1、100G 传输关键技术及应用摘 要在宽带超速发展的时代，承载网的核心层和骨干层面临着越来越大的带宽增长压力，100G 线路传输技术及产业链条已经发展成熟，目前已成为网络运营商应对几何式带宽需求增长的最佳解决方案。本文主要介绍 100Gb/s 传输技术的必要性及其关键技术，并简要讨论了100Gb/s 系统的应用前景。 关键词100Gb/s 编码调制 映射封装 中图分类号：TN9 6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0242-02 1、引言 光通信最重要的特点就是具有几乎用不尽的带宽资源。随着信息社会的发展，人们对信息服务的需求量与日俱增。100GbpsWDM 系统是
2、一个重要方向。超宽带时代，承载网的核心层及骨干层面临着越来越大的带宽增长压力。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。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。与 40GbpsWDM 系统相比，100G 传输的商用化需要解决四大关键技术：100G 线路传输技术、100GE接口技术、100GE 封装映射技术和 100G 关键器件技术。 2、100G WDM 标准进展 100Gb/s 技术的国内标准化工作主要由 CCSA 的传送
3、网与接入网工作委员会（TC6）的传送网工作组（WG1）和光器件工作组（WG4）来制定。最近取得的主要标准进展包括：WG1 完成了“N100Gb/s 光波分复用（WDM）系统技术要求”的报批稿，以及“N100Gb/s 光波分复用（WDM）系统测试方法” （近期报批） ，同时 WG4 已开始开展 100Gb/s 光模块及组件的标准参数研究。其中“N100Gb/s 光波分复用（WDM）系统技术要求”中主要规范了 N22dB 传输模型在 G.655 和 G.652 光纤上的关键传输参数规范，同时考虑了系统技术实现的差异性，采用背靠背 OSNR容限、系统传输距离规则、FEC 纠错前误码率等多种参数量化，
4、目前规范的最远传输能力达到 1822dB（1880km，适用 G.652 光纤）和1622dB（1680km，适用 G.655 光纤） 。 100Gb/s 的国际标准主要由 ITU-T、IEEE 和 OIF 等标准组织制定。其中 ITU-T 的 SG15 主要负责光传送网及接入网的标准化工作，其中 Q6主要负责物理层传输标准的规范工作，Q11 主要负责逻辑层传送标准的规范工作。目前针对 100Gb/s 的标准化工作主要在 G.682、G.sup39、G.709等标准中规范，其中 G.682 已经明确提出进行 100Gb/s 参数的规范，而G.sup39 逐步引入 100Gb/s 技术涉及的一些
5、工程参数考虑，同时 G.709的 ODUk 容器已经支持基于 100Gb/s 速率的 ODU4。 IEEE 的 802.3 主要负责以太网物理层规范的制定，目前已经完成了基于 40GE 和 100GE 的物理层规范 802.3ba，目前正在开展背板互联（802.3bj）以及新一代 40Gb/s 和 100Gb/s 物理接口的规范（802.3bm） ，其中 802.3bm 是 2012 年 3 月 IEEE 802 全会上通过的新标准项目立项，其主要目标是完成多模光纤 20/100m 以上、以及单模光纤 500m 以上的传输距离。 OIF 的 PLL 主要负责高速模块及器件的规范制定工作，目前已
6、经完成了 100Gb/s 长距传输模块、相干接收机等实现协议（IA） ，目前正在进行第二代的 100Gb/s 长距传输模块和相干接收机的 IA、基于城域应用（中距离）的 100Gb/s DWDM 传输框架、以及基于 28G 的甚短距离传输的通用电接口（CEI-VSR）等 IA 的制定工作。 从 100Gb/s 标准化整体进展来看，目前 100Gb/s 标准基本完善，正在进行进一步提升集成度、降低功耗等相关标准的规范制定过程之中。 3、100G WDM 系统关键技术 3.1、100G 线路传输技术 现有 100G 线路传输技术主要有两种方案：多波传输方案和单波传输方案。在 100G 多波传输方案
7、中，100G 信号反向复用为多波长的 10Gbps和 40GbpsOTU2、OTU3 信号。这种方案不会对现有的 10G 或 40G 光传送网络产生影响，并可以在现有的器件技术下实现，因而是现阶段可实现的方案。但这种方案的波长利用率较低，也存在波长管理及多个波长间时延差的控制问题，所以这种方案不是 100G 线路传输技术的最终商用方案。100G 单波传输方案可做到“一个业务，一个波长” ，可以简化网络的管理。从器件发展及降低 OPEX 的角度来看，该方案是未来发展的方向。业界所讨论的 100G 传输基本上是讨论 100Gbps 单波的长途传输。由于波特率的提升，100G 单波传输信号所受到的各
8、种物理损伤较为严重。业界研究了新的码型以降低物理损伤对 100G 信号的影响。 40G 速率提高到 100G，光信噪比 OSNR 需要增加 4dB 左右，为了降低光信噪比 OSNR 的要求，在现有的光网络上传输单波 100G 信号，需要采用特殊的调制技术来降低波特率。例如 PDM-DQPSK 由于采用了偏振态、相位的双重调制，就可以把 100Gbps 的信号速率降低到 25G 波特率，从而保证在 50GHz 间隔的波长区传输。为更好地提高接收灵敏度，有时需要采用相干电处理的技术，也就是采用电处理来解决光波长的相干接收。目前，100GWDM 的调制技术有多项选择。从现在的发展情况看，业内相信PD
9、M-（D）QPSK 会是一个不错的选择，可以实现 50GHz 的间隔和 1000 公里以上的无电中继传输，相干光检测可以极大程度地提高色散容限和 PMD容限。缺点是发射机光学结构复杂，相位调制效应容限低，另外需要复杂的 DSP 处理，用于后处理的高速 DAC 和 ASIC 芯片目前较少。目前，该方向的研究还处于实验室阶段。 从系统来看，考虑到 100GHz 的速率只比 40GHz 提高 2.5 倍，在 C 波段传输的波长数目应该保持与现在的WDM 系统相同，因此 100GHzWDM 系统应该基于 50GHz 间隔，以提高系统容量。 3.2、100G 技术接口 100GE 接口技术要解决 100
10、GE 物理端口的高可靠性，并支持完善的监控和保护功能。100GE 物理接口主要有三种：1010G 短距离（100m）互联的 MMFLAN 接口；425G 中短距离（3km、10km、40km）互联的 SMFLAN接口；10G 铜线铜缆接口。 在接口架构方案上，100GE 接口架构目前有 MLD&CAUI、APL 和 PBL 三种方案。VL&CTBI、APL、PBL 方案分别根据不同的应用需求而提出。这些方案将会于近年内在 IEEE 进行广泛讨论，并最终给出最佳方案。 3.3、100GE 封装映射技术 100GE 适配到 OTN 时，可映射到 OTU4 中，也可反向复用到 OTU2/3 之中。根
11、据 100GE 接口的具体实现形式，存在多条封装映射路径。第一，100GE 串行信号映射到 ODU4。ODU4、OTU4 的具体速率正在讨论中，有130Gbps 和 112Gbps 两种选择。由于 ODU4/OTU4 的速率目前还没有最终形成标准，因此将 100GE 映射到 ODU4 的方案还没有最终确定。第二，100GE 串行信号反向复用到 ODU2e、ODU2、ODU3。其主要有 O-DU2e-10v反向复用和 ODU2-11v 或 ODU3-3v 反向复用两种方案。ITU-TQ11 已经明确将对这两种封装映射路径进行标准化。采用 GMP 映射方法在技术上可以实现，但标准还不成熟。第三，1
12、00GE 信号反向复用到 1010G 或425G。这种方案将高速串行的 100GE 信号反向复用为 10G 或 25G 低速并行的信号。目前，ITU 正在讨论承载 Multilane100GE 的问题，主要有Multi-lanePCS 层汇聚再映射到 OTN，以及比特透明独立映射两种解决方案。 3.4、100G 关键器件技术 100G 关键器件于 2010 年左右开始生产，于 2011 年2012 年开始规模商用。其中光模块和高速 DSP 影响最大。只有高速光模块才能实现100Gbps 速率的调制。DSP 则对于相干电接收至关重要，只有在 100G 高速率数字处理技术取得突破时，才能实现软判决
13、、相干电接收的复杂电处理，从而提高接收灵敏度，加大 100G 的传输距离。 4、100G WDM 系统解决方案 4.1、100G 解决方案要求 100G 对光纤传输提出了更加严格的要求，在同等物理条件下与 10G DWDM 传输系统相比，100G DWDM 系统有如下限制： a） 光信噪比劣化 10dB b） 色度色散容限降低为 1/100（约为 10ps/nm） c） 偏振模色散（PMD）效应劣化更为严重 d） 非线性效应变得更加明显 4.2、100G 解决方案研究 4.2.1 高效的码型 对于 100G 的调制方式，业界选择的主流技术仍然是 QPSK。100G 编码技术比较见表 1，由表
14、1 可以看出，PDM-QPSK 调制方式（为达到 4 比特/符号，采用极化模复用方式）是最适合长距离传输的标准码型，该调制方式已被 OIF 列为标准。 PDM-QPSK 的信号调制：在发送端，数据被分成 4 路，分别调制 2 个QPSK 调制器，再通过偏振合波器 PBC，得到 2 个极化偏振态垂直的 QPSK信号，即 PDM-QPSK 信号。在接收端采用相干检测，用一个本振的激光器经过偏振分束，与偏振分束后的信号进行混频，每个 90 度混频器输出 1个偏振态的 2 路信号（I、Q） ，2 个偏振态共 4 路信号，经过光电转换后，再由 ADC 采样后采用 DSP 进行数字信号处理。PDM-QPS
15、K 信号在接受侧采用相干检测的技术可以实现高性能的信号解调。与直接解调、差分解调方式相比，相干检测所使用的本地激光器功率要远大于输入光信号的光功率要远大于输入光信号的光功率，所以光信噪比可以被极大地改善。特别是相干检测技术可以充分利用强大的 DSP 来处理极化模复用信号，可以通过后续的数字信号的特性（极化模、幅度、相位） ，大幅度消除光纤带来的传输损伤，如 PMD 容忍度达 30ps，无需线路的色散补偿就可以容忍几万 ps/nm。 4.2.1 FEC 技术 前向纠错（FEC）一直是光传输技术中降低 OSNR 要求的重点技术之一，并随着光线路速率的提升而得到迅猛发展。第一代的带外 FEC 采用以
16、 RS（255， 239）为代表的代数码技术，满足 G.975 标准规定，采用 7%的开销，净编码增益为 6.3dB，纠前 BER 容限约为 8.310-5，主要用于2.5G 系统和早期的 10G 系统。第一代 FEC 的复杂度较低，算法规模较小（约 100，000LUT） ，采用 FPGA 即可满足其运算速度的要求。 随着后期的 10G 及目前 40G 系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前 BER 容限进一步降低，这驱动了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代 FEC 技术的诞生。第二代 FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到 8-9dB，纠前 BER 容限可
17、低至110-3-410-3。G.975.1 中制定了第二代 FEC 的行业标准。净编码增益的提高同时也伴随着 FEC 算法复杂度的和运算规模的增加。第二代 FEC技术一般需要 300，000LUT 的 FPGA 或百万门规模的 ASIC 芯片来承载。 在 100G 相干技术产业化力量的驱使下，并借助高速 IC 技术的发展，基于软判决（SD）的第三代 FEC 编码技术诞生了。这种 FEC 一般采用LDPC 码（低密度奇偶校验码） 、TPC 码（Turbo 乘积码） ，可提供约 11dB的净编码增益。第三代 FEC 需要更大的运算规模（1 千万门以上乃至数千万门的 ASIC） ，目前基于 65nm
18、 工艺的 ASIC 技术难以为继，需要 40nm 工艺的 ASIC 才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC 的另一个特点是开销更高，可高达 20%（OIF 建议 SD-FEC 的开销不超过 20%） ，使得100G 的线路速率达到 128Gbps，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。 5、结论 随着云计算、物联网、新型互联网等未来宽带传送需求的强力驱动，100Gb/s 已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近两年国内发展更为迅速。100Gb/s 在实际部署时，应重点考虑目前 40Gb/s 和100Gb/s 商用关系，100Gb/s 关键技术差异以及 100G
19、b/s 产业整体发展等诸多因素。在部署 100Gb/s 技术时，建议侧重考虑 100Gb/s 和 40Gb/s 协同发展，100Gb/s 部署应循序渐进，维持合理价格水平以促进产业健康发展等应用策略。 参考文献 参考文献：1 赵文玉100G 技术、标准及应用策略电信网技术2012 年第 12 期 2 余银凤，袁秀森100G 传输系统中的关键技术及解决方案邮电设计技术 2012 年第 9 期 3 100G 波分复用传输的关键技术及发展趋势J.华为技术 作者简介 韩文峰、女、1978 年 3 月 20 日， 1999 年毕业于中国民航大学、通信工程专业。任职于民航东北地区空中交通管理局 通信网络中心 主任工程师 通信地址：沈阳市大东区小河沿路 3 号东北空管局通信网络中心 联系电话：18940087530
