40Gbit/s高速光傳輸技術的應用與挑戰(zhàn)

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

　　 1.1 40Gbit/s傳輸的業(yè)務背景

　　 40Gbit/s傳輸技術的出現(xiàn)和發(fā)展與以Internet為代表的電信網絡業(yè)務與技術的蓬勃發(fā)展是分不開的，特別是最近幾年Internet流量的爆炸性增長直接推動了40Gbit/s傳輸需求的出現(xiàn)和網絡應用。

　　 從運營商角度出發(fā)，建設40Gbit/s高速光傳輸系統(tǒng)的業(yè)務驅動力主要有兩個：一是骨干IP網絡核心路由器的高速互聯(lián)需求;二是某些大型金融機構、科研機構和政府部門用于其超級計算機或數據中心互聯(lián)的40Gbit/s高速電路租用需求。對于國內運營商來說，目前的需求均屬于第一種類型，第二種類型需求集中在北美、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)。

　　 中國電信的ChinaNet的規(guī)模和容量在全球骨干IP網絡中已達到數一數二的位置，中國聯(lián)通(原中國網通)的骨干IP網絡也位列全球超大型IP網絡之列，因此這兩家運營商在國內最早出現(xiàn)對40Gbit/s高速光傳輸技術的需求，也最早建設商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)。目前，40Gbit/s網絡建設集中在骨干網，未來還將向城域網延伸。

　 　1.2 40Gbit/s傳輸的技術路線

　 　雖然早期業(yè)界曾提出采用4個10Gbit/s波道傳輸40Gbit/s信號的反向復用(IMUX，Inverse Multiplexing)解決方案，華為、愛立信(前馬可尼)等廠商還推出了成熟的商用設備。但是隨著需求和技術的發(fā)展，最終人們還是選擇了單波道提速的路線，正如當年2.5Gbit/s WDM系統(tǒng)提速到10Gbit/s WDM系統(tǒng)一樣，40Gbit/s WDM傳輸技術成為40Gbit/s傳輸的主流解決方案。

　　 從10Gbit/s到40Gbit/s，信號速率提高了4倍，但是技術難度的增長卻遠遠不止4倍。40Gbit/s信號苛刻的傳輸性能要求使得沿用10Gbit/s傳輸技術完成40Gbit/s信號的長距離傳輸成為一項不可能完成的任務。我們假設都采用傳統(tǒng)的NRZ碼型：40Gbit/s信號的ONSR(光信噪比)要求比10Gbit/s信號高6dB，但是由于非線性效應的影響，入纖功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信號的OSNR受限距離大約只有10Gbit/s信號的1/6;更嚴重的，40Gbit/s信號的色度色散和偏振模色散(PMD)受限距離只有10Gbit/s信號的1/16。因此，40Gbit/s WDM傳輸需要一系列新技術來實現(xiàn)與10Gbit/s WDM傳輸大致相當的無電中繼傳輸距離。其中先進調制碼型是40Gbit/s WDM傳輸使能技術中最突出的代表，下面進行重點介紹。

　　 調制碼型是40Gbit/s WDM傳輸技術中最精彩的部分，也是最豐富的部分，目前已商用的碼型達到近10種。根據其技術特點，可以簡單歸成3類：

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

　 　(2)強度輔助的相位調制碼型：其特點是信號通過相位調制方式傳遞，使用差分或者相干等接收技術，具有較好的傳輸性能，同時引入NRZ，RZ等強度調制手段來達到改善傳輸性能、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)網應用較多的P-DPSK(部分差分相移鍵控碼)也是一種特殊的NRZ-DPSK碼，其特點是通過控制差分的幅度，抵消濾波效應帶來的影響，從而以較小的代價實現(xiàn)50GHz間隔傳輸。

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

　　 先進調制碼型在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是全方位的，例如：延長傳輸距離，目前40Gbit/s WDM系統(tǒng)無電中繼傳輸距離已經超過了1000km甚至1500km;滿足50GHz間隔傳輸，提高頻譜利用率;提高PMD容限，降低對光纜PMD性能的要求，擴大現(xiàn)網適用范圍。表1列舉了目前在國內傳輸設備市場較活躍的廠商40Gbit/s WDM傳輸設備采用的碼型技術特點和應用場景。

　 　表1 40Gbit/s WDM系統(tǒng)常用碼型比較表

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

　 　1.3 40Gbit/s傳輸設備的發(fā)展與應用

　　 在40Gbit/s應用方面，傳輸設備的滯后實際上成為前些年40Gbit/s無法廣泛應用的瓶頸因素。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傳輸設備的普及是在2007年以后。特別是到了2008年，主流傳輸設備廠商都已發(fā)布了40Gbit/s WDM傳輸設備，在國內較活躍的廠商有華為、烽火、中興、北電、上海貝爾、愛立信等。

　　 目前，主流廠商40Gbit/s WDM傳輸設備已經系列化，既有支持中短距離傳輸的ODB/PSBT等碼型，也有支持中長距離傳輸的DPSK碼型，甚至更復雜的DQPSK，DP-QPSK等碼型，設備的適用性得到了極大提高。主流電信運營商也已廣泛認可40Gbit/s WDM傳輸技術和設備的成熟性，按照業(yè)內知名咨詢公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行業(yè)報告中的統(tǒng)計，截至2008年，全球已經有超過30個運營商部署了40Gbit/s傳輸網絡，其中就包括中國電信和中國聯(lián)通(原中國網通)。在該報告中，Ovum公司認為40Gbit/s傳輸技術已經進入“普及應用階段(Generalized Deployment Phase)”，將迎來健康持續(xù)的發(fā)展期。

　　 中國電信是國內最早關注40Gbit/s傳輸的電信運營商。早在2004年，中國電信就開始了40Gbit/s傳輸技術研究工作，與國家科技部“八六三”計劃合作，于2005年建成“上海—杭州40Gbit/s WDM實驗傳輸系統(tǒng)”并運行至今，這是國內第一個，在國際上也屬于較早的40Gbit/s現(xiàn)網實驗傳輸系統(tǒng)。此后在多年持續(xù)跟蹤研究40Gbit/s傳輸技術與設備的基礎上，2008年中國電信建設了國內第一個商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)，即“上?！獰o錫80×40Gbit/s WDM系統(tǒng)”，同時于2008年下半年進行了多廠商參加的40Gbit/s WDM傳輸設備及系統(tǒng)驗證性測試，有力地推動了國內40Gbit/s傳輸產業(yè)的發(fā)展。從2009年開始，中國電信將根據其業(yè)務發(fā)展情況，按步驟推進骨干40Gbit/s傳輸網絡的規(guī)模部署，首批建設的40Gbit/s WDM傳輸網絡覆蓋了長三角、珠三角等業(yè)務發(fā)展良好、40Gbit/s應用需求迫切的地區(qū)。中國聯(lián)通(含原中國網通)也于2008年開始建設第一個商用40Gbit/s WDM傳輸網絡，覆蓋了華北地區(qū)的主要城市。

　　 隨著產業(yè)鏈日漸成熟，40Gbit/s傳輸相關技術標準工作也日趨完善。ITU-T，OIF和國內的CCSA都制定并發(fā)布了一系列技術標準，有效促進了40Gbit/s傳輸設備的現(xiàn)網應用。

　　 2 40Gbit/s高速光傳輸技術面臨的挑戰(zhàn)

　　 雖然40Gbit/s高速光傳輸技術已經步入了規(guī)模商用階段，但是為了應對復雜的現(xiàn)網應用環(huán)境和未來業(yè)務發(fā)展的進一步需求，40Gbit/s傳輸技術還面臨著一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)有技術領域的，例如現(xiàn)網光纖PMD對40Gbit/s傳輸的限制;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傳輸技術的發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)等。本章將對這些挑戰(zhàn)進行詳細分析，從中形成對40Gbit/s高速傳輸技術的未來發(fā)展方向和前景。