40Gbit/s高速光传输技术的应用与挑战

40gbit/s高速光传输技术的应用与挑战
　1 40gbit/s高速光传输的技术发展与应用现状
1.1 40gbit/s传输的业务背景
40gbit/s传输技术的出现和发展与以internet为代表的电信网络业务与技术的蓬勃发展是分不开的，特别是最近几年internet流量的爆炸性增长直接推动了40gbit/s传输需求的出现和网络应用。
从运营商角度出发，建设40gbit/s高速光传输系统的业务驱动力主要有两个：一是骨干ip网络核心路由器的高速互联需求；二是某些大型金融机构、科研机构和政府部门用于其超级计算机或数据中心互联的40gbit/s高速电路租用需求。对于国内运营商来说，目前的需求均属于第一种类型，第二种类型需求集中在北美、欧洲等发达国家和地区。
中国电信的chinanet的规模和容量在全球骨干ip网络中已达到数一数二的位置，中国联通（原中国网通）的骨干ip网络也位列全球超大型ip网络之列，因此这两家运营商在国内最早出现对40gbit/s高速光传输技术的需求，也最早建设商用40gbit/s wdm传输系统。目前，40gbit/s网络建设集中在骨干网，未来还将向城域网延伸。
1.2 40gbit/s传输的技术路线
虽然早期业界曾提出采用4个10gbit/s波道传输40gbit/s信号的反向复用（imux，inverse multiplexing）解决方案，华为、爱立信（前马可尼）等厂商还推出了成熟的商用设备。但是随着需求和技术的发展，最终人们还是选择了单波道提速的路线，正如当年2.5gbit/s wdm系统提速到10gbit/s wdm系统一样，40gbit/s wdm传输技术成为40gbit/s传输的主流解决方案。
从10gbit/s到40gbit/s，信号速率提高了4倍，但是技术难度的增长却远远不止4倍。40gbit/s信号苛刻的传输性能要求使得沿用 10gbit/s传输技术完成40gbit/s信号的长距离传输成为一项不可能完成的任务。我们假设都采用传统的nrz码型：40gbit/s信号的 onsr（光信噪比）要求比10gbit/s信号高6db，但是由于非线性效应的影响，入纤功率又要低1～2db，因此40gbit/s信号的osnr受限距离大约只有10gbit/s信号的1/6；更严重的，40gbit/s信号的色度色散和偏振模色散（pmd）受限距离只有10gbit/s信号的1 /16。因此，40gbit/s wdm传输需要一系列新技术来实现与10gbit/s wdm传输大致相当的无电中继传输距离。其中先进调制码型是40gbit/s wdm传输使能技术中最突出的代表，下面进行重点介绍。
调制码型是40gbit/s wdm传输技术中最精彩的部分，也是最丰富的部分，目前已商用的码型达到近10种。根据其技术特点，可以简单归成3类：
（1）相位辅助的强度调制码型：其特点是信号通过强度调制方式传递，使用普通的直接检测技术，但是引入特定的相位调整手段来改善传输性能；代表性码型包括csrz（载波抑制归零码）、drz（差分归零码）和odb/psbt（光双二进制码/相位整型二进制传输码）。
（2）强度辅助的相位调制码型：其特点是信号通过相位调制方式传递，使用差分或者相干等接收技术，具有较好的传输性能，同时引入nrz，rz等强度调制手段来达到改善传输性能、使用50ghz间隔等目的；代表性码型包括rz-dpsk（归零-差分相移键控码），nrz-dpsk（非归零-差分相移键控码）和rz-dqpsk（归零-差分四相相移键控码），目前在现网应用较多的p-dpsk（部分差分相移键控码）也是一种特殊的nrz-dpsk码，其特点是通过控制差分的幅度，抵消滤波效应带来的影响，从而以较小的代价实现50ghz间隔传输。
（3）偏振复用调制码型：其特点是利用相互正交的两个偏振态来传递不同的信息，提高系统频谱使用率，降低单信道的信号速率，每个偏振信道的调制方式可以是上述调制码型的任意一种；目前在40gbit/s wdm传输系统中实现商用的偏振复用调制码型只有北电的dp-qpsk（双极性四相相移键控码）。
先进调制码型在40gbit/s wdm传输系统中发挥的作用是全方位的，例如：延长传输距离，目前40gbit/s wdm系统无电中继传输距离已经超过了1000km甚至1500km；满足50ghz间隔传输，提高频谱利用率；提高pmd容限，降低对光缆pmd性能的要求，扩大现网适用范围。表1列举了目前在国内传输设备市场较活跃的厂商40gbit/s wdm传输设备采用的码型技术特点和应用场景。
表1 40gbit/s wdm系统常用码型比较表
除了调制码型以外，可调色散补偿技术（用于弥补40gbit/s信号色散容限过低的限制）、高速芯片技术（40gbit/s fec，framer，serdes等核心芯片）、高速调制/解调技术等也是40gbit/s wdm传输系统的重要使能技术。
1.3 40gbit/s传输设备的发展与应用
在40gbit/s应用方面，传输设备的滞后实际上成为前些年40gbit/s无法广泛应用的瓶颈因素。cisco，juniper等主流路由器厂商早在2006年就推出了商用40gbit/s pos板卡，但是40gbit/s wdm传输设备的普及是在2007年以后。特别是到了2008年，主流传输设备厂商都已发布了40gbit/s wdm传输设备，在国内较活跃的厂商有华为、烽火、中兴、北电、上海贝尔、爱立信等。
目前，主流厂商40gbit/s wdm传输设备已经系列化，既有支持中短距离传输的odb/psbt等码型，也有支持中长距离传输的dpsk码型，甚至更复杂的dqpsk，dp-qpsk等码型，设备的适用性得到了极大提高。主流电信运营商也已广泛认可40gbit/s wdm传输技术和设备的成熟性，按照业内知名咨询公司ovum在2008年11月下旬最新出版的行业报告中的统计，截至2008年，全球已经有超过30个运营商部署了40gbit/s传输网络，其中就包括中国电信和中国联通（原中国网通）。在该报告中，ovum公司认为40gbit/s传输技术已经进入 “普及应用阶段（generalized deployment phase）”，将迎来健康持续的发展期。
中国电信是国内最早关注40gbit/s传输的电信运营商。早在2004年，中国电信就开始了40gbit/s传输技术研究工作，与国家科技部“八六三”计划合作，于2005年建成“上海—杭州40gbit/s wdm实验传输系统”并运行至今，这是国内第一个，在国际上也属于较早的40gbit/s现网实验传输系统。此后在多年持续跟踪研究40gbit/s传输技术与设备的基础上，2008年中国电信建设了国内第一个商用40gbit/s wdm传输系统，即“上海—无锡80×40gbit/s wdm系统”，同时于2008年下半年进行了多厂商参加的40gbit/s wdm传输设备及系统验证性测试，有力地推动了国内40gbit/s传输产业的发展。从2009年开始，中国电信将根据其业务发展情况，按步骤推进骨干40gbit/s传输网络的规模部署，首批建设的40gbit/s wdm传输网络覆盖了长三角、珠三角等业务发展良好、40gbit/s应用需求迫切的地区。中国联通（含原中国网通）也于2008年开始建设第一个商用 40gbit/s wdm传输网络，覆盖了华北地区的主要城市。
随着产业链日渐成熟，40gbit/s传输相关技术标准工作也日趋完善。itu-t，oif和国内的ccsa都制定并发布了一系列技术标准，有效促进了40gbit/s传输设备的现网应用。
2 40gbit/s高速光传输技术面临的挑战
虽然40gbit/s高速光传输技术已经步入了规模商用阶段，但是为了应对复杂的现网应用环境和未来业务发展的进一步需求，40gbit/s传输技术还面临着一些挑战。这些挑战有技术领域的，例如现网光纤pmd对40gbit/s传输的限制；也有成本方面的，例如持续降低40gbit/s wdm传输系统的成本，实现单比特×公里传输成本低于10gbit/s wdm系统；还有下一代100gbit/s传输技术的发展带来的挑战等。本章将对这些挑战进行详细分析，从中形成对40gbit/s高速传输技术的未来发展方向和前景。
2.1 适应于大pmd光纤的40gbit/s传输技术
对于osnr，色散等40gbit/s传输限制因素的相继解决，pmd成为目前影响40gbit/s wdm系统无电中继传输距离的主要限制因素。普通40gbit/s信号的pmd容限只有大约2～2.5ps，即使不考虑系统其它光学元器件带来的pmd，也只能在 pmd系数优于0.1ps/sqrt(km)的光纤中才具有实用价值，在pmd系数优于0.05ps/sqrt(km)的条件下才能发挥长距离传输的优势。这对现网40gbit/s wdm系统建设的光纤选型要求是非常苛刻的，未来40gbit/s wdm传输系统面临的最大技术挑战就是如何适用于大pmd光纤。
在提高40gbit/s wdm系统pmd首限传输距离方面，业界已经进行了很多努力，提出了各种各样的解决方案，这些方案可以归纳为以下3种：
（1）pmd补偿方式：其思路是沿用色散补偿的思路，通过一定技术手段跟踪线路pmd的变化并通过引入相反的偏振时延的方式实现pmd补偿；这种方式的思路简单明了，但是由于pmd的动态特性，pmd补偿技术的实现难度远远大于色散补偿技术，目前仅仅在一阶pmd补偿方案取得了一定进展，一些厂商号称推出了商用模块，但是尚无规模商用部署的报道，而且由于原理性缺陷，目前高阶pmd的补偿机理尚无突破；因此，pmd补偿方式目前看来并不成功。
2）先进调制码型提高信号pmd容限：其思路是通过复杂的调制码型，在保证40gbit/s信号比特率不变的情况下降低信号波特率，从而提高信号自身的pmd容限，目前最常见的具备提高pmd容限功能的调制码型主要有rz-dqpsk和dp-qpsk两种，其中前者仅仅依靠调制码型，而后者还涉及到第3种方式（电域均衡方式）；目前，通过rz-dqpsk码型来提高40gbit/s信号pmd容限是最广为应用的方式，可以将pmd容限从其它码型的 2~2.5ps提升到6～8ps，效果非常明显。
（3）基于相干接收的电域均衡技术：其原理是利用相干接收后电信号保留的光域相位信息，分离pmd导致的信号畸变，采用特殊电域均衡算法（硬件上通过高速adc和dsp实现）纠正信号畸变，从而实现消除pmd影响的目的；北电在业界最早推出了商用的解决方案，其dp-qpsk码型40gbit/s信号的平均pmd容限可以达到25ps，甚至超过了10gbit/s信号的水平。
上述3种方式的技术复杂度和使用范围都有一定的区别，笔者认为：
●pmd补偿技术由于存在原理性限制，不太可能成为一种规模商用方案。
●dqpsk是近期需要重点关注的一种高pmd容限调制码型，它以适中的复杂度实现了6～8ps的平均pmd容限，将40gbit/s wdm系统对光纤pmd系数要求降低到优于0.2ps/sqrt(km)，国内运营商的光缆网络建设时间较晚，大多数地区都能找到满足该要求的光纤光缆。
●基于相干接收的电域均衡方案具有更好的性能，可以说是pmd限制的终极解决方案，笔者认为该方案是100gbit/s wdm传输的解决方案，但是对于40gbit/s wdm系统来说，还需要根据今后其发展情况和与现行方案的性价比关系来判断。
2.2 持续降低成本的需求
目前，40gbit/s wdm传输系统单位比特×公里的传输成本依旧高于10gbit/s wdm系统，主要有3个原因：第一，40gbit/s wdm传输技术自身复杂度较高，研发成本的分摊较多，元器件的成本也较高；第二，40gbit/s wdm系统的设备出货量还远远小于10gbit/s wdm系统，无法形成较大的规模效应来有效降低成本；第三，40gbit/s wdm系统的无电中继传输距离不如10gbit/s wdm系统，尤其在一些骨干网超长距离应用场景中，更多的oeo再生势必提高40gbit/s wdm传输系统的建设成本。
因此，持续降低40gbit/s wdm系统的成本也应该从上述几个方面入手。首先，运营商需要根据业务需求适度超前建设40gbit/s wdm系统，只有较大的设备采购量才能形成规模效应，降低单位比特×公里建设成本。其次，40gbit/s wdm传输系统的技术和性能还需要进一步提高，特别是在无电中继再生距离方面，需要达到甚至超过10gbit/s wdm系统的水平；上节分析的pmd受限问题也是部分场景40gbit/s wdm系统成本高的重要原因，pmd问题的有效解决也有助于降低40gbit/s wdm系统的成本。
总之，40gbit/s传输系统在成本方面的挑战是实现低于10gbit/s wdm系统。随着技术进步节约的oeo再生成本和设备出货量增大带来的规模效应，乐观估计，未来两年左右，40gbit/s wdm系统的单位比特×公里传输成本接近甚至低于10gbit/s wdm系统。
2.3 100gbit/s传输技术发展的挑战
虽然40gbit/s相对于10gbit/s已经是一个飞跃，但是40gbit/s远不是高速传输速率的终点。事实上，由100ge（100gbit/s以太网）技术标准和接口带动的100gbit/s高速传输技术已经得到了业界的广泛关注，成为高速光传输领域新的热点。
在标准领域，itu-t，ieee和 oif分别在100g otu3，100ge和100g dwdm 3个领域积极推进相关技术标准的制定工作，预计在2010年底，3个组织的主要技术标准都将完成制定。在设备研发及应用领域，领先的设备厂商都启动了 100gbit/s wdm传输技术的研究工作，部分厂商发布了样机并与一些运营商合作（集中在欧洲和北美）进行了多次100gbit/s传输的演示。因此，100gbit /s传输技术的发展是迅猛的，业界也出现了一种论点，即40gbit/s只是过渡技术，100gbit/s才是下一代高速网络的标准速率，网络速率的提高可以跨越40gbit/s，从10gbit/s直接达到100gbit/s。
支持上述观点的一个佐证就是ethernet的发展路线，毫无疑问未来wdm传输系统的主要业务就是各种速率ethernet接口的互联互通。从 10m ethernet到100ge，ieee一直以10倍为单位提高这ethernet的速率，10倍整数才是ethernet的主流，40gbit/s只是作为10gbit/s与100gbit/s之间过渡技术存在。
根据对路由器40gbit/s 接口应用需求，wdm传输的技术特点，目前100gbit/s设备发展现状以及成本因素的分析，笔者的观点是：由于100gbit/s的迅猛发展，40gbit/s wdm传输的市场窗口将会受到一定影响，但是无法跨越，未来4~5年内高速网络建设依旧以40gbit/s为主，以后才会逐渐向100gbit/s演进。理由如下：
（1）从技术角度：目前100gbit/s传输技术尚处于实验室阶段，其成熟程度仅仅相当于2005年前后的40gbit/s传输技术；如果没有100gbit/s传输的支持，100ge接口即使出现，也只能用于同机房设备的互通，无法应用于骨干网络。
（2）从产业链角度：100gbit/s传输上下游产业链尚未形成，存在诸如核心芯片、测试仪表等诸多短板，没有产业链的支撑很难形成成熟的100gbit/s传输市场。
（3）从预计市场规模角度：越高速率的传输技术，可预期的应用场景越有限，100ge业务的传输手段相对丰富，特别是未来wdm传输技术与otn调度技术相结合，40gbit/s甚至10gbit/s线路速率都可以有效支持100ge业务接口，因此100gbit/s传输的整体市场规模存在不确定因素。
（4）从性价比角度：40gbit/s传输已经实现了一定的规模应用，将为其带来明显的成本优势，在未来若干年内，100gbit/s传输的性价比尚难以超越40gbit/s传输。
3 高速光传输技术展望
就在笔者撰写本文的时候，听闻喜讯：被称为“光纤之父”的英籍华人科学家高锟（charles c. kao）博士被宣布授予2009年诺贝尔物理学奖，高锟成为三位获奖者之一并获得二分之一的奖金。这对于光通信行业内的每个人来说，都是一个振奋人心的好消息，光纤通信在信息化过程中的贡献是有目共睹的，这种成就完全有资格写入人类发展史。诺贝尔奖只是对历史的回顾和肯定，作者也希望高博士的获奖能够成为一个象征，光通信技术和产业都能在未来得到更广大的发展。
无论在哪个阶段，高速大容量wdm传输都是光通信技术中最具代表性的一种，从2.5gbit/s到10gbit/s再到现在的40gbit/s，单波速率已经提高了16倍；从最初的8×2.5gbit/s到现在的80×40gbit/s，系统容量提高了160倍；100gbit/s wdm传输技术也已经走向前台，成为下一代高速光传输技术的代表。
随着业务需求和相关技术的发展，我们有足够的理由相信，高速光传输技术还有广阔的发展空间：一方面要继续提高单波速率和系统容量；另一方面需要进一步降低成本，提高性价比，扩展适用范围。总之，高速光传输技术存在和发展的惟一价值就是更好地满足人们的信息通信需求。