100G光纖傳輸關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

徐震

摘要:100G傳輸技術(shù)被公認(rèn)為是下一代骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù),近幾年來(lái)掀起世界范圍內(nèi)的研究、測(cè)試熱潮。但在正式商用化之前,還面臨著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn),其依然是一個(gè)正在發(fā)展中的技術(shù)。本文通過(guò)總結(jié)、分析,簡(jiǎn)要介紹了100G傳輸關(guān)鍵技術(shù)目前的發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞:100G碼型調(diào)制接口封裝映射光電器件

中圖分類號(hào):TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)04(c)-0035-02

近年來(lái),隨著固定寬帶和移動(dòng)寬帶的高速發(fā)展,人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越大,相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)的結(jié)果是:未來(lái)幾年我國(guó)干線網(wǎng)絡(luò)流量年增長(zhǎng)率將達(dá)到60%～70%,5年后干線網(wǎng)絡(luò)帶寬要求將是目前的10～15倍,骨干傳輸網(wǎng)總帶寬將從現(xiàn)在的64Tb/s增加到120～155Tb/s,甚至達(dá)到200Tb/s,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)正面臨著越來(lái)越大的帶寬壓力。為解決這一矛盾,同時(shí)也為兼顧經(jīng)濟(jì)性,網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)至40Gbps/100Gbps是最佳的方式。2008年,基于40Gbps速率的WDM系統(tǒng),已經(jīng)開(kāi)始規(guī)模化商用,由于發(fā)展迅速,40G容量已經(jīng)難以滿足需求,眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商紛紛將目光投向了100GbpsWDM系統(tǒng)。

1關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

100G傳輸需要解決四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),分別是:碼型調(diào)制技術(shù)、接口技術(shù)、封裝映射技術(shù)以及關(guān)鍵光電器件技術(shù)[1]。2010年6月17日,IEEE正式批準(zhǔn)了IEEE802.3ba40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),定義了物理編碼子層(PCS)、媒體介入控制層(MAC)、物理介質(zhì)介入子層(PMA)、物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD)、轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤糾正(FEC),各模塊及連接線口總線以及片間總線、片內(nèi)總線。其中40G主要面向數(shù)據(jù)中心,100G主要用于網(wǎng)絡(luò)匯聚和骨干網(wǎng)。與此同時(shí)多個(gè)光通信標(biāo)準(zhǔn)組織也在積極制定相關(guān)規(guī)范,目前除100GE接口技術(shù)、100GE封裝映射技術(shù)已經(jīng)由IEEE、ITU、OIF制定了相關(guān)規(guī)范,技術(shù)趨于成熟,其余部分還有待完善。

1.1 碼型調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前100G線路傳輸技術(shù)主要由兩種方案:多波束傳輸方案和單波束傳輸方案[2]。

多波束傳輸方案,是指將100G信號(hào)反向復(fù)用為多波長(zhǎng)的10Gbps/40GbpsOTU2/OTU3信號(hào)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn),無(wú)需對(duì)現(xiàn)存的10G/40GDWDM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改動(dòng)(碼型仍然使用ODB/DRZ/ERZ-DQPSK),且可以使用現(xiàn)有的光電器件傳輸,不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的10G/40G信號(hào)產(chǎn)生影響;但是在波長(zhǎng)利用率、波長(zhǎng)管理、波間時(shí)延方面還存在問(wèn)題,故此方案只用于過(guò)渡期,不能成為最終方案。

單波束傳輸方案可以使得業(yè)務(wù)和波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng),這樣可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。隨著各型器件的不斷發(fā)展以及運(yùn)營(yíng)商成本不斷降低,這一方案將會(huì)成為發(fā)展的主要方向,因此目前討論的100G傳輸多指100G單波束傳輸。

隨著100G信號(hào)傳輸時(shí)比特速率的增加和傳輸距離的延長(zhǎng),波分長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)面臨一系列物理限制因素的挑戰(zhàn),主要包括[3]以下幾點(diǎn)。

(1)OSNR要求增高。

(2)色散容限降低。

(3)非線性效益增強(qiáng)。

(4)PDM效益的增加等。

為避免這些物理效應(yīng)的危害,通常需要使用更加高級(jí)的碼型調(diào)制技術(shù),主要包括以下措施。

(1)采用相位調(diào)制格式。二進(jìn)制差分相位調(diào)制(DPSK)相較于二進(jìn)制啟閉鍵控(OOK)在OSNR方面需求可以降低3d,另外由于相移鍵控調(diào)制(PSK)是一種恒包絡(luò)調(diào)制,有利于降低比特圖形的非線性效應(yīng),因而在40G傳輸中廣泛使用PSK調(diào)制。

(2)采用多進(jìn)制調(diào)制。在40G傳輸中,使用正交四位調(diào)制(QPSK)可以滿足在40Gbps比特率不變的條件下將波特率降低,有效降低光譜帶寬,以支持50GHz間隔的WDM傳輸,此時(shí)PDM容量增加到6ps～8ps,這樣就滿足了長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枨蟆?/p>

(3)采用RZ技術(shù)。相較于NRZ-OOK技術(shù),RZ碼型可以降低系統(tǒng)的OSNR要求、增強(qiáng)了抵抗非線性效應(yīng)的能力、增強(qiáng)了抵抗PDM效應(yīng),另外,帶啁啾的RZ碼型可以補(bǔ)償非線性效應(yīng)產(chǎn)生的相位畸變,因此啁啾歸零碼差分正交四相位調(diào)制碼型(CRZ-DQPSK)成為了40G系統(tǒng)中最主要的碼型。

(4)采用偏振復(fù)用(PDM)方案。由于100G系統(tǒng)比特率至少高達(dá)112Gbps,若直接使用QPSK調(diào)制,對(duì)光電器件的工藝提出了很高的要求,而采用PDM方案,則可以利用光的兩個(gè)獨(dú)立偏振態(tài)各自承載56Gbps業(yè)務(wù)信息,系統(tǒng)的波特率將降低到28Gbps,這樣現(xiàn)有40G系統(tǒng)的光電器件就能用于100G系統(tǒng),有利于降低功耗和成本。

(5)采用光相干檢測(cè)接收和DSP技術(shù)。光相干檢測(cè)技術(shù)可探測(cè)并同時(shí)獲知光場(chǎng)的偏振、幅度和相位信息,在了解這些信息后,可以調(diào)用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的方法消除色散和PMD導(dǎo)致的畸變和干擾,以此恢復(fù)碼元信息的純凈度。

PDM-QPSK技術(shù)在成熟度和復(fù)雜度之間取得了最佳平衡,且可以很好的支持相干接收和DSP技術(shù),三者相互配合,已成為100G傳輸?shù)淖钪髁鞯呐渲梅桨浮?/p>

(6)采用FEC技術(shù)。在100G系統(tǒng)中,使用了第三代前向糾錯(cuò)技術(shù)(FEC),這一代FEC技術(shù)普遍采用低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)、Turbo乘積碼(TPC碼),可以提供11db的凈編碼增益,可以降低OSNR的要求。此技術(shù)在IEEE802.3ba40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中已做定義。

100G系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),需要將以上多種技術(shù)進(jìn)行融合,以能保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。其中涉及到的多種新型光/電器件,如高速成幀器、Mux/Demux、CDR、28Gbps高速雙偏振QPSK調(diào)制器、雙偏振相干接收裝置、56GS/s高速ADC以及DSP芯片/均衡算法、40nm工藝的ASIC等,這些都在被逐漸攻克,產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟。

1.2 接口技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在技術(shù)規(guī)范的制定過(guò)程中,幾個(gè)光通信標(biāo)準(zhǔn)組織側(cè)重點(diǎn)各不相同:IEEE主要制定客戶端的網(wǎng)絡(luò)接口和以太網(wǎng)相關(guān)映射標(biāo)準(zhǔn),包括10×10G、4×25G兩種接口;ITU-T主要制定運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)注,包括制定ODU4/OTU4的規(guī)范,以及40GE/100GE映射到OTN以及DWDM幀結(jié)構(gòu)的方式;OIF則主要制定電接口標(biāo)準(zhǔn)[4]。

物理接口的可靠性和監(jiān)控、保護(hù)是100GE接口技術(shù)主要解決的問(wèn)題。其關(guān)鍵技術(shù)主要包含物理層通道(PHY)匯聚技術(shù)、多光纖通道及波分復(fù)用(WDM)技術(shù)[5]。接口支持全雙工操作,保留了802.3MAC以太網(wǎng)幀格式,定義了多種物理介質(zhì)接口規(guī)范,具體如下[6]。

(1)100m并行多模光纖接口。

10×10GE短距離互聯(lián)MMFLAN接口,采用并行的10根光纖(10.3125Gbps/s通道)或者10個(gè)C/DWDM傳輸(40G使用4根光纖),使用輪詢機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)分配獲得100G/40G速率,但是相關(guān)器件存在著封裝密度大和功耗控制問(wèn)題需要解決。

(2)10km單模光纖接口。

4×25GE中短距離互聯(lián)SMFLAN接口,采用4波WDM方式在同一根光纖上傳輸。此接口設(shè)計(jì)的物理層技術(shù)與現(xiàn)有的器件和模塊不兼容,25Gbit/s串行并行轉(zhuǎn)換電路(SERDES)技術(shù)和非制冷激光器件的技術(shù)需要突破,另外還要開(kāi)發(fā)合適的編碼調(diào)制技術(shù)和封裝技術(shù)(由CFP多源協(xié)議(MSA)進(jìn)行規(guī)定)。

(3)10m銅線銅纜接口和1m系統(tǒng)背板連接接口。

此接口主要用于電接口的短距離互聯(lián)和內(nèi)部互聯(lián),其中1m背板連接接口目前在100GE系統(tǒng)上尚無(wú)定義。

(4)40km傳輸用接口。

銅纜介質(zhì)有關(guān)接口(MDI)采用SFF-8436和SFF-8462的標(biāo)準(zhǔn)定義。

標(biāo)準(zhǔn)明確定義了通過(guò)虛擬通道的方法解決適配不同物理通道或者光波長(zhǎng)的問(wèn)題,物理層編碼采用64B/66B。標(biāo)準(zhǔn)還定義了MAC、PHY間的片間總線使用XLAUI(40Gbit/s)、CAUI(100Gbit/s),片內(nèi)總線使用XLGMII(40Gbit/s)、CGMII(100Gbit/s)。

雖然標(biāo)準(zhǔn)給出了100Gbit/s接口的定義,但是目前還面臨很多問(wèn)題,上文中雖然已對(duì)其中的部分做了闡述,但接口對(duì)應(yīng)的相關(guān)芯片方面還存在以下問(wèn)題。

(1)雖然在MAC層沒(méi)有障礙,但是在專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)制造出來(lái)前,PMA業(yè)務(wù)接口、電接口規(guī)范要求的每個(gè)通道工作在10.3125Gbit/s的速率實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻有問(wèn)題,這是因?yàn)槟壳爸挥猩贁?shù)公司有實(shí)力可以使初期使用的基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)的MAC支持到10.3125Gbit/s。在之前的實(shí)驗(yàn)評(píng)估階段,是通過(guò)8/20個(gè)5.15625Gbit/s通道轉(zhuǎn)換到4/10個(gè)10.3125Gbit/s通道的過(guò)渡方法來(lái)解決的。

(2)接口配套的包處理器。

這方面目前還沒(méi)有一個(gè)通用的方案,尚處于評(píng)估階段。主要的問(wèn)題是面對(duì)串行高速總線接口高帶寬、接口轉(zhuǎn)換導(dǎo)致和多片的堆砌時(shí),單芯片面積和功耗都難以控制。

(3)分組交換系統(tǒng)(交換網(wǎng)和交換網(wǎng)接口芯片、流量管理芯片)。

新線卡背板接口帶寬最大200Gbit/s、背板SERDES總線速率需支持到10.3125Gbit/s,這對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、材料、總線長(zhǎng)度都有苛刻要求;此外還需要滿足虛擬隊(duì)列(VoQ)、層次化服務(wù)質(zhì)量(HQoS)等管理特性,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度又提高不少;還有一點(diǎn)就是大功率以及隨之帶來(lái)的高發(fā)熱量等等問(wèn)題。

以上這些問(wèn)題,都是在大規(guī)模的應(yīng)用之前,必須要著手解決的。

1.3 封裝映射技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

ITU-TQ11濟(jì)州島中間會(huì)議達(dá)成了40G/100G以太網(wǎng)接口的OUT映射定義:40GE映射到OPU3,傳輸編碼1024B/1027B;100GE映射到ODU4/OTU4,比特率為111.809973Gbit/s。對(duì)100Gbit/s以太網(wǎng)而言,虛擬級(jí)聯(lián)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)適配,但是效率不高,因此使用串行密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM),將10×10GE/4×25GE通過(guò)ODU4適配到111.809973Gbit/s的OTU4中,以提高效率。

傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)被認(rèn)為是點(diǎn)到點(diǎn)的技術(shù),在業(yè)務(wù)的調(diào)度與組網(wǎng)技術(shù)方面存在者不足。隨著上層IP業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,要求底層傳輸平臺(tái)更加靈活和智能,此時(shí)OTN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。OTN技術(shù)是在WDM和SDH/MSTP的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,既結(jié)合WDM大容量傳送的特性,又引入了SDH/MSTP的交叉概念,因此擁有類似于SDH/MSTP的完善的OAM能力:在光端OTN可以實(shí)現(xiàn)大顆粒的處理,在電層,OTN通過(guò)使用異步的映射和復(fù)用,把SDH/SONET的可運(yùn)營(yíng)、可管理能力應(yīng)用到了WDM系統(tǒng)中,形成了一個(gè)以大顆粒寬帶業(yè)務(wù)傳送為特性的大容量調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)。因此OTN成為了100G網(wǎng)絡(luò)中最有競(jìng)爭(zhēng)力的一種技術(shù)。

在適配到OTN時(shí),除了是可以映射到OTU4中,還可以反向復(fù)用到OTU2/3中,主要由ODU2e-10v反向復(fù)用和ODU2-11v/ODU3-3v反向復(fù)用兩種方案,采用GMP方法予以實(shí)現(xiàn)。這一方案在ITU-TQ11會(huì)議上已經(jīng)明確并使之標(biāo)準(zhǔn)化。

另外還有一種方案,是將100GE的高速串行信號(hào)反向復(fù)用為10G/25G的低速并行信號(hào)[7],通過(guò)Multi-linePCS層匯聚后再映射到OTN,或者比特透明獨(dú)立映射的方式實(shí)現(xiàn)。

1.4 關(guān)鍵光電器件的發(fā)展現(xiàn)狀

上文中已經(jīng)提到,100GE傳輸將采用高級(jí)碼型調(diào)制、偏振復(fù)用、光相干檢測(cè)接收/電處理、新一代前向糾錯(cuò)等新技術(shù),這些都需要高速光電器件才能實(shí)現(xiàn),預(yù)計(jì)今年這些器件將會(huì)走向成熟。

為保證高速率數(shù)字信號(hào)的順利傳輸,光模塊和高速DSP是重中之重,前者用于信號(hào)的調(diào)制,后者則對(duì)相干電接受至關(guān)重要,只有這樣,才能提高接收靈敏度、加大傳輸距離。

所幸現(xiàn)在各運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商都在積極投入其中,一系列更加強(qiáng)大的、新型的光電器件都已進(jìn)入開(kāi)發(fā)、測(cè)試階段,比如光子集成技術(shù)(PIC),就將傳統(tǒng)的光通信器件和子系統(tǒng)由分離的激光器、調(diào)制器、控制單元、濾波器和波導(dǎo)等集成在一塊基片上,從而減小了體積和復(fù)雜度。隨著研究的不斷深入,關(guān)鍵光電器件將不再成為瓶頸性的問(wèn)題,從而為大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)100G以太網(wǎng)創(chuàng)造了條件。

2結(jié)語(yǔ)

100Gbit/s以太網(wǎng)以其美好的應(yīng)用前景,正吸引著越來(lái)越多的人投身其中,雖然還有很多技術(shù)問(wèn)題尚待解決,但是隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷制定與完善、各大公司持續(xù)的研究投入下,在商用之路上已經(jīng)加速發(fā)展[8]。

在這個(gè)過(guò)程中,也有著巨大的機(jī)遇。十二五期間,我國(guó)提出了更高的寬帶戰(zhàn)略目標(biāo),可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)高速光纖將全面普及,在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷的情況下,這無(wú)疑是對(duì)通信產(chǎn)業(yè)注入了一針強(qiáng)心劑。雖然我國(guó)在100G技術(shù)上的起步較晚,但是并沒(méi)有落后于國(guó)際。自去年12月開(kāi)始,中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通三家運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)或者即將開(kāi)展測(cè)試,華為、中興、烽火等眾多設(shè)備制造商也已經(jīng)制造出相關(guān)設(shè)備參與其中[9]。

因此我們有理由相信,100G光纖傳輸?shù)拇笠?guī)模部署,將在近幾年實(shí)現(xiàn),讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張海懿.100G光傳送技術(shù)新進(jìn)展[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2011,9.

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