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对100G波分复用传输系统关键技术运用的探讨

对100G波分复用传输系统关键技术运用的探讨

摘要：本文主要是对目前国内100G波分传输系统的迫切需求以及针对100G波分复用传输系统的运用面临的问题进行分析，结合自己的实践工作经验，对100G波分传输系统相关关键技术的运用进行分析与探讨。

关键词：100G；传输系统；关键技术

中图分类号：TN91文献标识码：A文章编号：

引言

当前宽带需求快速发展，各运营商光纤宽带竞争加剧，随着宽带业务的持续发展，承载网骨干层面临着越来越大的带宽压力。同时，路由器100GE端口需求开始出现，10G/40G传送承载网已经不能满足超宽带和100GE端口的需求，在骨干层实现100G传输将已经是网络建设的主流。

1．当前传输系统的迫切需求

(1)传输距离：长途骨干网要求传输距离至少达1000~1500km，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；

(2)传输容量：通道间隔为50GHz，与现有10G波分系统相同；

(3)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；

(4)成本：100G波分系统相比10G在成本/速率/距离上应有优势；

(5)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。

2．影响100G传输发展凸显因素

2.1系统OSNR

光信噪比是在光有效带宽为0.1nm内光信号功率和噪声功率的

比值。波分传输系统采用光放大器来克服光纤损耗，延长无电中继传

输距离，光放大器在对光信号进行功率放大的同时也引入了噪声信号，另外，在波特率提升时，光接收机的带宽也需要随之而线性增加，而更宽的接收机带宽将使得更高功率的噪声进入接收机的判决电路，从而会造成误码率的增加，这样就必须要求OSNR容限提升。

2.2色散容限

光纤中光信号传输，其脉冲的前沿和后沿存在红移和蓝移，导致脉冲前后沿的传输速度不一样，从而导致经过长距离传输后信号展宽直至无法判决甚至无法恢复，致使相邻光脉冲之间的码间干扰，从而产生误码。传输光信号的色散容限与光信号的光谱宽度成反比，同时和光信号的时域宽度（脉冲周期）成正比。对于100G信号，由于其光信号的波特率提升，其光谱宽度会相应提升，其时域波形周期也会随之降低，如果100G同样采用传统的OOK/ASK调制方法（二进制振幅键控），则其色散容限将非常小，现有的DCM补偿方式已经完全不能满足要求。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的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100G传输成为可能。

2.3PMD容限

同色度色散（CD）一样，偏振模色散（PMD）也同样限制着高速波分系统的传输能力。偏振模色散（PMD）是指对相同频率的光，只要其偏振模式不同，光纤也会导致其传播速度不同，偏振模色散会导致光纤传输系统的码间干扰（ISI），进而引起误码和系统代价。

如果100G同样采用传统的OOK/ASK调制方法（二进制振幅键控），其PMD容限不足1ps，无法达到工程预算要求。在100G传输系统中，PMD容限也被认为是一个非常严重的问题，常规的强度调制-直接检测（IM-DD）码型调制及接收方式无法满足系统设计要求，在技术上必须寻找新的解决方案。

2.4光纤非线性效应

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目均有关系，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传输系统，如果要克服由于调制速率提升而带来的更差的非线性忍耐度，就必须从调制技术上寻找新突破。

3．实现100G传输系的关键技术

3.1采用PDM-QPSK调制技术，降低光信号的波特率

光信号的光谱带宽是由波特率决定的，波特率越大，光信号的光谱就越宽，两者之间呈现出线性关系。光信号的光谱不能大于WDM信道之间的频率间隔，否则各个WDM信道的光谱会相互交叠，导致各个WDM信道所承载的业务码流之间发生干扰，从而产生误码和系统代价。当波特率提高到100Gbaud/s时，普通调制码型的光谱宽度已经超过50GHz，更加无法实现50GHz间隔传输。

在100G系统中，为了能同样达到50GHZ间隔传输，就必须采用偏振复用技术，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。

100GPDM-QPSK调制的本质是通过在光场相位上选取4个可能的取值，使得在不降低线路速率的基础上，将光信号的波特率降低一半。这种复用方式可以将光信号的光谱带宽降低一半，同时又提出了“偏振复用（PDM）”的方案，将100G数据首先通过复用到光波长的两个偏振态上，进一步将传输光信号的波特率再降低一半。

图1：100G相干ePDM-QPSK原理

与传统得二进制调制不同，PDM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合得方式将传输符号的波特率降低为二进制

调制的四分之一，即100G传输中，采用PDM-QPSK技术之后，实际线路上的波特率仍然是25G速率。

偏振复用也有可能带来一些问题，由于在两个偏振上分别独立加载了业务信息，在光纤传输过程中，不同偏振上的光信号会互相耦合，并在光纤PMD效应作用下产生误码。因此采用偏振复用，一个首先要克服的障碍是要在接收端进行偏振分离，并解决PMD代价的问题。这就需要通过相干接收和数字信号处理来实现的。

3.2相干接收技术与光数字处理技术（oDSP）

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。该方案通道间隔最小为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。

色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入的线性调制或畸变，如果能探测出光信号的电场，则可以采用线性补偿的方法，在光场上抵消色度色散和PMD效应，这就是光学DSP处理的核心。

在100GPDM-QPSK传输中，主要就是利用光数字信号处理技术（ODSP）在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（CD、PMD）补偿，即通过数字化算法，在电域进行色度色散补偿以及偏振态色散补偿，以此减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。

采用这种基于电域的oDSP技术，在100G系统上可实现高达60000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限。在做波分设计时，传输线路上将不再放置DCM模块，PMD效应也不再成为限制系统传输距离的因素，使得100G系统具备长距离传输的能力。

3.3采用更多电平的高级调制码型

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。

4．结语

2008年，基于40Gbps速率的WDM系统已经规模商用，许多运营商和设备商都把眼光投向100GWDM系统。其中随着100GE路由器接口标准化的完成，100G的长途传输也进入了议事日程。当以10G传输技术为基础的承载网带宽耗尽时，网络平滑升级至40G/100G是最经济的提升网络容量的方法。因此，在承载网的核心层及骨干层实现100G传输将成为必然。

参考文献：