200Gbps混合调制码型的光性能评估与应用

  ICC讯 近年来，虚拟现实、高清视频、物联网技术的发展，给信息通信系统带来了一系列新的挑战。5G时代的到来，就是为了对信息通信这个“社会生态系统的信息主动脉”进行一次全面升级。5G通信对以WDM光传输系统为核心技术的光传送网也提出了前所未有的挑战。为了实现高带宽、高速率的光网络互联，对光通信传输系统的研发重点也逐渐由主流的100G开始转向超100G(B100G)容量的系统场景。

  当前100G OTN/WDM已大规模商用，B100G OTN/WDM的部署也逐步开始。从网络运营部署方便和既有投资保护角度考虑，如何在现有100G长距场景下扩容升级200G/400G，将成为各厂商B100G OTN/WDM解决方案的核心竞争力。当前B100G线路侧光模块技术已呈现差异化发展，各种不同的调制编码技术最终体现为各指标性能的优劣，如OSNR容限、光谱带宽等。而这些光模块性能差异直接影响着光模块OSNR容限、信号最佳入纤功率与ROADM穿通性能等。

  混合调制技术在时域上将不同QAM调制格式信息按任意比例混合，具备实现简单等优势，是下一代光网络组网的热门技术。在业务速率固定的情况下，可以通过调整混合比例改变业务信号带宽，以适应不同的传输信道条件。相比常规调制技术，混合调制借助小粒度的谱效灵活控制，并辅以入纤功率的合理适配，可实现特定条件下200G穿通能力和传输距离与传输容量的最佳平衡。

  200G常规调制方案

  以高阶调制技术为例，200Gbps光传输系统有多种实现方式，如PM-QPSK、PM-8QAM、PM-16QAM。不同调制码型对应的200Gbps业务性能和应用场景如表1所示。

表1 200G调制码型性能

  200G混合调制方案

  当前主流编码调制整形方案均通过选择更适配的调制方式和编码方式来传输有效信息，以实现最佳的传输性能。目前200G混合调制为业内最为先进的编码整形技术之一，其基本原理如图1所示。

图1 混合调制编码整形技术

  当前OTN/WDM各厂商的B100G高性能长距相干光模块均支持多种业务速率，多种调制方式和多种开销的FEC编码方式。在特定业务速率下，采用低阶调制码型则可获得更强的噪声容忍度或更长的传输距离，采用高阶调制码型可获得更高的频谱效率和更强ROADM组网穿通能力。即对于特定的光系统链路，选择不同调制码型或不同混合比例的调制方式，光模块的OSNR门限、系统滤波代价、非线性代价等都会有所差异。因此混合调制技术需要通过人工选择或SDON自动调节算法，选择合适的调制码型组合和混合比例，以最大化提升光链路性能。

  光传输损伤与性能评估

  200G WDM产品的规划设计需要有准确的光系统损伤评估能力。光传输损伤评估主要包含系统链路传输OSNR、光纤非线性代价、光滤波代价。在光模块B2B性能基础上，依据设备商的OA(光放大器)等光器件特性以及客户系统余量需求，来完成光链路系统的可行性判定。

  -传输OSNR评估

  系统传输后OSNR与光纤跨段损耗、信号入纤功率、EDFA噪声系数以及传输跨段数相关，对于标准等跨段WDM传输系统场景，此时系统传输后OSNR可以通过58公式计算得到。

  -非线性损伤评估

  光纤中的非线性损伤主要包括自相位调制(SPM，Self Phase Modulation)、交叉相位调制(XPM，Cross Phase Modulation)、四波混频(FWM，Four Wave Mixing)三类非线性折射效应(即克尔非线性效应)以及包括受激布里渊散射(SBS，Stimulated Brillouin Scattering)和受激拉曼散射(SRS，Stimulated Raman Scattering)在内的受激散射效应。

  通过利用微扰理论得到的GN/EGN模型对非线性损伤进行近似解析分析。GN/EGN模型的非线性噪声评估方法借助于窄带宽频率成分四波混频理论，将信道内SPM、信道间XPM、FWM等都当做不同频率处的四波混频来对待。该方法通过频域积分处理得到非线性噪声干扰量并将其近似为Gaussian噪声近似，从而可简化非线性噪声对系统性能的定量分析，相关研究报道该模型取得了较高的评估准确性。

  -光滤波损伤评估

  现阶段ROADM架构网络得到大规模商业部署，以满足DWDM网络管理和调度灵活性要求，其中WSS(Wavelength Selective Switch)模块是实现ROADM网络组网的关键器件。当前业内主流采用的WSS器件频率间隔为12.5GHz或6.25GHz，使得具有更高频谱效率的准奈奎斯特WDM的传输方案变为可能。而在多个ROADM站点级联的业务穿通场景，ROADM站点中的上下路单元中WSS模块以及直通方向的WSS模块均会对光信号产生光滤波损伤。尤其在准奈奎斯特WDM传输场景下，信号光谱带宽接近WSS通道带宽会导致接收机性能会严重劣化。

  光滤波损伤主要影响影响接收端接收机时钟同步算法。时钟同步算法核心为反馈式全数字时钟锁相环，主要由插值滤波器、定时误差检测器、环路滤波器和控制单元组成。

  无滤波场景下，当出现时延偏差时接收端信号时钟就会反馈误差，反向调整插值的偏移方向和趋势来调节和校准信号样值位置。有滤波场景下，若光谱在高频部分存在明显损失，会导致图2中的重叠区域丢失，则鉴相检测系数为零，此接收机将无法同步以准确接收光信号。故在ROADM级联光传输系统中，为保证业务长期运行的可靠性有必要对链路中的光滤波器件的数量以及带宽进行有效获取或检测，并适配出合理的业务光信号带宽，以减小系统中光滤波效应导致的性能代价。

图2 光谱形状对鉴相检测的影响

  200Gbps高性能混合调制的光传输性能评估

  200Gbps高性能混合调制的光传输性能主要从光模块B2B性能、系统非线性代价与滤波代价方面进行评估。

  200Gbps高性能混合调制码型的调制谱效、波特率以及通道间隔的对应关系如表2所示。

  结合WDM系统光路配置要求，200Gbps不同混合调制码型下的系统最大传输跨段与ROADM站点穿通数目如表3所示。

表2 混合调制码型的调制谱效、波特率以及通道间隔关系

表3 200G混合调制的最大传输跨段与ROADM站点穿通能力表

  200Gbps高性能混合调制提供了一种频谱效率与传输性能相平衡的技术方案，在业务新建与动态恢复中，基于混合调制技术以及相关光性能评估模型，可根据光传输链路信道条件选择最佳的调制组合与混合比例，以最小性能代价或者最大系统余量提升传输的可靠性。综上所述，混合调制技术具备灵活的信道适应能力，将在下一代大容量动态光网络的升级扩容中发挥关键作用。

  作者：中兴通讯 尚文东，施鹄