中兴通讯100G波分传输技术发展

出处:沈百林 发布于:2011-08-30 22:00:47

  市场需求驱动

  互联网数据业务的爆炸式增长是高速波分传输发展的主要推动力,根据调研和预测,骨干网传输带宽以每年50%以上的速度增长。Internet backbone Internet骨干网几台计算机连接起来,互相可以看到其他人的文件,这叫局域网,整个城市的计算机都连接起来,就是城域网,把城市之间连接起来的网就叫骨干网。这些骨干网是国家批准的可以直接和国外连接的互联网。其他有接入功能的ISP想连到国外都得通过这些骨干网。目前骨干传输网要求支持100G传输的呼声越来越强烈。100G波分传输的工程应用需求总结如下。

  传输距离:长途骨干网要求传输距离至少达1000~1500 km,包含6个ROADM(可重构型光分插复用设备);城域网要求包含20个ROADM;

  传输容量:通道间隔为50GHz,与现有10G波分系统相同;

  应用场景:可在现有光纤通信系统上进行升级,无需更换新型光纤或光放大器

  成本:100G波分系统相比10G在成本/速率/距离上应有优势;

  功耗:100G波分系统相比10G在功耗/速率以及设备集成度上应有优势。

  要完全实现以上需求,必须采用相干通信技术,加强系统消除传输损伤的能力。100G信号速率对目前电芯片来说仍然太高,可通过多电平调制、偏振复用、多波并行传输等技术组合将100Gbps信号速率降为25G波特率或更低。

  未来发展

  概况

  随着现代电信、计算机和因特网技术的飞速发展,数据、语音、视频等业务传输都在不断增长,并呈现出融合趋势,现有网络已经难以满足快速增长的业务需求,强烈需要建设一个新型的宽带骨干网来承载这些快速发展的业务。

  物理层

  SONET(同步光纤网络)在许多方面的重要价值,使它成为长距离、高速度光纤通信的主要协议。首先,SONET的可伸缩性使它成为实现新一轮高速端口的首要技术。因为OC-3 (155Mbps)已成为一种过时的辅助技术,在高速的路由器和交换机上OC-48 (2.4Gbps)端口速度现在已经非常普遍,OC-768 (40Gbps)的端口速度也即将闪亮登场,随着数据流量吞吐率不断增长,SONET成为一种重要的骨干网络传输技术。 骨干网大量使用SFP可热插拔的光模块,光模块使用高速率,长距离解决升级和实际运用问题,深圳威盛康主要提供155M~10G光模块,封装含1*9、SFP、SFF、XFP、SFP+、X2、XENPARK等光模块。   在SONET出现之前,每个光纤设备制造商各自为政,在产品生产中采用自己独立的技术,产品互不兼容。SONET的出现起到了标准化高速光纤数据传输的作用。

  标准及产业链现状

  为推动100G光通信产业链的发展,多个光通信国际标准组织积极制定100G相关标准,涵盖100G器件、光模块、OTN开销处理、系统设备等领域。IEEE于2010年6月发布了40G/100G以太网接口标准802.3ba,由多个光模块厂商组成的CFP多源协议联盟也发布了客户侧可热插拔光模块硬件和软件接口协议,为100G客户侧接口制定了接口规范;ITU-T于2009年12月更新了OTN接口建议G.709,定义了支持100GE接入的OTU4帧结构及映射协议,规范了100G单板中成帧处理要求;OIF负责制定100G波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议规范,有力地推动了波分侧接口设计标准化。

  100G波分传输已从实验室研究进入工程测试和初期应用阶段。各大系统设备厂家客户侧100GE接口严格符合标准802.3ba规范的4路并行传输,波分侧采用各具特色的传输技术。截至2010年7月,大部分光器件达到可商用程度,但相干接收技术中关键芯片ADC和DSP的量产商用还需一段时间。ADC和DSP是近年来阻碍100G波分传输商用的拦路石,目前有多个芯片厂家正在积极研发集成ADC和DSP功能的ASIC芯片。

  中兴通讯解决方案

  中兴通讯全称"中兴通讯股份有限公司", 公司英文全称"ZTE CORPORATION", 其中"ZTE"是"Zhongxing Telecom Equipment"的缩写。 中兴通讯是的综合性通信制造业上市公司和通信解决方案提供商之一。

  中兴通讯提供两种解决方案,一种是实现简单的“PDM-DQPSK+直接接收”解决方案,另一种是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解决方案。

  PDM-DQPSK+直接接收

  发射单元采用PDM-DQPSK调制,接收单元采用直接接收技术。PDM-DQPSK即偏振复用-差分正交相移键控调制,激光通过偏振分束器分成2路正交偏振态光,每路进行DQPSK调制(DQPSK调制技术在40G波分传输系统中已成熟应用),然后再用偏振合束器合成一束光,传输速率为111.8Gbps。相位调制信号的直接接收即采用延迟干涉和平衡接收实现信号检测,因输入信号为2路偏振态信号,还需采用光学偏振跟踪技术分离出2路偏振正交的DQPSK信号。

  该方案中光学偏振跟踪速度快,可满足工程现场应用需求,通道间隔为50GHz。系统中仍需配置色散补偿,PMD容限有限,OSNR(光信噪比)性能较差,属于100G波分传输初期解决方案。

  PDM-DQPSK+相干接收

  发射单元采用PDM-DQPSK调制,接收单元采用相干接收技术,该方案符合OIF(光互联论坛)100G接口规范,其功能框图如图1所示。


图1 相干接收PDM-DQPSK原理框图

  发射单元为PDM-DQPSK调制,差分编码解决相位模糊问题。

  接收单元由本振激光、光电解调、ASIC芯片组成。本振激光采用大功率窄线宽可调谐激光器,双路混频器、4路光电转换完成光电解调,实现任意偏振态、任意相位信号的相干接收,其中4路光电转换采用双PIN平衡接收,相比单PIN接收有更大的输入光功率动态范围。目前,在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求,ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。ASIC芯片集成ADC和DSP功能,消除传输损伤和恢复信号。采用CMOS技术的低功耗ASIC芯片,DSP算法类似软件无线电技术,包括如下功能模块:重采样、色散补偿、自适应滤波、频率补偿、相位恢复、SD-FEC解码。

  相干接收PDM-DQPSK可实现50GHz间隔波分复用,滤波特性好;OSNR性能好,目标传输距离达1500 km以上;DSP算法跟踪速度快,可实现光层快速保护倒换;色散补偿和偏振模块色散补偿均在接收机中完成,可降低系统整体配置成本,但如果配置光学色散补偿,会加重系统非线性损伤。考虑到发射端可能重新定义帧格式以兼容SD-FEC,接收端DSP算法各有差异,因此很难实现波分侧互联互通。

  其他解决方案

  虽然“PDM-DQPSK+相干接收”是被业界认可的100G标准化解决方案,但有些设备制造商采用了其他解决方案。

  (1)发射端采用双波或3波DQPSK信号进行合波,子载波频率间隔为50GHz,接收端采用光滤波器分离出2路或3路DQPSK信号,然后再采用延迟干涉和平衡接收实现信号检测。该方案又叫反向复用技术,通道间隔为100GHz或150GHz,传输容量小,OSNR性能较差,属于100G波分传输早期解决方案。

  (2)发射端采用双波相干接收PDM-DQPSK,其中子载波频率间隔为20GHz,接收端间隔20GHz的两个本振激光分别对输入信号进行相干检测,之后分别用低通电滤波器抑制另一子载波信号串扰,ADC采样后再利用DSP算法消除传输损伤和恢复数据。该方案通道间隔为50GHz,OSNR性能好,虽然克服了当前ADC器件采样速率瓶颈,但是器件较多,功耗较大,方案集成度较差,系统非线性性能相对较差。该方案早实现100G波分传输工程应用。

  (3)采用更多电平的调制码型。例如PDM-64QAM,波特率为信号速率的1/12,此外OFDM研究也比较热门,这类调制码型均采用相干接收技术,但发射和接收实现相对较复杂,在现有器件技术水平下还不适合100G工程应用,目前仍处于实验室研究阶段,有可能应用于未来的400G波分传输。

  以数字信号处理技术为的100G相干接收技术是光通信发展史上具有里程碑意义的革命性突破,其重要性不亚于推动波分复用系统大规模应用的掺铒光纤放大器。随着带宽需求的持续增长和100G相干接收相关器件的成熟,尤其是100G所用光器件及芯片的小型化和低功耗趋势,100G波分传输必将完全取代现有10G波分传输,并会挤压40G波分传输的应用空间。


  

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