近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用種類、網(wǎng)絡(luò)帶寬等都呈現(xiàn)出爆炸式的增長，對(duì)社會(huì)和人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用的點(diǎn)到點(diǎn)技術(shù)、在線視頻、社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互連的發(fā)展正在不斷吞噬網(wǎng)絡(luò)帶寬。同時(shí)，隨著云計(jì)算時(shí)代的來臨，以超級(jí)數(shù)據(jù)中心為核心的云網(wǎng)絡(luò)，對(duì)帶寬的需求也十分迫切。

　　IEEE 802.3在 2011年3月成立了帶寬評(píng)估工作組通過詳實(shí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求和端口速率趨勢(shì)分析，探索Beyond 100G時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)交換中心、高性能計(jì)算(HPC)設(shè)備中心和數(shù)據(jù)中心及新興業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)展趨勢(shì)（見圖1）。評(píng)估結(jié)果表明預(yù)計(jì)到2015/2016年，網(wǎng)絡(luò)流量將增加10倍，到2020年網(wǎng)絡(luò)流量將增加100倍。

　　圖1  帶寬/容量需求增長

　　IEEE報(bào)告也預(yù)計(jì)2013/2015年路由器線卡容量需求將分別達(dá)到400Gb/s和1Tb/s（見圖2）， 從而對(duì)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)提出400G乃至Tbit/s速率需求。

　　圖2  Tbit以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

　　IEEE 802.3因此成立高速以太網(wǎng)工作組（Industry Connection Consensus Group），引領(lǐng)業(yè)界對(duì)超100G速率（400G/1T）的討論并制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃。2012年9月，IEEE在日內(nèi)瓦舉行全體成員會(huì)議，在包括華為在內(nèi)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合推動(dòng)下，IEEE成員單位在達(dá)成共識(shí)選擇400G速率開發(fā)下一代高速以太網(wǎng)。在2013年3月，IEEE美國會(huì)議正式開啟了400GE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。當(dāng)前華為，ALU，Ciena等光傳輸主流設(shè)備供應(yīng)商都已經(jīng)展開了400G光傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)，預(yù)期在2015年400G系統(tǒng)將會(huì)實(shí)現(xiàn)初步的商用部署。但正如前文中對(duì)流量增長的描述，400G速率仍然不能滿足帶寬的持續(xù)增長需求，在400GE之后，以太網(wǎng)速率會(huì)進(jìn)一步演進(jìn)到Tbit/s量級(jí)是業(yè)界的共識(shí)，但具體是1TE、1.6TE、4TE目前還沒有定論。綜合來看，400GE之后最有可能的是1.6TE（低于4倍遞增缺乏競爭力，10倍遞增技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在巨大難度，4倍可能是最佳的選擇）。考慮OTN以及FEC開銷之后，波分側(cè)的線路速率將達(dá)到2T。

　　400G/2T光傳輸技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn)

　　WDM(Wavelength Division Multiplexing)光傳輸系統(tǒng)的核心價(jià)值是以盡量低的成本提供盡量大的帶寬。頻譜效率(spectral efficiency)是衡量光纖傳輸容量的參數(shù)，其定義為傳輸?shù)挠行П忍芈屎驼紦?jù)光譜帶寬的比值. 10G和40G WDM的SE分別是0.2和0.8，單光纖總?cè)萘糠謩e是800G和3.2T； 100G WDM系統(tǒng)提供了8T (C band SE=2)的傳輸容量，目前已有商用部署；400G WDM系統(tǒng)能提供16T到20T(C band SE=4~5)的傳輸容量，預(yù)期在2015年開始有商用部署；對(duì)2T WDM系統(tǒng)，需要提供約30T~40T(C band SE=8)的傳輸容量，并盡可能實(shí)現(xiàn)1000km的無電中繼傳輸距離，以最大程度降低系統(tǒng)傳輸成本。但是當(dāng)前光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量已經(jīng)逼近信道的香農(nóng)極限，如圖3所示：

　　圖3  光傳輸系統(tǒng)的香農(nóng)極限（OSNR： optical signal noise radio）

　　香農(nóng)理論決定系統(tǒng)的頻譜效率越高(容量越大)，信號(hào)無誤碼傳輸?shù)男枰墓庑旁氡萇SNR就越高，過高的OSNR需求會(huì)導(dǎo)致光傳輸距離的急劇減少。而且在WDM系統(tǒng)中，還有光纖信道特有的非線性效應(yīng)，非線性效應(yīng)通過對(duì)信號(hào)功率的限制進(jìn)而限制了OSNR，進(jìn)一步壓縮了提升頻譜效率的技術(shù)空間。針對(duì)400G/2T速率，如何實(shí)現(xiàn)高頻譜效率(大容量)和長距離兼得的傳輸系統(tǒng)，并維持低成本的趨勢(shì)，是未來光傳輸系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。

　　400G技術(shù)方案

　　綜合考慮系統(tǒng)容量、傳輸距離、系統(tǒng)成本和平滑演進(jìn)等關(guān)鍵因素，400G線路傳輸可行的候選技術(shù)方案有：

　　四光子載波方案，基于PDM-QPSK 或 PDM-eOFDM(QPSK)方式；

　　雙光子載波方案，基于PDM-QPSK/16QAM 或 PDM- eOFDM (QPSK/16QAM)方式；

　　單光載波方案，基于PDM-16/32/64QAM 或 PDM-eOFDM(16/32/64QAM)方式；

　　無論是單光載波方案還是電域多子載波的eOFDM (electronical Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 方案，從光電模塊硬件實(shí)現(xiàn)方式上兩者沒有區(qū)別，都是使用偏振復(fù)用PDM (Polarization Division Multiplexing)和IQ調(diào)制，調(diào)制格式都采用QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)和QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。下面介紹一下三個(gè)技術(shù)方案：

　　四光子載波的PDM-QPSK或PDM-eOFDM(QPSK)方式：

　　圖4  4SC-PDM-QPSK 或 4sc-PDM-eOFDM(QPSK)方案

　　如圖4所示，本方案采用四光子載波方案，每個(gè)子載波都采用QPSK或eOFDM(QPSK)調(diào)制。該方案和現(xiàn)有的100G技術(shù)方案類似。四個(gè)光載波間隔可為37.5GHz，總共占據(jù)150GHz光譜譜寬，無法兼容現(xiàn)有的50GHz grid系統(tǒng)而需要flex grid；使用多光子載波和flex grid的(4x100G)優(yōu)點(diǎn)在于能接近現(xiàn)有100G的傳輸距離，并通過頻譜間隔壓縮的方法獲得一定的容量增加，按照ITU最新定義的12.5GHz顆粒grid標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)C波段能實(shí)現(xiàn)約33％的容量提升。

　　雙光子載波的PDM-QPSK/16QAM或PDM-eOFDM(QPSK/16QAM)方式：

　　圖5  2SC-PDM-QPSK/16QAM 或 2SC-PDM-eOFDM(QPSK/16QAM)方案

　　如圖5所示，本方案采用雙光子載波方案，每個(gè)子載波都可采用PDM-QPSK/16QAM或PDM-eOFDM(QPSK/16QAM)調(diào)制格式。由于只需要兩套光電器件。

　　對(duì)QPSK格式，考慮FEC開銷電符號(hào)速率約60Gbaud，至少占用75GHz的光譜寬度，需要超過100G采樣速率的ADC/DAC器件，系統(tǒng)容量和傳輸距離接近4光子載波的PDM-QPSK，方案可行性依賴光電器件的帶寬進(jìn)度；

　　對(duì)16QAM調(diào)制格式，可保持現(xiàn)有的光電器件帶寬不變而直接提升速率，因此該方案的所需的光電器件與100G的器件要求基本相似。由于高階調(diào)制方式的星座點(diǎn)更加密集，需要系統(tǒng)對(duì)相位噪聲有較強(qiáng)的容限，因此需要采用更復(fù)雜的相噪補(bǔ)償技術(shù)。同時(shí)為了延長傳輸距離，需要維持較高的入纖功率才能保證系統(tǒng)OSNR。而系統(tǒng)的最佳入纖功率受限于光纖非線性，所以非線性補(bǔ)償技術(shù)對(duì)400G傳輸系統(tǒng)意義重大。16QAM方案相對(duì)現(xiàn)有100G波分系統(tǒng)容量提升一倍，但是OSNR需求相對(duì)100G系統(tǒng)高6.7dB，因此要實(shí)現(xiàn)16QAM的長距離傳輸需要使用新型低噪聲光放大器或新型的低損耗光纖。

　　單載波PDM-16/32/64QAM 或PDM-eOFDM(16/32/64QAM)：

　　圖6  1SC-PDM-16/32/64QAM 或 1SC-PDM-eOFDM(16/32/64QAM)方案

　　如圖6所示，本方案采用波分系統(tǒng)傳統(tǒng)的單光載波技術(shù)方案，可在50GHz/100GHz間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)400G信號(hào)傳輸，最大程度的兼容的現(xiàn)有波分系統(tǒng)規(guī)格。為實(shí)現(xiàn)單光載波的400G速率傳輸，調(diào)制格式可以選取從16QAM到64QAM的不同階數(shù)；對(duì)16QAM調(diào)制，需要能支撐60Gbaud速率的光電器件，ADC/DAC的采樣率將超過100G sample/s，光譜寬度約100GHz；對(duì)32QAM或64QAM調(diào)制格式，光電器件需要支撐40Gbaud電信號(hào)傳輸；ADC/DAC采樣速率約為80G sample/s， 光譜寬度滿足50GHz；基于前述參數(shù)可知該方案對(duì)激光器線寬，ADC/ DAC的采樣速率，有效量化分辨率(ENOB)，DSP/FEC的規(guī)模和功耗都提出了更高的要求；由于過于密集的星座圖導(dǎo)致OSNR需求急劇增加和非線性性能的急劇劣化，傳輸距離相對(duì)雙載波16QAM方案會(huì)進(jìn)一步縮短，對(duì)應(yīng)的好處是可基于單光載波實(shí)現(xiàn)50GHz/100GHz間隔的400G系統(tǒng)，容量相對(duì)當(dāng)前100G提升2到4倍；考慮到未來光傳輸系統(tǒng)可能采用新型低損耗、低非線性光纖和新型低噪聲的光放大器，這樣的單載波方案仍可以實(shí)現(xiàn)1000km的傳輸距離。

　　2T技術(shù)方案

　　由于400G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SE=4的頻譜效率，未來的2T系統(tǒng)至少需要頻譜效率增加一倍到SE=8，才能滿足日益正常的容量需求， 但是譜效率的增加又意味著傳輸距離的進(jìn)一步減少，在需要長距離傳輸?shù)膱鼍埃瑸闇p少中繼成本，2T系統(tǒng)需要根據(jù)傳輸距離調(diào)整頻譜效率。對(duì)長距離需求，可以通過配置低階調(diào)制格式，實(shí)現(xiàn)低SE傳輸，對(duì)短距離系統(tǒng)，可以通過配置高階調(diào)制格式，實(shí)現(xiàn)高SE傳輸。因此2T系統(tǒng)需要具備Flex Transceiver 功能，即自適應(yīng)的配置頻譜效率以適配傳輸網(wǎng)絡(luò)不同的距離需求。對(duì)2T光傳輸，只能使用多個(gè)子載波的聚合的模式(carrier aggregation)，無法再兼容50GHz和100GHz固定間隔DWDM系統(tǒng)，因此需要Flex ROADM技術(shù)；此外，對(duì)于高頻譜效率的2T系統(tǒng)，由于采用高階調(diào)制格式，導(dǎo)致傳輸距離嚴(yán)重受限，需要采用新型光放大器和新型光纖才能實(shí)現(xiàn)上千公里的無電中繼傳輸距離。這些都是2T波分系統(tǒng)要面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　Flex Transceiver

　　Flex Transceive可以通過在發(fā)射端和接收端的DSP處理，用一套硬件、軟件控制提供多種編碼調(diào)制/FEC模式，實(shí)現(xiàn)頻譜效率和傳輸距離的靈活適配，應(yīng)用于多種場景。

　　為實(shí)現(xiàn)高頻譜效率，可以考慮時(shí)域hybrid 32/64QAM結(jié)合電域Nyqusit shaping的調(diào)制方式，也可以考慮頻域hybrid 32/64QAM結(jié)合電域OFDM復(fù)用的調(diào)制方式。為實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，可以考慮時(shí)域hybrid QPSK/8QAM結(jié)合電域Nyqusit shaping的調(diào)制方式，也可以考慮頻域hybrid QPSK/8QAM結(jié)合電域OFDM復(fù)用的調(diào)制方式。

　　Flex Transceiver的靈活特性可以通過控制子載波數(shù)目、子載波波特率、子載波的調(diào)制格式和oDSP功能模塊/FEC類型與開銷等實(shí)現(xiàn)；可基于e-OFDM、e-Nyquist WDM等載波復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波數(shù)目的按需配置；可基于時(shí)鐘自適應(yīng)的ADC/DAC時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)從低到高的多個(gè)符號(hào)速率調(diào)整；可基于動(dòng)態(tài)星座圖映射和多電平IQ調(diào)制實(shí)現(xiàn)xPSK和xQAM多種調(diào)制格式的任意組合及切換；Flex Transceiver的發(fā)射端DSP可進(jìn)行信道預(yù)失真、調(diào)制器帶寬預(yù)補(bǔ)償、光纖非線性預(yù)補(bǔ)償以及光譜預(yù)整形的綜合處理來提升光系統(tǒng)的傳輸性能；接收端DSP可以在電域補(bǔ)償光纖線路中的色散、WSS光濾波損傷、非線性損傷，快速進(jìn)行偏振跟蹤與偏振態(tài)延時(shí)補(bǔ)償、激光器頻差補(bǔ)償和載波相位恢復(fù)等。同時(shí)基于自適應(yīng)FEC來實(shí)現(xiàn)硬判決、軟判決、軟&硬混合判決譯碼、實(shí)現(xiàn)從低到高FEC開銷的自動(dòng)配置與前后級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需求和功耗需求配置FEC譯碼參數(shù)。Flex Transceiver還具備ASIC芯片的動(dòng)態(tài)功耗管理功能，在滿足網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)際需求的情況下，可基于網(wǎng)絡(luò)鏈路的實(shí)際需求打開或者關(guān)閉功能模塊，并配置算法參數(shù)，以此調(diào)整芯片運(yùn)行功耗，最大程度減少能耗需求，實(shí)現(xiàn)綠色網(wǎng)絡(luò)。

　　Flex ROADM

　　在傳統(tǒng)DWDM技術(shù)中，各種分合波器件如Mux、Demux、WSS、ROADM等都是基于固定的帶寬柵格（Grid）定義，如50GHz/100GHz；而在Flex Terabits光網(wǎng)絡(luò)中，為了支持新型超高速數(shù)據(jù)傳輸并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，系統(tǒng)根據(jù)各信號(hào)需要的頻譜分配不同的帶寬（如37.5GHZ、50GHZ、75GHZ、100GHZ、125GHZ等），并以一個(gè)較為精細(xì)的步長（如12.5GHZ、6.25GHZ等）進(jìn)行間隔調(diào)整。因此，在Flex Terabits光網(wǎng)絡(luò)中，所有的分合波器件與模塊（含WSS、ROADM）需要能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配，其分配的帶寬不再根據(jù)現(xiàn)有的ITU-T DWDM標(biāo)準(zhǔn)中定義的固定柵格，而是根據(jù)動(dòng)態(tài)帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髞碚{(diào)整和分配。

　　新型光放大器與新型光纖

　　超100G高速光傳輸系統(tǒng)主要受功率/損耗和OSNR限制，考慮到長距離傳輸需求，先進(jìn)的二階、三階拉曼放大器，以及新型光纖等成為業(yè)界的關(guān)注點(diǎn)。

　　相比傳統(tǒng)商用的摻鉺光纖放大器（EDFA），拉曼光放大器（Raman OA）和相位敏感型放大器 （PSA）具有更低的噪聲指數(shù)，是未來通信系統(tǒng)中低噪聲放大的重要光放技術(shù)。PSA的小信號(hào)增益大，噪聲小，并可以實(shí)現(xiàn)相位再生，這些特性使得PSA對(duì)于未來的1T+系統(tǒng)較有吸引力。但是PSA的應(yīng)用仍然面臨很多困難，比如偏振敏感、多波長工作困難，帶寬受限，伴隨四波混頻等問題。相比PSA，Raman OA技術(shù)則成熟很多，并已經(jīng)在商用DWDM系統(tǒng)中使用。而現(xiàn)階段分布式Raman OA和EDFA相結(jié)合的Hybrid光放大器正受到業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注，它具有比Raman OA更高的增益，比EDFA更低的噪聲指數(shù)，結(jié)合二者各自的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又平衡了相應(yīng)的缺點(diǎn)。

　　但是，目前商用的拉曼放大器在增益、安全、OAM、成本等方面，仍然不如EDFA，因此研究開發(fā)滿足Tbit/s量級(jí)傳輸?shù)男滦透咴鲆?、低成本、安全的高階拉曼放大器勢(shì)在必行。

　　現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)大多基于G.652/655 單模光纖，為了適應(yīng)諸如Terabit高速傳輸系統(tǒng)，研究者正致力開發(fā)具有大有效面積/低非線性、低損耗、擴(kuò)展傳輸窗口等特性的新型光纖，以改進(jìn)非線性容限并降低損耗，這樣可以提高系統(tǒng)的入纖功率，繼而延長傳輸距離。舉例而言，基于低折射率包層摻雜或光子晶體結(jié)構(gòu)的純硅纖芯光纖（PSCF），相比單模光纖具有更低的傳輸損耗，實(shí)驗(yàn)證明抗非線性性能也優(yōu)異。除了折射率引導(dǎo)光纖之外，還有空芯光子帶隙光纖、多模多核光纖等也是業(yè)界目前研究的熱點(diǎn)，目前還在學(xué)術(shù)研究階段。

作者：張紅（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司）