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100GDWDM优化OSNR的技术

摘要:本文讨论了提升R点系统OSNR门限的三种方法以及在偏振复用相干检测技术下Q裕度的调整范围。首先,在不增加额外速率开销的情况下,通过本振提升技术使得B2BOSNR与复杂算法SD-FEC性能接近。其次,基于100G技术天生对DGD和色度色散不敏感,可将Q 裕量从40G的3-3.5db 下降到2-2.5db,优化后的100G ONSR门限完全与40G相同。第三,SD-FEC通过提升20%线路冗余可提升OSNR预算1.3 db,SD-FEC算法复杂对硬件实时处理的要求很高,软判决和硬判决不是取代关系而是配合关系。最后,论证了芯片技术是商用SD-FEC的关键,阿尔卡特朗讯也在2012年Q1发布了基于400G技术的高性能处理芯片。

 摘要:

  本文讨论了提升R点系统OSNR门限的三种方法以及在偏振复用相干检测技术下Q裕度的调整范围。首先,在不增加额外速率开销的情况下,通过本振提升技术使得B2BOSNR与复杂算法SD-FEC性能接近。其次,基于100G技术天生对DGD和色度色散不敏感,可将Q 裕量从40G的3-3.5db 下降到2-2.5db,优化后的100G ONSR门限完全与40G相同。第三,SD-FEC通过提升20%线路冗余可提升OSNR预算1.3 db,SD-FEC算法复杂对硬件实时处理的要求很高,软判决和硬判决不是取代关系而是配合关系。最后,论证了芯片技术是商用SD-FEC的关键,阿尔卡特朗讯也在2012年Q1发布了基于400G技术的高性能处理芯片。

  2009年以来40GDWDM已开始在中国规模部署,随着宽带中国、网络提速等战略的实施,发达省份的骨干传输带宽资源已几乎在这快速发展的3年中而消耗殆尽,部分运营商在第二平面建设方案是基于40G技术还是100GDWDM技术而举棋不定。2010年6月IEEE、ITU-T、OIF分别关于100G接口、映射、传送等标准的定稿加快了100G整个产业链成熟,2011年欧美运营商在云计算、IDC互联、移动互联网等业务的驱动下规模部署100G技术,毫无疑问为100G的商用产生了多米诺骨牌效应。2012年Q1伊始,国内三大运营商分别启动详细的实验室和现网测试,业界也逐步将注意力从为什么建设100G转移到怎么建设100GOSNR,这个DWDM系统最典型也最复杂的指标,也继PDM-DPSK码型归于统一之后成为新的热点。

  虽然从40G到100G速率提升2.5倍,频谱效率要从0.8Bit/HZ上升到2Bit/HZ,但从工程设站的角度,具备机房条件的物理站址是不随线路速率而变化的。在相同调制格式下100G要比40 G的OSNR门限要提升3.8-4DB,OIF建议通过统一100G码型为PDM-QPSK并辅以四相位相干接收技术来解决这个问题。40G DWDM系统的国标根据不同的码型OSNR门限分别在18或19DB,所以设备制造商也均按照这个数字来优化各自的100G特性。与40G各种型来差分应用场景不同的是,统一码型和统一调整方式的100G DWDM留给厂商进行各自优化的空间并不大,只有接收侧的AD高速数模转换、DSP的软件算法以及FEC编解码深度。与工程设计相关的显性指标,就体现在背靠背OSNR(BOL和EOL)、OSNR和系统代价、FEC纠错能力、色度色散和偏振模色散补偿值上。

  一:B2BOSNR的优化:

  工程实践往往和实验室测试有较大差距。在建议的1dbm的发送功率下,第一代100G系统的B2B仿真数据维持15-16db.在7% 线路开销的112Gbit/s PDM-QPSK相干系统中,在误码率为2E-3这个阈值下,B2B OSNR性能的离线数据最佳结果为14.78DB。也有厂商离线测试结果在15-16 db,可作为最裂数据。由于仿真系统一般采用计算机阵列的离线处理,一般认为商用系统上性能会比仿真结果大1.5DB。原因在于离线处理为获取最佳的B2B OSNR性能而忽略考虑算法本身的复杂度,但是在线DWDM处理系统必须考虑算法复杂度限制,性能必然有所劣化。基于以上仿真结果,即使退而使用15-16db的指标,其与40G 系统的背靠背门限分别为13DB或14.5DB不小的差距,这个结果一度让运营商在使用100G与否的决策上彷徨,也让技术专家将注意力转移到提升20%开销但可提升B2B 门限约1-2 db的SD-FEC上来,认为其是商用系统不可偏离关键技术。

  实际上PDM-DPSK和相干接受的基本原理在诞生之初就提供了优化方案,即本地偏振光源性能“净化度”的提升。如图一右侧示意图所示,相干接收侧使用一个高稳定度的本地振荡激光器,经过偏振分束后与远端输入光信号进行90度混频,90度混频器输出一个偏振态的两路信号。混频器输出光信号经平衡接收光电二极管转换为模拟电信号,经高速模数转换器(ADC)采样量化后转换为数字信号。基于以上原理,源自本振光源的信噪比要远优于输入光信号的信噪比,我们能够改变本地光源的“纯度”,就可提升接收端光信噪比约2db的改善。同理,通过这样的方法,就可以将B2B的OSNR从15-16db降低到13-13.5db。这个优化的数据基本上可达到牺牲20%带宽效率的SD-FEC的方案指标。

  实际上,业界已有成熟的类似解决方案。阿尔卡特朗讯在2011年Q4发布了基于商用系统的增强OTU解决方案。并不开启SD-FEC的情况下,在2012年Q1某国家级测试中已优于以上关键指标。

二:Q余量与Rm侧系统OSNR的优化:

  40GDWDM国标中定义的MPI-Rm参考点接收OSNR与背靠背OSNR 容限(EOL)值之间的差值要求为4.5~5db。关于背靠背OSNR容限的分析详见第一部分,因此,这个OSNR裕度的多少将直接决定系统的OSNR门限。为便于分析,本节将系统富裕度分解为两部分:1)通道OSNR 代价2db;2)系统OSNR 裕量2.5~3db。考虑到接收机的0.5db 的老化裕量,也即EOL和BOL的差值,因此第2部分实际系统OSNR 裕量(BOL)一般取值为3~3.5db,同样的,对应的通道Q 裕量也对应的取值3~3.5db。

  实际上目前第二代100G商用系统中,光通道OSNR代价已远小于2db,例如阿尔卡特朗讯的平均通道代价只有1db,性能提升了100%。相对40G标准,基于偏振复用相干检测的100G技术天生对DGD和色度色散不敏感,因此可将Q裕量从40G系统中的3-3.5db 下降到2-2.5db。因此,出于系统长期稳定性的保守设计,将通道代价节约的1db和Q裕量节约的1db,二者之利只取其一;Q裕量的变化实际上就是系统侧的OSNR裕量,就可以降低1 db, 达到4-4.5 db。目前这个裕量的优化已广泛的被欧洲和北美运营商所接受。

  通过这个方案优化和适度的裕量放松,在不采用额外增加带宽开销的情况下(例如SD-FEC)下,100G系统的ONSR门限就可达到18.5db,完全可现有的40G系统在跨站设置上相同,甚至优于某些特殊码型的40G系统。下表一给出了按照这个方案优化后的不同纠错范围下对应的Q值和Q裕量建议值。

三:FEC和SD-FEC的优化技术

  前向纠错FEC技术是提高系统传输性能的传统技术,也是通过优化线路信号来优化OSNR性能的一种有效途径。其本质是通过牺牲有效带宽,以编码冗余度(例如20%)以及对应的信号处理芯片的复杂度来换取更大的净增益。一般认为FEC技术经历了三代的快速发展。

  第一代的为满足ITUTG.975规定的带外FEC,采用RS(255,239)方式使用7%的开销,净编码增益为6-7DB。这个方案广泛适用于2004年前的2.5G 和10G DWDM。第二代FEC采用G.975.1标准,自2004年开始启动正式商用,采用级联编码技术,增益可达到8-9db。当然编码增益的提高同时也带来了FEC算法复杂度增加。第二代 FEC技术也跟随芯片技术发展经历了两个阶段,一个为30万门以上电路FPGA搭建时代,一个为百万门规模的ASIC单一芯片时代。普遍认为,基于100G系统会迎来第三代FEC技术。具体实现方案既可以延续ITU-T G .975.1标准,但将原先的7%开销比提升到20%开销的实现高性能硬判决FEC,也即超强AFEC方案,这样也可将编码增益提升到10-11 db。这个利旧方案基于10G和40G WDM系统中规模应用的硬判决(HD-FEC)算法,十分成熟,易于工程大规模实施。方案之二就是有厂商提出的希望使用软判决SD-FEC技术,例如Turbo 码、LDPC 码和TPC码,通过20%甚至20%以上的开销比,以获得10-11db的编码增益。

  作为新实现方案,软判决和对应的码型毫无疑问成为业界当之无愧的重点。下表二引用了来标准机构给出的软判决和普通硬判决的净增益对比。可以看到开销(冗余度)不一样,同样是软判决达到的效果也差距较大,编码冗余度越大则能获得更多的净增益。OIF建议软判决FEC开销比小于20%,低于20%开销比时净增益随着冗余度增加而增大,而超过后受错误平层影响而增益反而下降。在7%开销时,软判决复杂度远超过硬判决,但复杂度换取的的增益却十分有限,所以并不建议使用软判决。因此,从这个对比表,可以直观的看出并不是软判决出现之后,硬判决将退出历史舞台,软硬结合才是可行的方案。

  报告说明了该实验基于G.652光纤,按照10×100KM跨段来进行系统搭建,每个跨度平均衰耗为20.5db。系统采用40个符合PM-QPSK码型的标准OUT来产生40个波长,其中39个为线路速率112G基于硬判决的56G的采样速率波长;1个波长为采用128 Gbps速率的基于软判决的65G 的波特率采样通道的波长,这个波长工作在1552.52nm中央频段,开通基于TPC编码的软判决SD-FEC。测试通道和其他39个邻居波长使用相同的WSS系统,在每一个跨段输出功率为+3 dbm。在传送10个跨段后,在测试通道加载噪声,并使用光谱分析仪(OSA)测量ONSR, OSA和误码仪显示测试结果表明系统达到目标。虽然AT&T这个实验室测试系统受成40nm ASCI熟套片数量的限制,只开通了SD-FEC的波,远低于国内40个波长的测试要求;系统的发射光功率也大于国内标准的1-2db(这会改善ONSR性能),但他毕竟为高性能芯片将SD-FEC带入实践商用做出了积极的尝试。

  为进一步解决高速率通道所带来的系列问题,不仅仅是仅仅解决SD-FEC的错误平层和算法复杂度带来的128G速率的提升,而是面向更具有挑战性的400G甚至1T应用,阿尔卡特朗讯在2012年3月发布了业界首个基于400G速率技术的解决的ASIC芯片。如同下表二对比,这个芯片超越现有芯片技术200%以上,预计可在2012年Q4带来整个业界SD-FEC解决方案的全面更新,行业内的软判决成熟套片的解决方案也将全面成熟。


  在软判决具体的码型方案中,无论是LDPC码还是TPC方案,均需要OTU上完成大量的硬件计算来支撑性能。为捕捉信号远离介于0和1之外的信号而做出正确的判决,译码器的比特吞吐量也是硬判决的好几倍。其在复杂度上也要考虑由于信道劣化特征,即0和1信号的随机裂化而造成的噪声概率分布的变化。所以,对应系统的算法复杂性大为增加。更重要的是,由于启用软判决后线路速度从7%开销的112Gbit/s速度上升到基于20%开销冗余的128Gbit/s后,对后级ADC器件的采样率要求从56GHZ提升到65GHZ,DSP的计算能力也要从千万门电路往数千万门级大跃进,系统关键芯片的搭建也将从基于100G转变为超100G甚至400G而设计。最后,由于速率的提高必然带来谱宽的变化,这必然也会在非线性、滤波效应以及ROADM直通方面带来连锁影响,这些均在研究中。

  结合上文第一部分的分析,基于20%开销的128Gbit/s相干接收系统中,实验室仿真结果比较乐观, B2B OSNR在同样误码率门限情况下为14.5 db 。虽然没有达到第二代100G系统不采用软判决技术的背靠背门限指标,但还是比第一代系统的仿真值提升了1.5-2 db。OFC 2010报道的国外某首个128Gbit/s速率PM-QPSK相干接收在线处理原型机的真实测试结果却让20%冗余度的SD-FEC技术蒙上阴影。其在2E-3误码率下的B2B OSNR门限居然裂化到17db,与离线仿真结果出现2.5-3 db的差距。究其原因,除了仿真系统和在线系统复杂度的差异之外,另一个重要的因素是在线实时芯片处理能力。这个首个128Gbit/s 在线处理原型机的DSP功能采用了大量的FPGA拼接而成,与不是基于112GBit/s系统常用的单ASCI芯片。业界认为,即使采用ASCI技术也需要65nm甚至40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。所以,芯片技术成为软件判决从纸上谈兵走向商用系统与否的关键。

  2012年Q1,AT&T实验室发布了其业界首个40nm的技术的MSA收发器的系统测试结果,也是业界首个运营商测试的SD-FEC系统。PM-QPSK收发器示意图如下图二,其有4个8位、每秒65G采样率ADC转换通道的DSP引擎,在OTU接收端处理色度色散补偿以及PMD补偿和对应的载波信号恢复。同时,ASIC套片还包含SD-FEC发端编码和接受端SD-FEC解码。在具体的码型算法上,试验系统的SD-FEC采用的是基于Turbo乘积码(TPC),相应的净编码增益11.1分贝。

 四:结论

  2012年国内100G的研讨已从“Why为什么”建设深入到“How 怎么”建设100G上来。在既有码型和固定发射功率的下,有两种方法提升Rm点的系统OSNR门限。经过本振技术优化后的系统在不增加额外线路开销的情况下,B2B OSNR已与复杂算法的SD-FEC性能接近。由于100G相对40G技术,基于偏振复用相干检测天生对DGD和色度色散不敏感,因此可将Q 裕量从40G的3-3.5db 下降到2-2.5db,优化后的100G的系统ONSR门限完全与40G相同,甚至优于某些码型的40G系统。SD-FEC 是第三代FEC技术发展的方向,在牺牲有效带宽到20%冗余的情况下,可以提升OSNR预算1.3 db。由于SD-FEC本身的复杂对硬件实时处理的要求很高,软判决和硬判决不是取代关系而是配合关系。目前,AT&T首次测试了针对128G 速率千万门电路的40nm的芯片成熟性,阿尔卡特朗讯也在2012年Q1发布了基于400G技术的全新处理芯片。成熟套片技术的快速发展,必将大幅提升DWDM的网络传送容量以及网络OSNR性能。

  作者简介:

  郭中华,华中科技大学通信与系统硕士。在光网络领域有10余年的工程设计、网络规划、产品规划与定义、整体解决方案的经验。2005年加入阿尔卡特,负责重大项目以及产品定义、跨领域的总体解决方案构。曾任解决方案部副总监以及光网络首席架构师。现任阿尔卡特朗讯(上海贝尔)国内销售支持总部,光网络总监。

内容来自:飞象网a5
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2012/04/10/20120410092711543325.htm 转载请保留文章出处
关键字: OSNR SD-FEC 00G 阿尔卡特朗讯
文章标题:100GDWDM优化OSNR的技术
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