40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

　 1 、40Gbit/s高速光傳輸的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

　　 1.1 40Gbit/s傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)背景

　　 40Gbit/s傳輸技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與以Internet為代表的電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展是分不開(kāi)的，特別是最近幾年Internet流量的爆炸性增長(zhǎng)直接推動(dòng)了40Gbit/s傳輸需求的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

　　 從運(yùn)營(yíng)商角度出發(fā)，建設(shè)40Gbit/s高速光傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)力主要有兩個(gè)：一是骨干IP網(wǎng)絡(luò)核心路由器的高速互聯(lián)需求;二是某些大型金融機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)和政府部門(mén)用于其超級(jí)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的40Gbit/s高速電路租用需求。對(duì)于國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，目前的需求均屬于第一種類(lèi)型，第二種類(lèi)型需求集中在北美、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。

　　 中國(guó)電信的ChinaNet的規(guī)模和容量在全球骨干IP網(wǎng)絡(luò)中已達(dá)到數(shù)一數(shù)二的位置，中國(guó)聯(lián)通(原中國(guó)網(wǎng)通)的骨干IP網(wǎng)絡(luò)也位列全球超大型IP網(wǎng)絡(luò)之列，因此這兩家運(yùn)營(yíng)商在國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)對(duì)40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的需求，也最早建設(shè)商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)。目前，40Gbit/s網(wǎng)絡(luò)建設(shè)集中在骨干網(wǎng)，未來(lái)還將向城域網(wǎng)延伸。

　 　1.2 40Gbit/s傳輸?shù)募夹g(shù)路線(xiàn)

　 　雖然早期業(yè)界曾提出采用4個(gè)10Gbit/s波道傳輸40Gbit/s信號(hào)的反向復(fù)用(IMUX，Inverse Multiplexing)解決方案，華為、愛(ài)立信(前馬可尼)等廠商還推出了成熟的商用設(shè)備。但是隨著需求和技術(shù)的發(fā)展，最終人們還是選擇了單波道提速的路線(xiàn)，正如當(dāng)年2.5Gbit/s WDM系統(tǒng)提速到10Gbit/s WDM系統(tǒng)一樣，40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)成為40Gbit/s傳輸?shù)闹髁鹘鉀Q方案。

　　 從10Gbit/s到40Gbit/s，信號(hào)速率提高了4倍，但是技術(shù)難度的增長(zhǎng)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止4倍。40Gbit/s信號(hào)苛刻的傳輸性能要求使得沿用10Gbit/s傳輸技術(shù)完成40Gbit/s信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸成為一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。我們假設(shè)都采用傳統(tǒng)的NRZ碼型：40Gbit/s信號(hào)的ONSR(光信噪比)要求比10Gbit/s信號(hào)高6dB，但是由于非線(xiàn)性效應(yīng)的影響，入纖功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信號(hào)的OSNR受限距離大約只有10Gbit/s信號(hào)的1/6;更嚴(yán)重的，40Gbit/s信號(hào)的色度色散和偏振模色散(PMD)受限距離只有10Gbit/s信號(hào)的1/16。因此，40Gbit/s WDM傳輸需要一系列新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與10Gbit/s WDM傳輸大致相當(dāng)?shù)臒o(wú)電中繼傳輸距離。其中先進(jìn)調(diào)制碼型是40Gbit/s WDM傳輸使能技術(shù)中最突出的代表，下面進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　 調(diào)制碼型是40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)中最精彩的部分，也是最豐富的部分，目前已商用的碼型達(dá)到近10種。根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單歸成3類(lèi)：

　 　(1)相位輔助的強(qiáng)度調(diào)制碼型：其特點(diǎn)是信號(hào)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制方式傳遞，使用普通的直接檢測(cè)技術(shù)，但是引入特定的相位調(diào)整手段來(lái)改善傳輸性能;代表性碼型包括CSRZ(載波抑制歸零碼)、DRZ(差分歸零碼)和ODB/PSBT(光雙二進(jìn)制碼/相位整型二進(jìn)制傳輸碼)。

　 　(2)強(qiáng)度輔助的相位調(diào)制碼型：其特點(diǎn)是信號(hào)通過(guò)相位調(diào)制方式傳遞，使用差分或者相干等接收技術(shù)，具有較好的傳輸性能，同時(shí)引入NRZ，RZ等強(qiáng)度調(diào)制手段來(lái)達(dá)到改善傳輸性能、使用50GHz間隔等目的;代表性碼型包括RZ-DPSK(歸零-差分相移鍵控碼)，NRZ-DPSK(非歸零-差分相移鍵控碼)和RZ-DQPSK(歸零-差分四相相移鍵控碼)，目前在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用較多的P-DPSK(部分差分相移鍵控碼)也是一種特殊的NRZ-DPSK碼，其特點(diǎn)是通過(guò)控制差分的幅度，抵消濾波效應(yīng)帶來(lái)的影響，從而以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)50GHz間隔傳輸。

　　 (3)偏振復(fù)用調(diào)制碼型：其特點(diǎn)是利用相互正交的兩個(gè)偏振態(tài)來(lái)傳遞不同的信息，提高系統(tǒng)頻譜使用率，降低單信道的信號(hào)速率，每個(gè)偏振信道的調(diào)制方式可以是上述調(diào)制碼型的任意一種;目前在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)商用的偏振復(fù)用調(diào)制碼型只有北電的DP-QPSK(雙極性四相相移鍵控碼)。

　　 先進(jìn)調(diào)制碼型在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是全方位的，例如：延長(zhǎng)傳輸距離，目前40Gbit/s WDM系統(tǒng)無(wú)電中繼傳輸距離已經(jīng)超過(guò)了1000km甚至1500km;滿(mǎn)足50GHz間隔傳輸，提高頻譜利用率;提高PMD容限，降低對(duì)光纜PMD性能的要求，擴(kuò)大現(xiàn)網(wǎng)適用范圍。表1列舉了目前在國(guó)內(nèi)傳輸設(shè)備市場(chǎng)較活躍的廠商40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備采用的碼型技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

　 　表1 40Gbit/s WDM系統(tǒng)常用碼型比較表

　 　除了調(diào)制碼型以外，可調(diào)色散補(bǔ)償技術(shù)(用于彌補(bǔ)40Gbit/s信號(hào)色散容限過(guò)低的限制)、高速芯片技術(shù)(40Gbit/s FEC，F(xiàn)ramer，SerDes等核心芯片)、高速調(diào)制/解調(diào)技術(shù)等也是40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的重要使能技術(shù)。

　 　1.3 40Gbit/s傳輸設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用

　　 在40Gbit/s應(yīng)用方面，傳輸設(shè)備的滯后實(shí)際上成為前些年40Gbit/s無(wú)法廣泛應(yīng)用的瓶頸因素。Cisco，Juniper等主流路由器廠商早在2006年就推出了商用40Gbit/s POS板卡，但是40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備的普及是在2007年以后。特別是到了2008年，主流傳輸設(shè)備廠商都已發(fā)布了40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備，在國(guó)內(nèi)較活躍的廠商有華為、烽火、中興、北電、上海貝爾、愛(ài)立信等。

　　 目前，主流廠商40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備已經(jīng)系列化，既有支持中短距離傳輸?shù)腛DB/PSBT等碼型，也有支持中長(zhǎng)距離傳輸?shù)腄PSK碼型，甚至更復(fù)雜的DQPSK，DP-QPSK等碼型，設(shè)備的適用性得到了極大提高。主流電信運(yùn)營(yíng)商也已廣泛認(rèn)可40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)和設(shè)備的成熟性，按照業(yè)內(nèi)知名咨詢(xún)公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行業(yè)報(bào)告中的統(tǒng)計(jì)，截至2008年，全球已經(jīng)有超過(guò)30個(gè)運(yùn)營(yíng)商部署了40Gbit/s傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中就包括中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通(原中國(guó)網(wǎng)通)。在該報(bào)告中，Ovum公司認(rèn)為40Gbit/s傳輸技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入“普及應(yīng)用階段(Generalized Deployment Phase)”，將迎來(lái)健康持續(xù)的發(fā)展期。

　　 中國(guó)電信是國(guó)內(nèi)最早關(guān)注40Gbit/s傳輸?shù)碾娦胚\(yùn)營(yíng)商。早在2004年，中國(guó)電信就開(kāi)始了40Gbit/s傳輸技術(shù)研究工作，與國(guó)家科技部“八六三”計(jì)劃合作，于2005年建成“上?！贾?0Gbit/s WDM實(shí)驗(yàn)傳輸系統(tǒng)”并運(yùn)行至今，這是國(guó)內(nèi)第一個(gè)，在國(guó)際上也屬于較早的40Gbit/s現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)傳輸系統(tǒng)。此后在多年持續(xù)跟蹤研究40Gbit/s傳輸技術(shù)與設(shè)備的基礎(chǔ)上，2008年中國(guó)電信建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)，即“上海—無(wú)錫80×40Gbit/s WDM系統(tǒng)”，同時(shí)于2008年下半年進(jìn)行了多廠商參加的40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備及系統(tǒng)驗(yàn)證性測(cè)試，有力地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)40Gbit/s傳輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從2009年開(kāi)始，中國(guó)電信將根據(jù)其業(yè)務(wù)發(fā)展情況，按步驟推進(jìn)骨干40Gbit/s傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，首批建設(shè)的40Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋了長(zhǎng)三角、珠三角等業(yè)務(wù)發(fā)展良好、40Gbit/s應(yīng)用需求迫切的地區(qū)。中國(guó)聯(lián)通(含原中國(guó)網(wǎng)通)也于2008年開(kāi)始建設(shè)第一個(gè)商用40Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了華北地區(qū)的主要城市。

　　 隨著產(chǎn)業(yè)鏈日漸成熟，40Gbit/s傳輸相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作也日趨完善。ITU-T，OIF和國(guó)內(nèi)的CCSA都制定并發(fā)布了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有效促進(jìn)了40Gbit/s傳輸設(shè)備的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用。

　　 2 40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

　　 雖然40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)已經(jīng)步入了規(guī)模商用階段，但是為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境和未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展的進(jìn)一步需求，40Gbit/s傳輸技術(shù)還面臨著一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)有技術(shù)領(lǐng)域的，例如現(xiàn)網(wǎng)光纖PMD對(duì)40Gbit/s傳輸?shù)南拗?也有成本方面的，例如持續(xù)降低40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的成本，實(shí)現(xiàn)單比特×公里傳輸成本低于10Gbit/s WDM系統(tǒng);還有下一代100Gbit/s傳輸技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)等。本章將對(duì)這些挑戰(zhàn)進(jìn)行詳細(xì)分析，從中形成對(duì)40Gbit/s高速傳輸技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向和前景。