40 Gbits光傳輸系統關鍵技術及應用方案
訊石光通訊網
2009/8/8 11:41:55
摘要 隨著互聯網業務的迅猛發展，對骨干傳輸網提出了更高的傳輸速率需求，在此背景下40 Gbit/s傳輸系統逐步進入了歷史舞臺。首先對40 Gbit/s系統的應用背景、采用的關鍵技術和所具備的優勢進行論述；然后給出40 G系統的商用方案，并對方案進行對比分析。
1、背景
自90年代中期以來，網絡容量一直以每5～6年翻4倍的速度穩步增長。從622 M到2.5G，從2.5G到10G，光纖傳輸速率的每次飛躍過程用“道路曲折，前途光明”來形容最為貼切。近期，40G也將面臨類似向10G演進時的微妙階段。目前普遍認為，向40G邁進的步伐明顯落后于容量增加的正常規律 [1]，其中的原因有多方面，包括市場需求迫切程度、大容量10G波分復用技術的廣泛應用、高速傳輸帶來的技術或成本難題以及電信泡沫的破裂等。同時，運營商對新技術的應用更趨謹慎，對網絡優化和網絡容量的提升采取了亦步亦趨的做法，網絡建設更加理性。
光通信市場在經歷低谷之后，如今元氣已基本得以恢復，并呈現良好的上升勢頭?；ヂ摼W業務（尤其寬帶業務）的迅猛發展極大地拉動了市場對帶寬的需求，加上3重播放業務的出現，使得運營商有必要采用更高速率。因此，時隔幾年，沉寂了一段時間的40G系統再次進入大家的視線，讓人們又一次充滿期待。
2、40 Gbit/s傳輸系統的關鍵技術
40 Gbit/s系統的實現要廣泛應用電子學和光學領域的技術。首先，需要將網絡業務低速顆粒復用為40 Gbit/s信號，將其成幀；其次，選擇適合傳輸的格式進行編碼，然后進行驅動和調制；最后，將其發送到光纖上傳輸到最近的光放大站點。完成這些工作需要解決許多關鍵技術問題，主要包括：IC材料技術、調制技術、提高光信噪比（OSNR）技術、色散補償技術、超級FEC等。
（1）IC材料技術
40 Gbit/s網絡隨著脈寬或脈沖間隔的變窄，信號抖動和碼間干擾（ISI）對信號的影響也變得更差。為了保證高質量的波形傳輸，就必須改善數字和模擬IC技術，以便高速、寬帶、低噪聲地對光波形進行整形和再定時。另外，IC功能的改良和功耗的減少是縮減成本的必要途徑。
在40 Gbit/s系統中很多芯片需要采用InP（銦磷）材料，但是InP材料制作比較困難，同時由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得非常困難，插損大。
（2）調制技術
目前主要有3種傳統光調制器：直接調制分布反饋半導體激光器（DFB-LD）、電吸收外部調制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3馬赫-曾德爾（Mach Zehnder）外部調制。這些調制器的應用領域是由他們各自的帶寬、啁啾脈沖和波長相關性所決定的。前兩種方式不適合高速系統，LiNbO3調制可以生成高速、低啁啾的傳輸信號，而且特性與波長沒有關系，被認為是40 Gbit/sWDM傳輸系統的最佳選擇。
40G調制格式的選擇是一個難題。目前有多種方式，例如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼、光孤子、偽線性RZ、啁啾的RZ、全譜RZ、雙二進制等等。從最新的研究成果分析，差分相移鍵控RZ碼（DPSK）顯得最有希望，這種調制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長。
（3）提高光信噪比技術
同10 Gbit/s WDM系統相比較，40 Gbit/s WDM系統有更多與光信噪比（OSNR）、色散、非線性作用、PMD等有關的尚待解決的問題。對于40 Gbit/s系統，為了要達到與10 Gbit/s系統相近的傳輸誤碼率，系統OSNR需提高6～8 dB。
（4）色散補償技術
從理論上看，色度色散代價和極化模色散代價都隨比特率的平方關系增長，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，實現起來非常困難。由于小于100ps/nm色散容差很小，對于40 Gbit/s的系統來說有可能會造成極其嚴重的限制，所以，從系統靈活設計和經濟角度考慮，應采用可變色散補償器（VDC）進行自動補償。40 Gbit/s傳輸系統的另一個很嚴重的制約因素是偏振模色散（PMD），它是由纖心的不對稱以及內、外壓力（如光纖的彎曲）所致。由于引入了雙折射，光纖中的兩個傳播偏振模經歷了群時延的微分（DGD），這導致了脈沖的加寬，即產生碼間干擾（ISI）并表現為比特誤差率的上升。
（5）超級FEC技術[2]
這是一個相對比較古老的技術，從1984年面世，至今才開始形成大規模的應用。隨著光速率達到40 G，提高光信噪比的難度越來越大，成本和代價也越來越高，FEC就成為一個非常關鍵的實用技術。特別是對于40 Gbit/s速率，采用帶外FEC已經成為關鍵的使能技術之一，不僅可以使傳輸距離達到實用化要求，而且在一些短距離傳輸系統上，可以避免實施昂貴復雜的有源PMD補償。
3、40 Gbit/s傳輸系統的主要優勢
基于所采用的關鍵技術以及本身的特性，40 Gbit/s系統具有以下優勢：
（1）可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。
（2）減少了OAM的成本、復雜性以及備件的數量。尤其在城域骨干網絡上，調度性、集成度要遠遠好于4個10G系統，可以節省機房面積，減少設備堆疊，提高單節點設備的帶寬管理能力和調度能力。
（3）每比特的成本比其它的城域網的方案更加經濟。
（4）通常單波長可以處理多個數據連接，核心網的功能將會大大地增強，40G將使業務得到更加高效和有保護的承載。
鑒于以上優勢，40G將具有廣泛的應用范圍。在商用模式具備后，40 Gbit/s接口將會出現在DWDM系統、ADM設備、大容量帶寬管理設備及路由器上[3]，將為數據中心或網絡POP節點提供高速互聯的功能。因此，40G系統將會在城域骨干網以及長途干線網絡中得到廣泛應用。
4、40 Gbit/s傳輸系統的應用方案
近年來隨著互聯網的普及和各類業務的不斷興起，對路由器（尤其是核心路由器）的容量需求不斷提高，單機640 Gbit/s容量的產品開始出現。而在實際運營網絡中，個別核心節點的容量需求已達Tbit/s量級?？梢灶A見，核心路由器將會迎來40G端口時代。根據試驗情況，40G系統主要有3種應用模式。
（1）新建N×40 Gbit/s WDM傳輸網絡
支持40 Gbit/s路由器的最佳傳輸方案是40 Gbit/s WDM傳輸技術。目前在40 Gbit/s WDM技術方面領先的是兩個新興公司：Mintera和StrataLight，一些傳統設備商也聲稱自己的產品支持40 Gbit/s速率。從研究的結論來看，只要選用合適的光纖（PMD系數在0.1 ps/km1/2以內），目前信道間隔100 GHz、傳輸距離1000 km以內的40 Gbit/s WDM傳輸技術已經成熟，如果光纖損耗和跨距合適，可以不使用拉曼放大器。
（2）10/40 Gbit/s混傳
為了支持40 Gbit/s信號在現網中的傳輸，最可行的方案是在現有10 Gbit/s WDM系統中開通若干個40 Gbit/s速率波長通道，即10/40 G混傳技術[4]。
10/40 G混傳技術面臨的挑戰是50 GHz間隔的40 Gbit/s信號傳輸。由于近幾年新建了大量50 GHz間隔（C波段80波）的10 Gbit/s WDM系統，混傳模式的應用必然要求在這些系統上開通40 Gbit/s波長信道。因為50 GHz間隔的40 Gbit/s WDM系統頻譜利用率高達80%，濾波效應、非線性效應等不利因素的影響將極大限制系統傳輸性能。研究表明，采用CSRZ碼型，50 GHz間隔系統中40 Gbit/s信號的ONSR容限比100 GHz間隔系統中要高約2 dB；而且對OTU和濾波器件的波長穩定性提出了更嚴格的要求，中心波長偏移超過0.02 nm就會帶來約1 dB的濾波代價。
（3）4×10 Gbit/s反向復用技術
40 Gbit/s WDM傳輸系統在技術實現還是成本因素都存在較多的限制，而反向復用（IMUX）技術另辟捷徑，可以在10 Gbit/s WDM系統上實現40 Gbit/s信號的傳輸。
反向復用指的是在發送端將一路高速率信號解復用成為若干路低速率信號，經過低速率的傳輸系統的傳輸后，在接收端將多路低速率信號復用成一路高速率信號。這與常用的復用技術正好相反，所以稱為反向復用。低速IMUX技術的實現并不復雜，但是不能因此低估了高速IMUX技術的實現難度，實際上目前40 Gbit/s IMUX技術的實現難度甚至大于40 Gbit/s WDM技術。
40 Gbit/s IMUX技術的最大優點是不需要對現有10 Gbit/s WDM系統進行任何改造，即可實現對40 Gbit/s業務傳輸的支持?，F網中核心路由器之間一般直接通過WDM系統的波長信道相連接，在這種網絡架構下，40 Gbit/s IMUX可以如圖1所示在兩個位置實現：第一個位置是路由器接口，即路由器接口板對內（核心路由模塊）提供40 Gbit/s接口，對外提供4個10 Gbit/s接口，IMUX功能在路由器接口板上實現；第二個位置是WDM設備業務側接口，即OTU業務側提供一個40 Gbit/s接口完成與路由器40 Gbit/s接口的對接，波分側用4個10 Gbit/s接口進行傳輸，IMUX功能在WDM設備OTU板上實現。
4.1 方案比較
綜上所述，徹底解決40 Gbit/s信號的傳輸問題還有待時日，可能的解決方案發展路線如下所述：10/40 Gbit/s混傳技術可以在一些滿足使用條件的線路上首先得到應用，但是沒有規模效應。40 Gbit/s IMUX技術一旦成熟，可以基于現有10 Gbit/s WDM系統，提供限制條件更為寬松的40 Gbit/s信號傳輸解決方案。但是40 Gbit/s IMUX只是一種過渡技術，形成規模效應的40 Gbit/s WDM系統將是解決40 Gbit/s信號傳輸問題的最終解決方案。
5、總結
下一代網絡的顯著特征之一就是網絡的業務性，下一代光傳輸設備必須充分考慮到對未來網絡業務的支持；雖然2.5G和10G是目前網絡中最常用的接口，但隨著帶寬需求的進一步增加，40 Gbit/s技術將是下一代通信網最關鍵的技術，傳輸網向著40 Gbit/s邁進是網絡發展的必然趨勢[4]。盡管40 Gbit/s暫時面臨一系列技術上的困難，但目前這些困難都已經有了或即將有相應的解決方案，在不遠的將來，40 Gbit/s系統必將登上傳輸領域的舞臺，成為今后幾年骨干網和城域核心網中最重要的傳輸接口之一。
來源：泰爾網
1、背景
自90年代中期以來，網絡容量一直以每5～6年翻4倍的速度穩步增長。從622 M到2.5G，從2.5G到10G，光纖傳輸速率的每次飛躍過程用“道路曲折，前途光明”來形容最為貼切。近期，40G也將面臨類似向10G演進時的微妙階段。目前普遍認為，向40G邁進的步伐明顯落后于容量增加的正常規律 [1]，其中的原因有多方面，包括市場需求迫切程度、大容量10G波分復用技術的廣泛應用、高速傳輸帶來的技術或成本難題以及電信泡沫的破裂等。同時，運營商對新技術的應用更趨謹慎，對網絡優化和網絡容量的提升采取了亦步亦趨的做法，網絡建設更加理性。
光通信市場在經歷低谷之后，如今元氣已基本得以恢復，并呈現良好的上升勢頭?；ヂ摼W業務（尤其寬帶業務）的迅猛發展極大地拉動了市場對帶寬的需求，加上3重播放業務的出現，使得運營商有必要采用更高速率。因此，時隔幾年，沉寂了一段時間的40G系統再次進入大家的視線，讓人們又一次充滿期待。
2、40 Gbit/s傳輸系統的關鍵技術
40 Gbit/s系統的實現要廣泛應用電子學和光學領域的技術。首先，需要將網絡業務低速顆粒復用為40 Gbit/s信號，將其成幀；其次，選擇適合傳輸的格式進行編碼，然后進行驅動和調制；最后，將其發送到光纖上傳輸到最近的光放大站點。完成這些工作需要解決許多關鍵技術問題，主要包括：IC材料技術、調制技術、提高光信噪比（OSNR）技術、色散補償技術、超級FEC等。
（1）IC材料技術
40 Gbit/s網絡隨著脈寬或脈沖間隔的變窄，信號抖動和碼間干擾（ISI）對信號的影響也變得更差。為了保證高質量的波形傳輸，就必須改善數字和模擬IC技術，以便高速、寬帶、低噪聲地對光波形進行整形和再定時。另外，IC功能的改良和功耗的減少是縮減成本的必要途徑。
在40 Gbit/s系統中很多芯片需要采用InP（銦磷）材料，但是InP材料制作比較困難，同時由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得非常困難，插損大。
（2）調制技術
目前主要有3種傳統光調制器：直接調制分布反饋半導體激光器（DFB-LD）、電吸收外部調制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3馬赫-曾德爾（Mach Zehnder）外部調制。這些調制器的應用領域是由他們各自的帶寬、啁啾脈沖和波長相關性所決定的。前兩種方式不適合高速系統，LiNbO3調制可以生成高速、低啁啾的傳輸信號，而且特性與波長沒有關系，被認為是40 Gbit/sWDM傳輸系統的最佳選擇。
40G調制格式的選擇是一個難題。目前有多種方式，例如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼、光孤子、偽線性RZ、啁啾的RZ、全譜RZ、雙二進制等等。從最新的研究成果分析，差分相移鍵控RZ碼（DPSK）顯得最有希望，這種調制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長。
（3）提高光信噪比技術
同10 Gbit/s WDM系統相比較，40 Gbit/s WDM系統有更多與光信噪比（OSNR）、色散、非線性作用、PMD等有關的尚待解決的問題。對于40 Gbit/s系統，為了要達到與10 Gbit/s系統相近的傳輸誤碼率，系統OSNR需提高6～8 dB。
（4）色散補償技術
從理論上看，色度色散代價和極化模色散代價都隨比特率的平方關系增長，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，實現起來非常困難。由于小于100ps/nm色散容差很小，對于40 Gbit/s的系統來說有可能會造成極其嚴重的限制，所以，從系統靈活設計和經濟角度考慮，應采用可變色散補償器（VDC）進行自動補償。40 Gbit/s傳輸系統的另一個很嚴重的制約因素是偏振模色散（PMD），它是由纖心的不對稱以及內、外壓力（如光纖的彎曲）所致。由于引入了雙折射，光纖中的兩個傳播偏振模經歷了群時延的微分（DGD），這導致了脈沖的加寬，即產生碼間干擾（ISI）并表現為比特誤差率的上升。
（5）超級FEC技術[2]
這是一個相對比較古老的技術，從1984年面世，至今才開始形成大規模的應用。隨著光速率達到40 G，提高光信噪比的難度越來越大，成本和代價也越來越高，FEC就成為一個非常關鍵的實用技術。特別是對于40 Gbit/s速率，采用帶外FEC已經成為關鍵的使能技術之一，不僅可以使傳輸距離達到實用化要求，而且在一些短距離傳輸系統上，可以避免實施昂貴復雜的有源PMD補償。
3、40 Gbit/s傳輸系統的主要優勢
基于所采用的關鍵技術以及本身的特性，40 Gbit/s系統具有以下優勢：
（1）可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。
（2）減少了OAM的成本、復雜性以及備件的數量。尤其在城域骨干網絡上，調度性、集成度要遠遠好于4個10G系統，可以節省機房面積，減少設備堆疊，提高單節點設備的帶寬管理能力和調度能力。
（3）每比特的成本比其它的城域網的方案更加經濟。
（4）通常單波長可以處理多個數據連接，核心網的功能將會大大地增強，40G將使業務得到更加高效和有保護的承載。
鑒于以上優勢，40G將具有廣泛的應用范圍。在商用模式具備后，40 Gbit/s接口將會出現在DWDM系統、ADM設備、大容量帶寬管理設備及路由器上[3]，將為數據中心或網絡POP節點提供高速互聯的功能。因此，40G系統將會在城域骨干網以及長途干線網絡中得到廣泛應用。
4、40 Gbit/s傳輸系統的應用方案
近年來隨著互聯網的普及和各類業務的不斷興起，對路由器（尤其是核心路由器）的容量需求不斷提高，單機640 Gbit/s容量的產品開始出現。而在實際運營網絡中，個別核心節點的容量需求已達Tbit/s量級?？梢灶A見，核心路由器將會迎來40G端口時代。根據試驗情況，40G系統主要有3種應用模式。
（1）新建N×40 Gbit/s WDM傳輸網絡
支持40 Gbit/s路由器的最佳傳輸方案是40 Gbit/s WDM傳輸技術。目前在40 Gbit/s WDM技術方面領先的是兩個新興公司：Mintera和StrataLight，一些傳統設備商也聲稱自己的產品支持40 Gbit/s速率。從研究的結論來看，只要選用合適的光纖（PMD系數在0.1 ps/km1/2以內），目前信道間隔100 GHz、傳輸距離1000 km以內的40 Gbit/s WDM傳輸技術已經成熟，如果光纖損耗和跨距合適，可以不使用拉曼放大器。
（2）10/40 Gbit/s混傳
為了支持40 Gbit/s信號在現網中的傳輸，最可行的方案是在現有10 Gbit/s WDM系統中開通若干個40 Gbit/s速率波長通道，即10/40 G混傳技術[4]。
10/40 G混傳技術面臨的挑戰是50 GHz間隔的40 Gbit/s信號傳輸。由于近幾年新建了大量50 GHz間隔（C波段80波）的10 Gbit/s WDM系統，混傳模式的應用必然要求在這些系統上開通40 Gbit/s波長信道。因為50 GHz間隔的40 Gbit/s WDM系統頻譜利用率高達80%，濾波效應、非線性效應等不利因素的影響將極大限制系統傳輸性能。研究表明，采用CSRZ碼型，50 GHz間隔系統中40 Gbit/s信號的ONSR容限比100 GHz間隔系統中要高約2 dB；而且對OTU和濾波器件的波長穩定性提出了更嚴格的要求，中心波長偏移超過0.02 nm就會帶來約1 dB的濾波代價。
（3）4×10 Gbit/s反向復用技術
40 Gbit/s WDM傳輸系統在技術實現還是成本因素都存在較多的限制，而反向復用（IMUX）技術另辟捷徑，可以在10 Gbit/s WDM系統上實現40 Gbit/s信號的傳輸。
反向復用指的是在發送端將一路高速率信號解復用成為若干路低速率信號，經過低速率的傳輸系統的傳輸后，在接收端將多路低速率信號復用成一路高速率信號。這與常用的復用技術正好相反，所以稱為反向復用。低速IMUX技術的實現并不復雜，但是不能因此低估了高速IMUX技術的實現難度，實際上目前40 Gbit/s IMUX技術的實現難度甚至大于40 Gbit/s WDM技術。
40 Gbit/s IMUX技術的最大優點是不需要對現有10 Gbit/s WDM系統進行任何改造，即可實現對40 Gbit/s業務傳輸的支持?，F網中核心路由器之間一般直接通過WDM系統的波長信道相連接，在這種網絡架構下，40 Gbit/s IMUX可以如圖1所示在兩個位置實現：第一個位置是路由器接口，即路由器接口板對內（核心路由模塊）提供40 Gbit/s接口，對外提供4個10 Gbit/s接口，IMUX功能在路由器接口板上實現；第二個位置是WDM設備業務側接口，即OTU業務側提供一個40 Gbit/s接口完成與路由器40 Gbit/s接口的對接，波分側用4個10 Gbit/s接口進行傳輸，IMUX功能在WDM設備OTU板上實現。
4.1 方案比較
綜上所述，徹底解決40 Gbit/s信號的傳輸問題還有待時日，可能的解決方案發展路線如下所述：10/40 Gbit/s混傳技術可以在一些滿足使用條件的線路上首先得到應用，但是沒有規模效應。40 Gbit/s IMUX技術一旦成熟，可以基于現有10 Gbit/s WDM系統，提供限制條件更為寬松的40 Gbit/s信號傳輸解決方案。但是40 Gbit/s IMUX只是一種過渡技術，形成規模效應的40 Gbit/s WDM系統將是解決40 Gbit/s信號傳輸問題的最終解決方案。
5、總結
下一代網絡的顯著特征之一就是網絡的業務性，下一代光傳輸設備必須充分考慮到對未來網絡業務的支持；雖然2.5G和10G是目前網絡中最常用的接口，但隨著帶寬需求的進一步增加，40 Gbit/s技術將是下一代通信網最關鍵的技術，傳輸網向著40 Gbit/s邁進是網絡發展的必然趨勢[4]。盡管40 Gbit/s暫時面臨一系列技術上的困難，但目前這些困難都已經有了或即將有相應的解決方案，在不遠的將來，40 Gbit/s系統必將登上傳輸領域的舞臺，成為今后幾年骨干網和城域核心網中最重要的傳輸接口之一。
來源：泰爾網
新聞來源：訊石光通訊網
相關文章
-
暫無記錄！