平,张成良编著.光网络——系统、期间与联网技术[M].人民邮电出版社