100G和超100G技术进展

100G技术进展
        随着视频流的日益增多，以及云计算、社会化媒体和移动数据传输的激增，因特网和专线服务的带宽需求以每年30%到50%的速度持续增长。目前，不管正在开发还是已经部署的100 Gbps的长途传输系统，都是基于单载波PMD-QPSK调制格式并采用相干检测和数字信号处理（DSP）技术。这样在传统的50GHz光栅上所获得的频谱效率（SE）是2bps/Hz，从而系统容量在光纤C段提升到约10 Tbps。相关的100GE客户端、传输层OTU4和其他方面的标准化过程已经由国际标准组织完成，以实现端到端的系统连接和互联互通。

       每通道比特率超过100G的光传输是支持未来业务量增长的有效途径。图1显示了超100G 的发展方向和研究内容。这些研究都在积极寻求在容量、数据速率和光传输距离之间取得平衡。光时分复用 (OTDM）是增加通道数据速率的一种实现方法。最新的实验已经获得了1.28Tbaud的波特率和640Gbaud的波特率。然而，OTDM受系统稳定性和紧凑性的局限，通常只被当做一种临时的实验技术用于研究高比特率传输时光信号的传输性能，因此当光电子器件的带宽允许时，OTDM就被电时分复用（ETDM）所取代。使用多芯光纤（MCF）或者少模光纤（FMF），并融合多输入多输出（MIMO）信号处理的空分复用（SDM）目前正得到广泛的研究。理论预测和近期的进展都表明在特殊的光纤结构和传输性能上能够做到很好的结果。但除了设计和制造，在连接、耦合、熔接以及放大器和收发器的集成方面都面临很大的挑战，显示该项技术进入商业应用还为时尚早。

                                                                     图1 超100G 研究内容和方向

                                                             图2 在不同调制码型和波特率下需要的光信噪比

       在未来的几年里，特别是对于400GE和1TE标准，人们相信所采用的方法不仅必须具有高频谱效率和高接收灵敏度，而且必须能够通过现有的技术和组件进行实施。对此有3个主要的方法结合PDM和相干检测来提高通道比特率。如图1所示，第一个方法是ETDM，利用成熟的电子技术提高波特率。使用差分相移键控（DPSK），高达40Gbaud的波特率已经在现网进行部署，而使用非归零码的100Gbaud的波特率已经在实验系统中展示，在这些系统中他们都使用了直接检测。目前的 100Gbps 商用系统或者400Gbps双载波原型机采用的调制码QPSK或16QAM其波特率在30Gbaud左右。采用波特率为56Gbaud的16QAM信号其传输距离将会减少很多。

       第二种方法是使用更高阶的QAM调制码格式。他们能够获得比PDM-QPSK更高的频谱效率，但是执行代价增大，接收灵敏度要求增高，并且同样降低了传输距离。如图2所示， 16QAM 信号需要的光信噪比（OSNR）比QPSK要高6dB，并且随星座图星座点数目的增加呈指数增长。在最近的实验中， BER=1×10-3 时的执行代价高达8dB，而实现QPSK仅为大约1dB。现网试验中，在200GHz光栅上有10Gbps的邻近信道的情形下，512Gbps 双载波16QAM信号在色散补偿SSMF上传输距离为700 km左右。这些结果表明使用16QAM或 64QAM 格式来提升频谱效率非常具有挑战性。

       第三种方法是利用多子载波的超级通道技术，它可以通过高集成度的100/200Gbps通道来克服光电子器件的速度和带宽的限制。到目前为止，一个使用PDM-QPSK格式的超级通道采用拉曼放大和特殊光纤能够实现7000km的传输，证明QPSK信号在频谱效率和传输距离之间能够取得良好的平衡。人们注意到，与单载波的情况相反，每通道使用多子载波要求在光节点中使用灵活间距的光栅而非固定间距的光栅。在不同的多载波技术中，无防护间隔相干光正交频分复用 （NGI-CO-OFDM） 和奈奎斯特波分复用 （Nyquist WDM） 技术有望达到较高的频谱效率同时也不会大幅减少传输距离。NGI-CO-OFDM技术的基本原理是子载波间隔正好等于频率域中的波特率，而在 Nyquist WDM中，子载波经过光谱整形从而接近或等于无码间干扰传输的Nyquist极限。由于在NGI-CO-OFDM中相邻子载波相互正交，信号经光检测后仍保持独立。但探测这种信号时需要将所有的子信号都进行探测，因而对模拟数字转换器（ADC）、光电探测器等器件带宽有很高的要求。对于Nyquist WDM，需要通过光域或电域的特定滤波器进行信号整形。人们已经在理论上和实验中对Nyquist-WDM 和NGI-CO-OFDM 进行了对比研究。研究结果表明， Nyquist WDM在载波间干扰（ICI）容限和实施性约束方面更稳健更实用。

100G现网实验进展

       许多实验室的实验足以进行概念上的验证，但现网试验对系统提出更严峻和更现实的要求并且更接近于实际实施。例如，色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）会因为铺设光缆由于温度等环境的改变而发生变动，一些其他的未知因素同样对接收端的盲均衡性能有所影响。同时，运营商需要对不同的技术进行验证和评价，从而更好地了解这些技术在实际光纤网络中在系统层面的可行性，这能够帮助运营商对实现的方案进行充分的了解。在过去的3年里，已经有几个现网试验验证了100G和超100G光传输性能。2010年AT&T测试了100G信号在带有色散补偿模块（DCM）的光线路中传输1800km。随后其在2012年演示了商用100G 在无色散补偿的光传输系统中传输3760 km，每端跨度为80km。Verizon完成了第一个使用100GE路由器卡和100GBASE-LR4 CFP界面端到端本地IP数据的100G单载波相干检测传输1520km的实验。Verizon还将112Gbps、450Gbps和1.15 Tbps混合速率信号在频谱效率为3.3bps/Hz的情况下进行了信号的长距离传输。在另外一个试验里采用8QAM和QPSK调制格式实现21.7 Tbps 信号的现网传输实验。德国电信（DT）进行了两个独立的现网实验，分别是253Gbps通道基于电OFDM在标准单模（SSMF）中传输764km和512Gbps通道基于16QAM格式传输734 km。同时，英国电信 （BT）展示了首个灵活栅格的现网传输实验，传输距离为600多公里。

中兴通讯携手德国电信实现100G和超100G的实验传输

       德国电信集团（Deutsche Telekom AG），欧洲最大、世界第四大电信运营商，总部设在德国波恩，在2011年《财富》世界500强公司排行榜中位列第75位。德国电信拥有世界上最稠密的光纤网，总长度达150000km。在光网络建设和对新技术的探索上，德国电信也走在世界前列，于2010年6月在德累斯顿与弗莱堡工业大学之间铺设了全球首个100Gbps的商用光网络，连接两地的两个高性能数据中心。随着互联网业务及终端数据业务的不断发展，德国电信认为干线网带宽还要进一步发展，并预计在2014年后就会对超100G技术有强烈的需求。

       但对于超100G技术，信道带宽究竟是400G还是1T，复用技术采用奈奎斯特（Nyquist）还是OFDM，调制格式是延续100G的PDM-QPSK还是16QAM，目前尚无定论。作为全球领先的运营商，德国电信渴望先期获得超100G技术的研究与试验数据，以把握传输技术的发展方向，在正确的技术方向上部署超100G系统。

       中兴通讯多年来一直致力于100G和400G/1T等超100G技术的研究以及产品方案的研发与应用。立足于100G以及超100G高速信号传输技术的尖端技术研发，中兴通讯近年来攻克了该领域若干关键技术：全球首次在试验中实现了单信道为11.2Tbps的光信号，并成功让该信号在标准单模光纤中传输640km，刷新了此前单信道传输最高速率为1Tbps光信号的世界记录；实现了24Tbps（24×1.3Tbps）波分复用信号传输，业界首次实现T级的波分复用技术。

       2012年2月，中兴通讯一支专家团队受邀远赴德国，与欧洲最大的光传输基础设施运营商德国电信，共同完成传输速度超过100Gbps的密集型现场试验。

       此次试验是利用德国南部的达姆施塔特、斯图加特和纽伦堡等8座人口密集城市之间现有的标准单模光纤（G.652SSMF）进行的。为了研究不同技术的长途传输能力，还使用了试验室SSMF（标准单模光纤）来延伸光传输距离。

       试验网络如图1所示。为了延长传输距离，在斯图加特加入了额外的8×100km的G. 652光纤跨段，从而获得了1750km的总传输距离。除使用了商用的增益平坦的线内掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿光纤跨段损失，在链路中没有其他的增益均衡器。所有22个光纤跨段的平均损失为21.6dB。安装有发送器和接收器的测试中心位于达姆施塔特的德国电信研发中心。

                                                                                     现场试验网络图

       中兴通讯在该网络上主要完成两个试验。第一个试验是首次展现8×216.8Gbps PDM-CSRZ-QPSK信号在50GHz间距里的长距离传输试验。该试验信号达到创纪录的频谱效率：4bps/Hz。在传输超过22个SSMF跨度， 总距离达1750km后所有通道传输后误码率都小于3.8×10-3，即小于FEC阈值。这个现网试验表明利用偏振复用的QPSK调制码技术在相同的50GHz光栅上能够翻倍提高波特率和通信容量，并可实现超长距离的传输。

       第二个试验是对100G、400G和1T的混合传输，主要目的是在德国电信试验室再现中兴通讯已经发布了的400G和1T技术传输能力。在混合传输试验中，400G超级通道使用了Nyquist-WDM技术，是经由4个独立的112Gbps的PDM-QPSK信号经过强滤波后复用而成。而拥有13个子信道的1T信号则是采用光的OFDM方法产生的，每个子信道占据25GHz的带宽，总的信号占据325GHz带宽。

       这两个超级通道和两个中兴通讯商用的100G线卡混传。传输1750km后，所有信号的误码率都小于2×10-3。而100G商用线卡再将光纤长度进一步延长到2450km传输后的误码率为1.1×10-3，显示还有较大冗余度。

       这个现网试验证明了使用SD-FEC的100G技术是可以进行超长传输的，而利用特定的信号处理的Nyquist-WDM是一个实际可实施的技术，非常有希望在长距离传输中增加超100G的通道容量，并且中兴通讯的400G/1T技术与原有的100G商用技术有良好的兼容性。

       本次德国电信与中兴通讯的联合试验，是400G/1T传输系统技术发展的一个重要里程碑。它展现出中兴通讯在100G/400G/1T光传输系统上的设计能力，无论是在规模还是在新颖性方面，都是业界首屈一指的。这些技术不仅可以提升网络容量，还具有良好兼容性和可扩展性，并可以降低每比特的成本以及实现难度。现场试验的成功也足以证明，立足于全球领先的技术研究和产品开发的中兴通讯，有能力帮助网络运营商迎接因数据业务剧增而引发的骨干传输网业务流量呈指数上升的挑战。

作者：中兴通讯 余建军