基于反向復用技術的100G光傳輸的設計與實現

歐陽長冬，劉其超,史朝翔，常建新，高　猛

(1. 重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065；2.新普矽谷(北京)科技有限公司，北京 100085)

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基于反向復用技術的100G光傳輸的設計與實現

歐陽長冬1，劉其超1,史朝翔1，常建新2，高猛2

(1. 重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065；2.新普矽谷(北京)科技有限公司，北京 100085)

基于PDM-QPSK(偏振復用-正交相位調制)以及相干光加高速DSP技術的100G傳輸技術在骨干網的應用越來越成熟。然而，此100G傳輸方案價格依然昂貴，當采用100G應用于底層網絡，例如接入網以及數據中心交換機的互聯互通時，價格成本考量就顯得尤為突出。提出了一種新型的100G傳輸方案，以反向復用技術與多通道分發(MLD-MultiLaneDistribution)技術為基礎并實現了基于此方案的樣機設計，并且完成了48小時的160km的無誤碼傳輸測試。實驗證明，此方案基于傳統單模光纖的100G傳輸性能良好，且是真正實現了低成本的100G傳輸方案。

100GE；100GCFP；反向復用；多通道分發

隨著視頻業務、企業數據業務、大型數據中心和移動4G/5G互聯網的興起以及云計算等新興業務的迅猛發展，傳統電信傳輸網絡已顯露出很多不適應。新興業務對帶寬的需求量巨大，傳統以10G/40G為主的光傳輸網絡面臨著極大的挑戰。近年來，擁有100G端口的交換機、路由器已經初步進入數據網絡。為適應這一改變，作為支撐的光傳輸網也即將開始進入100G的傳輸時代。經過多年的發展，100G技術已日漸成熟。以PDM-QPSK(偏振復用-正交相移鍵控)調制方式，相干接收技術為基礎的100G傳輸系統已成為業界的標準，目前此方案的成本依然非常昂貴，相對應的設備也是體積龐大，耗電量驚人，對網絡維護成本要求也極高，這些只能是把100G傳輸應用局限在骨干、核心網。這里認為100G傳輸技術下一個階段的發展將在底層網絡的應用，例如城域網、接入網和數據中心的互聯互通。而基于傳統的PDM-QPSK調制方式和復雜的高速DSP算法的100G傳輸方案由于其昂貴的價格和較高的芯片技術要求，使其無法應用于對成本要求非常敏感的低端網絡應用需求。因此，在城域網、接入網以及大型數據中心互聯互通應用領域的100G傳輸，如何在性能和成本上尋找一個平衡成為一個迫切需要解決的問題。

1　100G傳輸發展研究及系統特點

目前，在100GE長途骨干網傳輸領域，多數學者將主要研究點放在了基于新型調制方式，例如PDM-QPSK調制，以及相干接收和DSP(數字信號處理)算法為基礎的傳輸方案。這種方案采用單波長傳輸100G信號，波長利用率較高。在配以WDM(波分復用)系統，傳輸帶寬將大大增加。其中，PDM-QPSK通過采用2個偏振態來傳輸bit信息，能將通道速率降低50%，同時，由于每個偏振態可以使用4個(差分)相位來表示bit信息，又可以實現通道速率降低50%，因此，對于112Gbit/s的比特速率而言，經PDM4-QPSK編碼后，比特速率可以降至28Gbit/s，這樣的信號帶寬使得100Gbit/s可用于50GHz間隔DWDM系統。相干檢測方式基本的原理為用1個本地載波與同頻的載波信號進行相干混頻。相干解調可比非相干獲得更高的接收機靈敏度，同樣也可獲得更好的OSNR(光信噪比)靈敏度[1]。由于100G系統性能要求高，單靠光層技術還不能完全滿足要求，因此需要電層方面的信號處理來進一步改善系統性能，這就是高速數字信號處理技術。高速DSP集成芯片的研發成為100G系統商用的關鍵因素之一[2]。在接收端，通過采用相干接收以及高速DSP算法，去除色散、噪聲、非線性效應帶來的不利因素，還原出原來的100GE信號。另一方面，隨著100G傳輸在骨干網及核心網的高速發展，價格更加敏感的城域網、接入網以及大型數據中心的交換機、路由器也正在逐步向100GE和100GOTN接口升級，而骨干網中的PDM-QPSK調制方式和快速DSP算法的100G傳輸方案由于價格昂貴、體積龐大、耗電量高，無法滿足100G傳輸在這些低端領域的應用。因此，實現低成本的100G傳輸就尤其顯得更加具有現實意義。

本文提出了一種新型的基于反向復用技術(Inverse-Multiplexing)和多通道分發技術(Multiplex-LanesDistribution)的低成本100G傳輸方案。此方案沒有采用相干接收方式和復雜的高速DSP算法，與傳統的基于PDM-QPSK和DSP算法的方案相比，可節約至少50%的成本代價，滿足了人們對降低100G傳輸成本的迫切要求。另一方面，小型化低功耗也是一個訴求，研究開發的設備機箱尺寸為標準電信級1RU(1.75in高，19in寬)，且是世界上目前已知的尺寸和功耗最小的100G傳輸設備(100W)。此100G方案適用于點到點的傳輸，例如數據中心路由器、交換機的100G接口互連互通，或者一個簡單的點到點企業網或者接入網網絡應用。此方案可以無中繼傳輸100GE或100GOTN至少80km。該設備自帶光放大器和色散補償器，通過可插拔EDFA(摻鉺光纖放大器)和DCM(色散補償)(基于FBG技術)模塊，傳輸距離可進一步提高，可以達到至少160km。本研究開發的另一個最大亮點是在同樣的硬件平臺上，用戶可以將用戶側的100GCFP光模塊，通過熱插拔的方式換成40GCFP光模塊，再加上一些必要的軟件配置，可以向下兼容40G光信號的長距離傳輸。這個獨到的特性是由于在設計中采用了多通道分發(Multiplex-LaneDistribution)技術，而40G傳輸只是占用了100G傳輸中10個通道中的4個從而實現兼用的目的。這是目前已知唯一的用戶可以按照不同速率業務要求實現彈性配置，實現100G或40G傳輸需求的平臺設備，可以滿足城域網和數據中心對不同速率接口傳輸的要求。

2　基于反向復用技術的100G傳輸

2.1系統概述

如圖1是基于反向復用技術的100G傳輸方案的系統框圖。客戶側采用標準的100G信號模塊(CFP光模塊)，支持符合100BASE-SR10 (10×10G,MF,100m)和100BASE-LR4 (4×25G,1 310nm, 800GHz,10km)標準的100G信號。IEEE802.3ba標準定義了100G以太網傳輸的信號處理方式與線纜類型，其中，物理層被進一步劃分為PCS(物理編碼子層)、PMA(物理介質連接子層)和PMD(物理介質相關子層)。在物理層劃分20路虛通道，虛通道概念是反向復用技術的基礎。采用MLD(多通道分發)機制處理高速的40G/100G數據流可以大大降低對硬件時鐘頻率的要求，便于適配PMD層到光纖介質多通道的連接[6]。CFP光模塊對接收到的4路25Gbit/s的信號進行光電轉換，轉化成4路25Gbit/s電信號，再在PMA物理子層進行4∶10的通道轉換，轉化成符合CAUI接口的10路10.312 5Gbit/s的電信號，再送入主板ASIC進行處理。為了獲得更好的傳輸性能和一些必要的網絡管理功能，采用10路OTN芯片，將10路CAUI信號分別采用比特透明傳輸的方式，映射進OTN幀中，再加上FEC(前向糾錯編碼)，就可成為10路獨立的OTU1e/OTU2e數據格式的OTN幀。通過OTN幀格式中的GCC通道，可以實現帶內OSC功能。經過OTN的數字封裝處理后，10路信號由10路DWDM的SFP+光模塊進行電光轉換之后進行長距離傳輸。在發送端，10路光信號被MUX復用進一根光纖中進行傳輸，接收端采用DEMUX將接收到的信號進行解復用處理。100G傳輸設備樣機如圖2所示。

圖1　100G傳輸設計框圖

圖2　100G傳輸設備樣機

2.2調制碼型分析

在10G光通信系統中，信號調制方式一般采用NRZ(非歸零碼)，IM-DD(強度調制-直接檢測)。本系統設計主要面向城域網領域，系統客戶側采用NRZ(非歸零碼)碼，同時線路側的采用SFP+光模塊，線路側調制碼型同樣選用NRZ碼。NRZ碼型在10G或40G系統中得到廣泛應用，其技術水平，芯片技術已經基本成熟。文獻[7]指出，非歸零碼(NRZ)相對于歸零碼(RZ)能夠較好地解決功率受限問題,因為激光器的發光功率是有一定限度的，NRZ編碼100%的占空比能夠使系統獲得最大的發射功率。該調制碼型具有以下特點：應用簡單、成本低、頻譜效率高，由于NRZ碼頻譜比較窄，有利于降低WDM系統中相鄰信道的干擾[7]，由于采用強度調制，調制方式較為簡單，易于實現，且解調方式較為簡單，只需要一個簡單的光電檢測器就可以將需要的信號解調出來，是目前光纖通信中應用較為廣泛的一種調制碼型。因此與PDM-QPSK調制方式相比，成本大大降低，易于實現。采用QPSK調制方式的100G信號與現有強度調制的10G、40G信號混合傳輸會產生嚴重的XPM/XpolM效應[8]。因此，采用10路SFP+光模塊的NRZ調制方式，可以實現與現網10GNRZ信號的混合傳輸而較少地產生傳輸損傷，避免NRZ碼與PDM-QPSK碼混合傳輸產生的非線性效應對QPSK碼的影響，這對與現網10G系統混合傳輸具有重要意義。

2.3虛通道時延處理

根據IEEE802.3ba標準，整個通信鏈路中的通道時延應控制在180ns以內。PCS子層采用虛通道概念，將經過64B/66B編碼過的碼塊分發到20路虛通道上。在光纖連接的光通道中會產生通道時延，在PCS子層采用對齊碼塊來處理通道時延。在CFP光模塊中，一般采用FIFOs(先進先出)緩存處理，來降低傳輸過程中的時鐘抖動，使各虛通道時延控制在70ns以內。

3　系統性能分析及結果

圖3、圖4和圖5分別展示了三種不同的傳輸性能測試方案。在光纖通信系統中，接收靈敏度和色散代價是評價系統性能的重要指標。圖3采用了20dB的固定衰減器衰減模擬光纖損耗，在接收端采用可調衰減器控制接收功率大小，并由此得到BER(誤碼率)曲線，如圖6所示。

其中，接收功率為10路通道的總功率。由圖知，在誤碼率在10-12量級處10路光纖通道總的接收靈敏度為-17.8dBm左右。圖4采用80km單模光纖代替固定衰減器。經過80km的傳輸，總接收靈敏度有所增加，如圖7所示。這是由于光纖的色散會降低系統傳輸性能。因此，80km傳輸的色散代價為2～2.5dB左右。

圖3　20 dB衰減點到點環回傳輸

圖4　80 km單模光纖無誤碼傳輸

圖5　160 km單模光纖無誤碼傳輸

圖6　20 dB衰減的接收靈敏度

圖7　加80 km光纖的long-haul側接收靈敏度

在實際應用中，傳輸距離可能會大于80km。圖5是160km的100G傳輸測試。其中，系統采用前置放大器(Pre-EDFA)、功率放大器(BoostEDFA)和色散補償模塊(DCM)來增大傳輸距離。可根據傳輸距離，靈活配置EDFA的增益大小。采用安立公司的100G測試儀(MD1260A)，經過24小時的100GE流量傳輸測試，實現24小時無誤碼傳輸，如圖8所示。在通信鏈路中，要合理控制各虛通道間的時延，使其在合理范圍內。本設計CFP模塊中采用了FIFOs緩存處理時鐘抖動，使20路虛通道時延控制在70ns之內，如圖9所示。

圖8　100G測試儀(MD1260A)無誤碼傳輸測試(截圖)

圖9　各虛通道的skew測試(截圖)

4　結論

本文提出了一種基于反向復用技術(Inverse-Multiplexing)和多通道分發(MLDMultiplex-LanesDistribution))技術的100G低成本的傳輸方案。此方案樣機已經進行了160km單模光纖24小時無誤碼傳輸測試，實現了24小時的無誤碼傳輸。此設備大小只有1RU，且功率只有100W左右，是目前已知世界上尺寸和功耗最小的100G傳輸設備。此方案與傳統PDM-QPSK方案相比,具有至少50%的成本優勢，在現階段實現城域網低成本、低功耗100G傳輸具有非常現實有效的意義。此外，本研究開發的另一個亮點是在同樣的硬件平臺上，用戶可以依照不同要求實現不同速率100G或40G光信號的彈性配置以及長距離的傳輸需求。

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歐陽長冬(1990— )，碩士生，主研100G光纖通信；

劉其超(1990— )，女，碩士生，主研光纖通信；

史朝翔(1964— )，教授，主研光纖通信。

責任編輯：薛京

Implementationanddesignof100Gopticaltransmissionsystembasedoninverse-multiplexingtechnology

OUYANGChangdong1,LIUQichao1,SHIChaoxiang1，CHANGJianxin2，GAOMeng2

(1.School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065,China；2. CNMP Networks, INC Beijing, Beijing 100085，China)

ThecoherentPMQPSK100Gtechnologyisgettingmaturedandrapidlydeployedintelecombackbonenetwork.However,thecoherentandhighspeedDSPbased100Gtechnologyisstilltoomuchexpensive,especially,when100Ggoestoaccessnetworkanddatacenterswitchinter-connectionapplications.Anew100Gtechnologywhichisbasedoninverse-multiplexingtechnologyandMLD(Multiplex-laneDistribution)mechanismisproposed.Wehaveprototypedthisideaintoalowcostandreal100Gsystem,andsuccessfullycompletederrorfreetransmissionover48hoursthroughtheconventional160kmSMfiberusingastandard100GbEsignal.

100GE;100GCFP;inverse-multiplexing;MLD

TN915

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.022

2015-12-10

文獻引用格式：歐陽長冬，劉其超，史朝翔，等.基于反向復用技術的100G光傳輸的設計與實現[J].電視技術，2016，40(7)：99-103.

YANGY，LIJX.Implementationanddesignof100Gopticaltransmissionsystembasedoninverse-multiplexingtechnology[J].Videoengineering，2016，40(7)：99-103.