隨著互聯(lián)網(wǎng)骨干帶寬以每年約50％的速度增長，以及寬帶用戶(IPTV、視頻點播及3G業(yè)務等)和帶寬饑渴型應用的增加，為業(yè)務匯聚與核心網(wǎng)絡應用提供100GE已成為網(wǎng)絡運營商、大型互連網(wǎng)業(yè)務提供商的迫切需要。40G傳輸系統(tǒng)已不能滿足當前幾何式增長的帶寬需求，目前部分數(shù)據(jù)流量繁忙的骨干網(wǎng)上業(yè)已呈現(xiàn)出傳送帶寬緊缺的趨勢。100G傳輸技術成為眾望所歸的解決方案 ，正逐步規(guī)模商用。

　　波分系統(tǒng)從2.5G到10G，從10G到40G，一直面臨著一系列的物理限制。線路速率再次提升到100G，這些物理限制因素仍然存在，產(chǎn)生的傳輸損傷也更為嚴重。而100G技術的發(fā)展，主要是不斷地克服這些因素的影響。

　　一、100G傳輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

　　按照傳統(tǒng)波分系統(tǒng)的發(fā)展模式， 100G傳輸系統(tǒng)將面臨更高的系統(tǒng)OSNR、更高的色散容限和更強的非線性效應影響等諸多挑戰(zhàn)。

　　1、要求更高的系統(tǒng)OSNR

　　波分傳輸系統(tǒng)采用光放大器來克服光纖損耗，延長無電中繼傳輸距離，光放大器在對光信號進行功率放大的同時也引入了噪聲信號，另一方面，在波特率提升時，光接收機的帶寬也需要隨之而線性增加，而更寬的接收機帶寬將使得更高功率的噪聲進入接收機的判決電路，從而會造成誤碼率的增加，這樣就必須要求OSNR容限提升。

　　2、要求更高的色散容限

　　光信號在光纖中的色散效應來自調(diào)制光信號的光譜中的不同頻率成分在光纖中的傳輸速度不同，從而導致承載業(yè)務信號的一串光脈沖發(fā)生畸變，導致相鄰光脈沖之間的碼間干擾，從而產(chǎn)生誤碼。傳輸光信號的色散容限與光信號的光譜寬度成反比，同時和光信號的時域?qū)挾龋}沖周期）成正比。對于100G信號，由于其光信號的波特率提升，其光譜寬度會相應提升，其時域波形周期也會隨之降低，如果100G同樣采用傳統(tǒng)的OOK/ASK調(diào)制方法（二進制振幅鍵控），則其色散容限將非常小，現(xiàn)有的DCM補償方式已經(jīng)完全不能滿足要求。對于100G傳輸，色散容限問題已經(jīng)成為嚴重的問題，而傳統(tǒng)的光學色散補償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不能克服色散容限降低帶來的危害，必須采用更新的補償措施，才能使100G傳輸成為可能。

　　同色度色散（CD）一樣，偏振模色散（PMD）也同樣限制著高速波分系統(tǒng)的傳輸能力。偏振模色散（PMD）是指對相同頻率的光，只要其偏振模式不同，光纖也會導致其傳播速度不同，偏振模色散會導致光纖傳輸系統(tǒng)的碼間干擾（ISI），進而引起誤碼和系統(tǒng)代價。

　　如果100G同樣采用傳統(tǒng)的OOK/ASK調(diào)制方法（二進制振幅鍵控），其PMD容限不足1ps，無法達到工程預算要求。在100G傳輸系統(tǒng)中，PMD容限也被認為是一個非常嚴重的問題，常規(guī)的強度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）碼型調(diào)制及接收方式無法滿足系統(tǒng)設計要求，在技術上必須尋找新的解決方案。

　　3、光纖非線性效應增強

　　光纖非線性效應的強弱與入纖光功率、光信號的光譜寬度、調(diào)制碼型特性、光纖色散系數(shù)以及跨段數(shù)目均有關系，光信號的調(diào)制速率越高，對光纖非線性效應的忍耐程度越低。而一些特殊的碼型調(diào)制技術技術，如相位調(diào)制、RZ碼型調(diào)制等，有利于增強傳輸碼型對光纖非線性效應的抵抗能力。100G傳輸系統(tǒng)，如果要克服由于調(diào)制速率提升而帶來的更差的非線性忍耐度，就必須從調(diào)制技術上尋找新突破。

　　二、100G傳輸新技術的發(fā)展，有效克服長距離傳輸限制

　　為了應對以上各類挑戰(zhàn)，100G傳輸技術需要進行革新式的發(fā)展，如采用全新的編碼調(diào)制方式，相干接收技術、數(shù)字處理技術（DSP）和更強的FEC技術等，從而有效克服長距離傳輸?shù)南拗啤?/span>

　　1、采用偏振復用正交四進制相位調(diào)制（PDM QPSK），降低光信號的波特率

　　光信號的光譜帶寬是由波特率決定的，波特率越大，光信號的光譜就越寬，兩者之間呈現(xiàn)出線性關系。光信號的光譜不能大于WDM信道之間的頻率間隔，否則各個WDM信道的光譜會相互交疊，導致各個WDM信道所承載的業(yè)務碼流之間發(fā)生干擾，從而產(chǎn)生誤碼和系統(tǒng)代價。當波特率提高到100Gbaud/s時，普通調(diào)制碼型的光譜寬度已經(jīng)超過50GHz，更加無法實現(xiàn)50GHz間隔傳輸。

　　在100G系統(tǒng)中，為了能同樣達到50GHZ間隔傳輸，就必須采用偏振復用技術，使得一個光信道內(nèi)部存在多個二進制信道，在保持線路比特率不變的基礎上降低傳輸?shù)牟ㄌ芈省?/span>

　　100G PDM QPSK調(diào)制的本質(zhì)是通過在光場相位上選取4個可能的取值，使得在不降低線路速率的基礎上，將光信號的波特率降低一半。這種復用方式可以將光信號的光譜帶寬降低一半，同時又提出了“偏振復用（PDM）”的方案，將100G數(shù)據(jù)首先通過復用到光波長的兩個偏振態(tài)上，進一步將傳輸光信號的波特率再降低一半。

圖1. PDM QPSK調(diào)制模型

　　與傳統(tǒng)得二進制調(diào)制不同， PDM QPSK采用恒定幅度四級相位調(diào)制和正交偏振復用相結(jié)合的方式將傳輸符號的波特率降低為二進制調(diào)制的四分之一，即100G傳輸中，采用PDM QPSK技術之后，實際線路上的波特率仍然是25G速率。

　　偏振復用也有可能帶來一些問題，由于在兩個偏振上分別獨立加載了業(yè)務信息，在光纖傳輸過程中，不同偏振上的光信號會互相耦合，并在光纖PMD效應作用下產(chǎn)生誤碼。因此采用偏振復用，一個首先要克服的障礙是要在接收端進行偏振分離，并解決PMD代價的問題。這就需要通過相干接收和數(shù)字信號處理來實現(xiàn)的。

　　2、相干接收技術

　　相干接收技術主要解決了對光信號的電場的檢測問題。光信號對業(yè)務信息是以電場的形式承載的，在光信號的傳輸過程中，其電場特性會受到光纖色散、光纖PMD、光纖非線性效應以及濾波效應等因素的影響而趨于劣化。常規(guī)的直接檢測方式只能探測光信號電場的模平方包絡（即光強），因此無法分解出上述劣化效應的影響并給予消除。而相干接收技術可得到PDM-QPSK信號的所有信息，包括每個偏振方向上的電場的實部和虛部的強弱和相互的相位信息，為傳輸中各項劣化效應的分解和補償提供了可能。而ADC則在不損失信息的前提下將檢測出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并由DSP芯片完成時鐘恢復、載波恢復、色散補償、PMD補償?shù)汝P鍵處理。

　　3、數(shù)字處理技術（DSP）

　　PDM QPSK的調(diào)制方式主要是降低100G傳輸中光信號的波特率，降低100G傳輸碼型的譜寬，使之能實現(xiàn)50GHZ間隔傳輸，并部分解決了100G傳輸?shù)腛SNR要求過高問題，但100G系統(tǒng)的色散容限過小和PMD容限過小的問題依然存在，這對長距離100G傳輸尤其不利。

　　色散和PMD效應均是在光電場的相位或偏振上引入的線性調(diào)制或畸變，如果能探測出光信號的電場，則可以采用線性補償?shù)姆椒?，在光場上抵消色度色散和PMD效應，這就是光學DSP處理的核心。

　　在100G PDM QPSK傳輸中，主要就是利用光數(shù)字信號處理技術（DSP）在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復用和通道線性損傷（CD、PMD）補償，即通過數(shù)字化算法，在電域進行色度色散補償以及偏振態(tài)色散補償，以此減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴。

圖2 相干接收機與DSP結(jié)構圖

　　采用這種基于電域的DSP技術，在100G系統(tǒng)上可實現(xiàn)高達50000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限（最大值）。在做100G波分設計時，傳輸線路上將不再放置DCM模塊，PMD效應也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，使得100G系統(tǒng)具備長距離傳輸?shù)哪芰Α?/span>

　　4、100G 軟判決SD/硬判決HD技術

　　在100G相干電處理技術的產(chǎn)業(yè)化力量的驅(qū)使下，并借助高速IC技術的發(fā)展，目前引進了基于軟判決（SD）的第三代FEC編碼技術。軟硬判決的區(qū)別在于其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特數(shù)為1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特位對信號進行量化，采用“00”、“01”、”10“、”11“判決，通過Viterbi等估計算法提高判決的準確率，大大提升了100G系統(tǒng)的傳輸能力。100G系統(tǒng)中，硬判決和軟判決兩種技術各有各自的特點，適用于不用距離的不同應用場景。

　　三、100G波分系統(tǒng)組網(wǎng)應用思路

　　隨著100G時代即將到來，面對現(xiàn)網(wǎng)各類速率的業(yè)務情況，建設100G波分系統(tǒng)有兩種方式：一是新建純100G系統(tǒng)，采用支線路分離方式解決多業(yè)務傳送；二是將現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)平滑升級至100G波分系統(tǒng)。

　　1、新建純100G波分系統(tǒng)，與OTN電交叉相結(jié)合，采用支線路分離方式解決多業(yè)務傳送

　　考慮到100G新技術帶來的優(yōu)異的傳輸性能，純100G波分系統(tǒng)的設計變得相當“簡單”，色度色散和PMD限制幾乎可以不予考慮，系統(tǒng)的設計主要勞力OSNR的限制，這個有別于10G、40G波分系統(tǒng)設計時的線路色散補償。當光纜條件具備，且屬于長距離傳輸?shù)膱鼍?，在?00G業(yè)務的情況下，優(yōu)選新建純100G波分系統(tǒng)。可以通過OTN電交叉采用支線路分離方式解決10G、40G業(yè)務，實現(xiàn)多業(yè)務同平臺的高效傳送。

　　2、將現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)平滑升級至100G波分系統(tǒng)

　　當光纜纖芯緊張且現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)利用率不高時，可考慮將現(xiàn)有10G/40G波分系統(tǒng)平滑升級至100G波分系統(tǒng)，以解決新增的100G業(yè)務。100G和現(xiàn)網(wǎng)如何兼容混傳成為業(yè)界關注的焦點問題，需要考慮評估幾個主要影響因素，包括系統(tǒng)的OSNR容限、CD/PMD容限和非線性影響?；靷鲌鼍爸饕幸韵聝煞N：

　　第一，相干100G（PDM-QPSK）和非相干10G/40G既有系統(tǒng)混傳?，F(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)均采用線路的DCM模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的色度色散補償。實驗室測試表明，DCM模塊對相干的100G系統(tǒng)額外的OSNR上的代價很?。ú桓哂?.5dB），影響較小。只需系統(tǒng)OSNR參數(shù)能同時滿足100G和10G/40G的設計要求，即可實現(xiàn)兼容混傳。需要說明的是由于10G波分均采用OOK的調(diào)制方式，對采用PDM-QPSK編碼調(diào)制的100G系統(tǒng)混傳代價相對較大，10G和100G混傳時設置一定數(shù)量的隔離波道。

　　第二，相干100G和相干40G系統(tǒng)的混傳。對于40G相干系統(tǒng)，目前業(yè)界有兩種主流編碼技術，一種采用2相位調(diào)制PDM-BPSK，碼速率為21.5Gbps，入纖功率和100G相干接近，是最容易平滑混傳的解決方案；另一種40G相干采用4相位調(diào)制PDM-QPSK，碼速率為11.25Gbps，抗非線性較弱，入纖功率較低，和100G相干兼容混傳代價較大，在此場景下混傳時需要慎重設計，也需要設置一定數(shù)量的隔離波道。

　　作者：武清華，華信郵電咨詢設計研究院有限公司，綜合設計研究院副總工