超高速光通信的新技术及应用

调 制 、 电 平 调 制 等新 型 调 制 技 术 。 振 复 用 和 正 交 频 分 复 用 等 新 型 复 用 技 术 ， 干 接 收 技 术 ， 子 多 偏 相 光 集 成 技 术 。 后 介 绍 了 这 些 新 技 术 在 ４ ０Ｇ ｉｓ １ ｂｔ 最 ０ ｂｔ 、 ｉｓ等 超 高 速 光 通 信 上 的应 用 以 及 超 高 速 光 通 ／ Ｔ ／
信息． 将频谱效率翻倍。 可以 相位调制在傈持常数强度包
络的同时， 能够有效抑制非线性损伤对信号的影响。 根据参考相位的不同， 光相位调制可分为两类。
多种速率的混传 ：
・
与网络中已有的设备能够混合组网．穿通 Ｏ Ｄ Ａ Ｍ、
Ｒ Ａ Ｍ滤波器而不用减少其个数。 ＯＤ
第一类调制技术参考之前的信号相位， 一般是前一个
１ ０ＧＥ ０
… …
目标： 自主设计开发出 １０ Ｅ以太网成帧处理芯片， ０ Ｇ 研制
成功 １０Ｅ光以太网设备样机，实现了符合ＩＥ ０．ａ ０Ｇ Ｅ Ｅ８２ ｂ ３
标准的 １０ Ｅ以太网接 口和功能 ， ＰＮ设备一起进行 ０Ｇ 并与 Ｔ
： 比特 比特 ：
篓堂 匿… … ． … … … Ａ１４… … … ． Ｐ …０） Ｍ （… ：
家“６” ８３课题——１０ Ｅ光以太网关键技术研究与系统传 ０Ｇ 输试验平台研制的支持下， １０Ｇ 对 ０ Ｅ以太网关键技术及实 现进行了深入研究。 取得了较大进展。 圆满完成了课题任务
接口为Ｘ Ａ Ｉ Ａ Ｉ Ｌ Ｕ／ Ｕ ，即４Ｇ ｌ ０ Ｅ Ｍ ＣＰ Ｓ层与光模 Ｃ ０ Ｅ１ Ｇ Ａ ／ ０ Ｃ
图 １ ４ Ｇ ／０ ＧＥ ＭＬ 架 构 ０ Ｅ ｌ０ Ｄ
了 １０ Ｅ业务组网试验。 ０Ｇ
不需要补偿的传送距离越远。 由表 ２的分析可见 ，没有一种技术能做到各方面都 好。 每种技术都有 自己最合适的应用场景。根据不同的场 景选用合适的技术是当前阶段的最优选择。 在低速光传输系统中， 光信号通常采用幅度调制 ， 调 制码型一般是 Ｎ Ｚ和 Ｒ ， Ｒ Ｚ 该技术实现方式较为简单 ， 成 本低。４ ｂ／及以上速率的光传输中， ０Ｇ ｉ ｔ ｓ 必须采用新型调
符号。此类调制方法的名称前通常带有一个“ ”表示“ Ｄ， 差 分”如 Ｄ Ｓ Ｄ ＰＫ 。 Ｐ Ｋ和 Ｑ Ｓ 。 第二类调制技术在接收端使用精确调谐到源激光器 频率的本地激光器作为参考源。 此类技术一般称为“ 相干” 调制。 因为它和早期的相干检测系统非常相似。
研究与开发
超高速光通信的新技术及应用
吕 建 新
（ 火通 信科技 股 份有 限公 司 武汉 ４ ０ ７ ） 烽 ３ ０ ４
介 绍 了 ４ ｂ ／、０ ｂ ／ 及 以上 速 率 超 高 速光 通信 中 将 会 用 到 的 新 技 术 ， 括 相 位 调 制 、 交 幅 度 ０Ｇ ｉｓ１０Ｇ ｉｓ ｔ ｔ 包 正
比特
（Ｏ ２ 个通 道 ）
Ｐ 源自文库ＣＳ
… 一 一 … … … － 一 一 一 ＿
：
： １０Ｇｂｔ 聚 合数 据流 ０ ｉｓ ／ ： （４ ／６ ６ Ｂ６ Ｂ编码 字节 ）
： １ ２ ０ ２ ｌ ： ＿ —■ … 豳 ＿
■● ＝ ６ ６ Ｂ编码 字节 ■ ＝单 比特
：
１ ４
２
１
Ｉ
■■ … 翻
ｌ
Ｐ ＭＤ３
ｌ
＝ ６ 编 码字 节 ６Ｂ
－ 一 一 ＿ ＿ － － ＿ － － － 一 一 一 一 ● ＿ － － ● － － － － － ＿ － － － 一 ＿ 一 － － － ● ＿ － ● 一 一 一 一 － －
Ｍ Ｄ４
ｆ、 ０ ｂ ４ ＧＥ
３ 新 型 调 制 技 术
高速率光传输 受到 了光纤色度色散 、偏振模色散
（Ｍ ） Ｐ Ｄ 以及非线性效应的影响， 传输距离受到严重限制 。 理论上 ，色散容限随着传输速率的平方而减少 ， Ｅ系 ４Ｇ ０
统色散容限只有 １ Ｅ系统的 １ ６ １０Ｇ ０Ｇ ／ ， ０ Ｅ系统色散容 １
通道上。针对不同的物理通道数量， 再对虚通道进行比特
１０ Ｅ以太网标准 ＩＥ ０ ． ａ ０Ｇ Ｅ Ｅ ８２ ｂ 。标准中明确 了 ４Ｇ ｌ ３ ０ Ｅ
复用。例如 ，０路虚通道通过 ２１比特复用器复用成 ２ ：
研 究 毒并 发
１路物理通道，通过 ５１比特复用器复用成 ４路物理通 ０ ：
Ｐ Ａ（ Ｍ 物理媒质附属） 子层和 Ｐ Ｄ 物理媒质依赖） Ｍ （ 子层与 １Ｇ ０ Ｅ相 比有较大变化 ，其复杂度和规模要大得多。与 ｌＧ ０ Ｅ相 比． Ｇ ／ ０ Ｅ的 Ｍ Ｃ 媒体接入控制） Ｐ Ｙ ４ Ｅ１ Ｇ ０ ０ Ａ（ 与 Ｈ
（ 物理层 ）的接口由原来的Ｘ ＭＩ 口演变成 Ｘ Ｇ Ｉ Ｇ Ｉ接 Ｌ Ｍ 接
收侧移去该对齐控制块 ， 并根据该对齐控制块 ， 识别 每 路Ｖ， Ｌ 实现 ２ Ｖ ０个 Ｌ的对齐 ， 恢复数据原来的顺序。对 齐码块不 占用额外 的带宽空间， 采用删除 ＩＧ空间的方 Ｐ
法获得。 在子层接口方面 。 Ｇ ，０Ｇ Ｍ ４ Ｅ１０ ＥＰ Ａ与 Ｐ Ｄ子层之间 ０ Ｍ
口（０ Ｅ 和 Ｃ Ｍ Ｉ１０ Ｅ ，Ｌ Ｍ Ｉ Ｇ Ｉ接 口容量由 ４Ｇ ） Ｇ Ｉ（０Ｇ ）Ｘ Ｇ ＩＣ Ｍ Ｉ ／ １ ｂ ｓ ０Ｇ ｉ 提高到 ４ ｂ／和 １０Ｇ ｉｓ ０Ｇ ｉｓ ０ ｂ／，数据通道位宽由 ｔ ｔ
２ ４ ＧＥ １ ０ ０ ｌ０ ＧＥ以 太 网 技 术
云计算、大容量路由器之间的互联等大带宽的应用，
・
制技术， 如相位调制（Ｓ ） ＰＫ 和正交幅度调制（Ａ 以及基 Ｑ Ｍ）
于以上两种调制的多电平调制技术等。 下面介绍一下这 ３ 种新型调制技术。 （） Ｉ相位调制
Ｐ Ｋ是以相位变化表征被调制数值信号“” １的 Ｓ ０ 和“”
达到 １／ ｂ／光传输已有的传输距离和频谱效 ０４ Ｇ ｉ ０ ｔ ｓ
限只有 １ Ｅ系统的 １ ０ 。为了实现 ４／ ０Ｇ ｉ 超高 ０Ｇ ／０ １ ０ｔ ｂ ／ ０ ｔ ｓ 速光传输 ， 必须降低系统对光信噪比（ Ｓ Ｒ 以及色散容 ＯＮ ） 限的要求， 克服非线性效应的影响。 从 ＩＯ Ｅ的应用来看， ＯＧ 要使 １０ ＥＷＤ 波分复用） ０Ｇ Ｍ（ 光传输能够得到规模商用． 必须满足以下条件：
率， ５／ ０Ｇ ｉ 波长间隔， 支持 ０ ０ ｂ ｓ １ ｆ 至少达到 １ ０ ｍ ０ｋ ５
差异 ，又称相移键控，主要有 ＢＳ 、ＰＫ和 １ＰＫ等 ， ＰＫＱ Ｓ ６Ｓ ＢＳ ＰＫ是以 ０ １的相位变化表征数值信号“” １的差 和 Ｔ ０和“” 异，ＰＫ是以 ４ ＱＳ 个相位（ ０＋Ｔ 、盯２和 耵 表征数值 如 、１２一 ／ ， ）
道． 如图 １ 所示。
两种并行接Ｉ， ： 传输媒质有铜线、 １ 多模光纤 、 单模光纤等。
ＩＥ ０ ． ａ Ｅ Ｅ８２ ｂ 规范的 ４Ｇ ３ ０ Ｅ和 １ Ｇ ０ Ｅ接 口主要有表 １ ０ 中 的 ５ 从表 １ 种。 可以看出，０ Ｅ主要定位于 １ ４Ｇ ０ｋ ｍ以下的 短距离互连 ． ０ Ｅ定位于更长距离的应用。 １Ｇ ０
推动了高速以太网技术的发展 ， Ｇ ／０Ｇ ４ Ｅ１０ Ｅ是当前最大 ０
３ ｉ增加到 ６ ｉ ２ｂ ｔ ４ｂ ，同时 Ｐ Ｙ在层次结构上多了 Ｆ Ｃ ｔ Ｈ Ｅ
（ 前向纠错） 功能子层。
４Ｇ ／ ０ Ｅ的Ｐ Ａ层运用并行多通道处理方式， ０ Ｅ１ Ｇ ０ Ｍ 采 用 Ｍ Ｄ（ Ｌ 多通道分配） 的架构。 该架构在对 Ｍ Ｃ数据流进 Ａ
实现信号的重新装配和还原。Ｅ Ｅ８２ ｂ 规范中定义了 ＩＥ ０． ａ ３
一
套多路延时校正机制： 发送侧将经过加扰的数据分配到
（ ２６ 发送一次同步对齐字节， 占０ ０ ％ 即 １ ｓ 约 ． ６ 带宽）加 ０ ，
２个ｖ ０ Ｌ时，每路 Ｐ Ｓ Ｌ相隔 １ ８ 个 ６ Ｃ Ｖ ６３３ ６比特块周期 上一个具有标示该路 Ｉ Ｄ号和对齐功能的对齐控制块。接
表 １ ｌ Ｅ ０ ．ｂ Ｅ Ｅ ８ ２ ３ ａ规 范 的 ４ ＧＥ 和 １ ０ ０ ０ ＧＥ 接 口
多通道并行处理方式在降低高速数据处理难度的同
时． 也带来了多通道数据的对齐 问题。对 １ Ｇ ０ Ｅ来说 ， ０
２ 路虚通道并行数据经过不同的波长和线路传输后的延 ０
时不尽相同． 在接收端必须进行延时校正， 数据对齐才能
光源 ３ Ｉｔ 光传输的传输记录。 ２ｒｉｓ Ｉ／ ｂ
１０ Ｅ以太网仍然使用 ＩＥ ０． Ａ ０Ｇ Ｅ Ｅ８２ Ｍ Ｃ标准 的以太网帧 ３ 格式． 保留了 ＩＥ ０．标准的最小和最大帧长度 ， Ｅ Ｅ ８２ ３ 只支
持全双工工作。
在物理层 实现方面 ，由于 ４Ｇ ／ ０ Ｅ速率高 ， ０ Ｅ１ Ｇ ０ 其
４０ＧＥ
（） ０ ＧＥ ａ ｌ０ 层
● － ＿ －
（ 个通 道 ） ４
ｆ Ｓ
Ｐ （ 、 ＭＡ ４４
－ ＿ 一 一 ＿ － － ＿ － － － 。 一 一 ＿ － ●
●
４ ｂｆ ０Ｇ ｉｓ聚合 数据 流 （４ ／ Ｂ ６ Ｂ６ 编码 字 节 ） ６
ｌ
Ｐ Ｄｊ Ｍ ＰＭ Ｄ ２
１０ Ｅ以太网的实现 。 ０Ｇ 受到电路规模大和标准发布时 间不长等因素影响 ， 前还未有商用芯片推出， 目 不过有些
厂商的交换芯片和包处理 （Ｐ Ｐ ）芯片已经规划了 ４Ｇ ／ ０ Ｅ
１０ Ｅ接口， ０Ｇ 相信在不久的将来会规模商用。
烽火通信科技股份有限公司（ 以下简称烽火通信） 在国
块之间的互连接口为 Ｘ Ａ Ｉ Ａ Ｉ Ｌ Ｕ／ Ｕ ，该接口为４ １ ｂ／ Ｃ ｘ０Ｇ ｉｓ ｔ
（ ４Ｇ ） １ｘ０Ｇ ｉｓＸ ０Ｇ ）可允许约 ２ ｏ 对 ０ Ｅ 和 ０ ｌ ｂ／ ￣１ Ｅ， ｔ（ ０ ５ ｎ的
Ｐ Ｂ连接距离（ Ｃ 包含一个接头） 。 ４Ｇ ／ ０ ＥＰ Ｄ子层采用并行接 口， Ｇ ０ Ｅ１ Ｇ Ｍ ０ ４ Ｅ主要有 ０ ４１Ｇ ｉ 并行接口， ０ Ｅ主要有 １ ｌ Ｇ ｉ 和４２ Ｇ ｉｓ ×０ ｂ／ ｔ ｓ １Ｇ ０ ０ ０ ｂ／ ＞５ ｂ／ ｘ ｔ ｓ ＜ ｔ
带宽、 最高速率的以太网接口，０ Ｅ已经在路由器中规模 ４Ｇ 应用．０Ｇ １０ Ｅ接口的路 由器也已经开始商用。
２１ ００年 ６ 国际标准组织 ＩＥ 月 Ｅ Ｅ正式发布 了 ４Ｇ ／ ０ Ｅ
行 Ｐ Ｓ 物理编码子层）４ ／ Ｂ编码后 ， ６Ｂ块进行 Ｃ（ ６Ｂ６ ６ 按照 ６ 分发。４Ｇ ０ Ｅ分发到 ４路虚通道上 ， ０ Ｅ分发到 ２ 路虚 １Ｇ ０ ０
信 方 面 的研 究 进 展 ， 现 了 １Ｔ ｉ ｓ速 率 下 Ｃ ． Ｆ Ｍ ４ ｍ 的 普 通 单 模 光 纤 的 无 误 码 传 输 。 实 ｂｔ ／ Ｏ Ｏ Ｄ １０ ０ ｋ
１ 引言
无线 ３ 、 Ｃ 高清视频、 高速宽带上网和云计算等业务需 求推动了网络 Ｉ Ｐ流量的快速增长，人们对通信带宽的需 求不断增长． 提高传输速率是提高传输带宽的一项重要技 术。 前通信网大规模应用的最高单通道商用传输速率是 目 ４ ｂ ／，０ ｂ／ 光传输即将投入商用，０ ｂ ／ 和 ０Ｇ ｉｓ１０Ｇ ｉｓ ｔ ｔ ４０Ｇ ｉｓ ｔ １ ｉ 超高速光传输也正在如火如荼地进行中，国际上 ｔ ／ ｓ 不断有新的传输记录产生， 目前的传输试验已经达到了单
信号“０ 、０ ”、１”、１”一个符号可以携带 ２ｂ 的 ０ ”“１ “０ “１， ｉ ｔ
传输距离 ：
・
兼容现有光网络中已有的 １／ ｂ／ 波长业务 。 ０ ０Ｇ ｉｓ ４ ｔ 支持 ４Ｇ 到 １ｏ Ｅ的平滑升级以及 １／／ ｏ ｂ ／ Ｏ Ｅ ｏＧ ０ ０ ｏ ｉｓ ４ １ Ｇ ｔ