1 概述

 

　　隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng),、新型互聯(lián)網(wǎng)等未來寬帶傳送需求的強力驅(qū)動,，100Gb/s已經(jīng)逐漸從幕后的技術(shù)研究走向了商用前臺，尤其是最近兩年國內(nèi)發(fā)展更為迅速,。從2011年年底開始,，中國電信、中國移動,、中國聯(lián)通三大運營商依次開展并整體上完成了100Gb/s技術(shù)首次實驗室規(guī)模測試驗證,，其間華為、中興,、烽火,、上海貝爾、諾西等公司參與了100Gb/s傳輸設(shè)備的測試,，Cisco,、Juniper、華為,、上海貝爾等參與了路由器設(shè)備的測試,，中國移動與工信部電信研究院合作更是進行了路由器和傳輸設(shè)備的100Gb/s現(xiàn)網(wǎng)試點測試，這些測試驗證為100Gb/s設(shè)備在商用前功能、性能,、穩(wěn)定性等評估奠定了堅實基礎(chǔ),。從100Gb/s標準化進展來看，國內(nèi)標準化組織中國通信標準化協(xié)會（CCSA）,、國際電信聯(lián)盟（ITU-T）,、國際電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）、光互聯(lián)論壇（OIF）等均得了明顯進展,。100Gb/s技術(shù)和標準最新進展進一步推動了100Gb/s技術(shù)步入商用化的進程,，如何合理部署100Gb/s成為業(yè)界關(guān)注的焦點。本文將在介紹100Gb/s關(guān)鍵技術(shù),、設(shè)備及應(yīng)用現(xiàn)狀,、標準化進展的最新信息基礎(chǔ)上，對于未來如何合理部署100Gb/s技術(shù)提出相應(yīng)建議,。

 

　　2 100G關(guān)鍵技術(shù)

 

　　和40Gb/s技術(shù)類似,，除了支持現(xiàn)有通路間隔（如100GHz、50GHz）和盡量提高頻譜利用率之外,，100Gb/s的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在調(diào)制編碼與復(fù)用,、色度色散容限、偏振模色散容限,、OSNR容限,、非線性效應(yīng)容限、FEC等多個方面,。

 

　?。?）調(diào)制編碼與復(fù)用

 

　　從實現(xiàn)方式上來看，100Gb/s的調(diào)制格式和復(fù)用方式相對40Gb/s而言類型更為豐富,，除了基于偏振復(fù)用結(jié)合多相位調(diào)制的調(diào)制方式,，如偏振復(fù)用－（差分）四相相移鍵控（PDM-（D）QPSK）之外,還包括更多級相位和幅度調(diào)制的調(diào)制碼型，如8 /16相相移鍵控（8PSK/16PSK）,，16/32/64級正交幅度調(diào)制(16QAM/32QAM/64QAM)等,，以及基于低速子波復(fù)用的正交頻分復(fù)用（OFDM）等。這些編碼同時也可以和偏振復(fù)用技術(shù)結(jié)合,，組合類型非常豐富,。另外，從調(diào)制編碼的解調(diào)來看,，目前主要可采用兩種方式,，直接解調(diào)和相干解調(diào)，其中相干解調(diào)主要采用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)來實現(xiàn),，這就顯著降低了相干通信中對于激光器特性的要求,。

　　綜合目前系統(tǒng)性能要求、相應(yīng)功能的實現(xiàn)復(fù)雜性和性價比等多種因素考慮，目前對于100Gb/s傳輸商用設(shè)備,，業(yè)界一般選擇的長距傳輸碼型為采用相干接收的PDM-（D）QPSK,。另外，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）和DSP芯片等處理技術(shù)涉及超高速電路處理技術(shù),，多個廠商于2011年后半年才普遍實現(xiàn)基于100Gb/s信號的實時相干接收處理（阿爾卡特-朗訊公司研發(fā)實時處理芯片產(chǎn)品提前實現(xiàn)了1~2年）,。

 

　　（2）色度色散容限

 

　　100Gb/s技術(shù)的色度色散容限主要依賴于兩種途徑解決,，一是采用多級調(diào)制降低波特率,，從而等效提高色散容限；二是采用數(shù)字（電）域的信號處理進行色散均衡,，而40Gb/s技術(shù)根據(jù)調(diào)制碼型可以選擇多種方式解決（也包含100Gb/s技術(shù)采用的方式）,，典型的如采用傳統(tǒng)色散補償結(jié)合可調(diào)色散的方式。傳統(tǒng)逐段進行色散補償?shù)姆绞皆?00Gb/s基于DSP進行色散均衡的系統(tǒng)中并不需要,，而且在線路中逐段引入色散補償將對于系統(tǒng)性能造成一定的影響,，如圖1所示。

 

 

圖1  線路色散補償對于100Gb/s PMD-QPSK系統(tǒng)性能影響

 

　?。?）偏振模色散容限

 

　　對于PMD容限,，和CD容限提高的解決思路類似，100Gb/s技術(shù)主要采用多級調(diào)制,、或者多級調(diào)制結(jié)合電域的信號處理進行PMD均衡,，如采用PM-（D）QPSK直接檢測，差分群時延（DGD）最大值(@1dB OSNR代價)可達到10ps左右,，而采用相干檢測時可達到75ps左右。對于采用其他調(diào)制格式的,，如OFDM,、16QAM、32QAM等,，則支持的差分群時延值更高（由于波特率或子波速率很低）,。考慮到實際光纖網(wǎng)絡(luò)光纖鏈路的PMD特性（實際應(yīng)用系統(tǒng)PMD值一般均小于小于75ps）,，100Gb/s信號采用PM-QPSK和相干接收技術(shù)以后,，采用線路直接進行PMD補償?shù)谋匾砸巡粡?fù)存在。

　?。?）OSNR容限

 

　　OSNR容限是100Gb/s技術(shù)的另外一關(guān)鍵參數(shù),。對于相同的調(diào)制格式，100Gb/s相對于40Gb/s的OSNR容限要求要提升4dB左右,，這對于系統(tǒng)實際研發(fā)而言挑戰(zhàn)性很大,。目前采用不同調(diào)制格式的OSNR容限差異較大，但相同的調(diào)制格式另外采用相干接收后可顯著提升OSNR容限1～2dB以上。幾種比較典型的碼型OSNR容限與頻譜效率之間的關(guān)系如圖 2所示(包括相干接收的相位?余量比較),。另外,，具體容限值由于不同文獻可能采用不同的參考定義和具體物理實現(xiàn)，其相對值僅有參考意義,。

 

　　注：1P表示單個偏振態(tài),，2P表示偏振復(fù)用（雙偏振態(tài)）。

 

 

圖2  100Gb/s 調(diào)制碼型OSNR容限比較

 

　?。?）非線性效應(yīng)容限

 

　　100Gb/s由于采用了多級的相位（幅度）結(jié)合偏振復(fù)用的調(diào)制方式,，其非線性效應(yīng)不但包括主要自相位調(diào)制（SPM）和交叉相位調(diào)制（XPM）等效應(yīng)，同時也包括偏振態(tài)變化的非線性效應(yīng)（光纖雙折射效應(yīng)引起）,。另外,，由于100Gb/s速率相對于40Gb/s而言，在采用相同調(diào)制格式時,，比特率和波特率均上升2.5倍,，其對于非線性效應(yīng)的容忍特性與40Gb/s有所差異，如圖 3所示,。另外,，對于不同相鄰?fù)返乃俾实腦PM效應(yīng)，100Gb/s相對于40Gb/s而言非線性容限要高一些,，如圖 4所示,。

 

 

圖3  100Gb/s PDM-QPSK系統(tǒng)的非線性效應(yīng)

 

 

圖4  100Gb/s與40Gb/s基于不同相鄰?fù)返腦PM效應(yīng)比較

　　（6）FEC

 

　　FEC技術(shù)引入到高速傳輸系統(tǒng)后可顯著增加系統(tǒng)傳輸距離,，但編碼增益與增加FEC開銷后所帶來的代價兩者之間需要平衡,，同時FEC技術(shù)還需要考慮到現(xiàn)有芯片實現(xiàn)技術(shù)的可行性和兼容性等因素。由于具體實現(xiàn)軟硬件技術(shù)差異,、市場競爭需要等多種因素,，目前對于100Gb/s技術(shù)僅在域間接口規(guī)范采用基于ITU-T G.709的RS(255,239)編碼，對于其他更復(fù)雜且編碼增益更高的編碼,，目前不同國內(nèi)外研發(fā)機構(gòu)正在研究,，ITU-T和OIF等標準組織也正在進一步地討論規(guī)范化的可能性。

 

　　3 100G設(shè)備及應(yīng)用現(xiàn)狀

 

　　借鑒了40Gb/s技術(shù)多年的探索和研究經(jīng)驗,，100Gb/s技術(shù)在實現(xiàn)路線選擇上避免了百花齊放的格局,，采用偏振復(fù)用、正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制,、基于數(shù)字信號處理（DSP）相干接收的技術(shù)方案業(yè)界基本統(tǒng)一,，這就對于整體產(chǎn)業(yè)鏈的合理發(fā)展形成了有力的驅(qū)動。從最近100Gb/s傳輸設(shè)備的具體實現(xiàn)來看,，目前主要傳輸設(shè)備均采用了類似的技術(shù)路線,，但技術(shù)細節(jié),、設(shè)備功能、設(shè)備性能等方面存在一定差異性,。目前100Gb/s設(shè)備及應(yīng)用現(xiàn)狀如下：

 

　?。?）FEC支持類型和實現(xiàn)存在差異，軟判和硬判均在使用

 

　　隨著信息傳輸波特率的提升,，100Gb/s WDM系統(tǒng)的彩光接口一般都需要采用不同的FEC技術(shù)來提升系統(tǒng)傳輸性能,。目前不同廠商的100Gb/s設(shè)備選擇支持基于硬判決（HD）和軟判決（SD）兩種基本類型，而且具體HD或SD的冗余速率也不統(tǒng)一,，典型如7%或20%的HD,，15%或20%的SD等等。具體選擇HD或SD與系統(tǒng)性能,、集成度和功耗等密切相關(guān),，一般而言相同冗余速率的SD將比HD性能有所提升，但同時帶來集成度降低和功耗提升的額外代價,。

 

　?。?）和OTN結(jié)合已成業(yè)界共識，但目前交叉容量有限

 

　　雖然100Gb/s本身的技術(shù)焦點是長距傳輸,，但隨著OTN組網(wǎng)及應(yīng)用的發(fā)展,，支持100Gb/s長距傳輸?shù)腛TN設(shè)備應(yīng)用需求明顯，主要是為了在提升鏈路傳輸容量的同時支持大粒度業(yè)務(wù)的調(diào)度和生存性保障,。目前100Gb/s WDM設(shè)備大都支持和OTN交叉技術(shù)結(jié)合,，一般采用兩種模式，即100Gb/s板卡直接作為OTN交叉的線路輸出（OTN和WDM緊耦合）,，或者OTN交叉板卡的線路輸出作為100Gb/s長距板卡的客戶側(cè)輸入（OTN和WDM松耦合）,。另外，受限于目前技術(shù)實現(xiàn)水平,，實驗室驗證的最大交叉能力達到12.8Tb/s,，相對于8T/s的100Gb/s傳輸容量而言，OTN調(diào)度容量有所偏小,。

 

　　（3）智能控制功能已基本具備,，主要基于OTN平臺

 

　　隨著未來云計算,、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用驅(qū)動，光傳送網(wǎng)絡(luò)的智能控制功能變得更為重要,。目前基于100Gb/s的OTN設(shè)備大都支持不同ODUk的智能控制功能,。另外，業(yè)內(nèi)也有在同一傳輸平臺上同時提供L0~L2的多層交換和跨層控制功能的技術(shù)發(fā)展趨勢,。從業(yè)務(wù)的基本恢復(fù)功能來看,，不同廠商設(shè)備的ODUk粒度業(yè)務(wù)恢復(fù)時間還存在一定差異,，目前基本量級是數(shù)百ms量級。

　?。?）100Gb/s設(shè)備基本成熟,，已啟動初步（試）商用

 

　　經(jīng)過國內(nèi)三大運營商、中國教育網(wǎng)等開展的100Gb/s設(shè)備測試結(jié)果來看,，100Gb/s設(shè)備整體上趨于基本成熟,，100Gb/s設(shè)備的（試）商用化進程即將開啟。從關(guān)鍵測試指標來看,，100Gb/s WDM設(shè)備在實驗室采用G.655/G.652最長可達到20×22dB(80km)甚至更長的傳輸距離（注：采用常規(guī)EDFA放大）,，相應(yīng)的光信噪比（OSNR）代價和品質(zhì)因子（QdB）代價均在要求的范圍以內(nèi)，而且穩(wěn)定的溫度循環(huán)結(jié)果等測試結(jié)果也進一步驗證了100Gb/s設(shè)備關(guān)鍵芯片,、模塊以及設(shè)備整體的穩(wěn)定性,。另外，中國教育和科研計算機網(wǎng)（CERNET）于2012年年初啟動了100Gb/s 光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)的國內(nèi)招標,，中國移動更是在2012年11月份啟動了較大規(guī)模的100Gb/s 光傳送網(wǎng)（OTN）/WDM設(shè)備的招標,中國電信和中國聯(lián)通近期正在籌備相應(yīng)項目,，100Gb/s技術(shù)的（試）商用進程即將開啟。

 

　?。?）部分關(guān)鍵器件芯片依賴性強,，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展尚待進一步完善，

 

　　雖然國內(nèi)100Gb/s 設(shè)備基本成熟,，但其關(guān)鍵器件芯片部分依賴進口,，典型如調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）,、DSP處理芯片等,。從2013 OFC全球大會的情況來看，提供100G相應(yīng)器件芯片的廠商已越來越多,，這為100Gb/s技術(shù)整體的產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ),，也將進一步降低100Gb/s部署成本。但是,，受限于商業(yè)芯片的技術(shù)現(xiàn)狀,，目前100Gb/s設(shè)備整體集成度較低，功耗偏大,，更高集成度和更低功耗的新一代100Gb/s設(shè)備有待繼續(xù)研發(fā),。

 

　　4 100G標準進展

 

　　100Gb/s技術(shù)的國內(nèi)標準化工作主要由CCSA的傳送網(wǎng)與接入網(wǎng)工作委員會（TC6）的傳送網(wǎng)工作組（WG1）和光器件工作組（WG4）來制定。最近取得的主要標準進展包括：WG1完成了“N×100Gb/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求”的報批稿,，以及“N×100Gb/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)測試方法”（近期報批）,，同時WG4已開始開展100Gb/s光模塊及組件的標準參數(shù)研究。其中“N×100Gb/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求”中主要規(guī)范了N×22dB傳輸模型在G.655和G.652光纖上的關(guān)鍵傳輸參數(shù)規(guī)范,，同時考慮了系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的差異性,，采用背靠背OSNR容限,、系統(tǒng)傳輸距離規(guī)則、FEC糾錯前誤碼率等多種參數(shù)量化,，目前規(guī)范的最遠傳輸能力達到18×22dB（18×80km,，適用G.652光纖）和16×22dB（16×80km，適用G.655光纖）,。

 

　　100Gb/s 的國際標準主要由ITU-T,、IEEE和OIF等標準組織制定。其中ITU-T的SG15主要負責(zé)光傳送網(wǎng)及接入網(wǎng)的標準化工作,，其中Q6主要負責(zé)物理層傳輸標準的規(guī)范工作,，Q11主要負責(zé)邏輯層傳送標準的規(guī)范工作。目前針對100Gb/s的標準化工作主要在G.682,、G.sup39,、G.709等標準中規(guī)范，其中G.682今年已經(jīng)明確提出進行100Gb/s參數(shù)的規(guī)范,，而G.sup39逐步引入100Gb/s技術(shù)涉及的一些工程參數(shù)考慮,，同時G.709的ODUk容器已經(jīng)支持基于100Gb/s速率的ODU4。

　　IEEE的802.3主要負責(zé)以太網(wǎng)物理層規(guī)范的制定,，目前已經(jīng)完成了基于40GE和100GE的物理層規(guī)范802.3ba,，目前正在開展背板互聯(lián)（802.3bj）以及新一代40Gb/s和100Gb/s物理接口的規(guī)范（802.3bm），其中802.3bm是2012年3月IEEE 802全會上通過的新標準項目立項,，其主要目標是完成多模光纖20/100m以上,、以及單模光纖500m以上的傳輸距離，預(yù)計2014年3月802.3bj標準完成,，2015年3月802.3bm標準完成,。

 

　　OIF的PLL主要負責(zé)高速模塊及器件的規(guī)范制定工作，目前已經(jīng)完成了100Gb/s 長距傳輸模塊,、相干接收機等實現(xiàn)協(xié)議（IA）,，目前正在進行第二代的100Gb/s長距傳輸模塊和相干接收機的IA、基于城域應(yīng)用（中距離）的100Gb/s DWDM傳輸框架,、以及基于28G的甚短距離傳輸?shù)耐ㄓ秒娊涌冢–EI-VSR）等IA的制定工作,。

 

　　從100Gb/s標準化整體進展來看，目前100Gb/s標準基本完善,，正在進行進一步提升集成度,、降低功耗等相關(guān)標準的規(guī)范制定過程之中，預(yù)計到2015年左右新一代的100Gb/s標準化工作也將完成,。

 

　　5 100G應(yīng)用建議

 

　　隨著100Gb/s技術(shù)的逐步成熟和標準化的基本完善，基于100Gb/s技術(shù)的應(yīng)用策略成為目前業(yè)界關(guān)注的焦點問題,。綜合考慮目前40Gb/s和100Gb/s商用關(guān)系,、100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)差異,、以及100Gb/s產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展等諸多因素，未來100Gb/s部署時建議應(yīng)考慮如下一些應(yīng)用策略：

 

　?。?）推進100Gb/s和40Gb/s按需部署,，協(xié)同發(fā)展

 

　　面對大容量業(yè)務(wù)的傳送需求，目前主要有40Gb/s和100Gb/s兩種高速傳輸技術(shù)選擇,。40Gb/s網(wǎng)絡(luò)已規(guī)模商用,，100Gb/s初具商用能力，兩者在未來實際部署時面臨競爭和協(xié)作,，主要涉及到帶寬承載能力,、部署成本、運維管理,、技術(shù)發(fā)展趨向等方面,。從帶寬承載能力上看，按照思科預(yù)測的互聯(lián)網(wǎng)流量年均28%左右的增長率估計,，未來3-5年整體傳輸帶寬需求增長2-4倍左右,，綜合考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模10Gb/s遠大于40Gb/s的現(xiàn)狀，40Gb/s尚能滿足帶寬傳輸需求,；對于部署成本而言,，由于100Gb/s系統(tǒng)處于初期應(yīng)用階段，整體價格明顯大于40Gb/s  2.5倍以上,，但考慮到100Gb/s技術(shù)路線及產(chǎn)業(yè)鏈的趨同性,，同時40Gb/s多種傳輸碼型導(dǎo)致整體價格很難顯著下降(雖然目前支持趨同100Gb/s路線的40Gb/s設(shè)備增多)，未來100Gb/s系統(tǒng)的價格優(yōu)勢將逐步體現(xiàn),；在運維管理和技術(shù)發(fā)展趨向方面,，基于單一傳輸碼型、單波長更大容量和無色散補償?shù)?00Gb/s系統(tǒng)無疑優(yōu)勢明顯,。國內(nèi)運營商的研究機構(gòu)認為,，從技術(shù)上講，100G技術(shù)已經(jīng)基本成熟,，已步入規(guī)模應(yīng)用的全新階段,，從成本上講，100G OTU每比特傳送成本目前已達到40G OTU 0.8～1.5倍,，比起11年接近2倍的價格水平有了顯著降低,，因此，國內(nèi)一些運營商正在考慮跨越40G直接部署100G,?？偠灾A(yù)計未來100G將逐步主導(dǎo)高速傳輸市場,。

 

　?。?）100Gb/s技術(shù)商用應(yīng)循序漸進,，推動100Gb/s網(wǎng)絡(luò)合理部署

 

　　100Gb/s技術(shù)雖然目前在實驗室進行了比較充分的測試驗證，而且測試驗證結(jié)果整體較好,，但相對工程應(yīng)用,，實驗室短期測試尚不能完全驗證所有存在問題?？紤]到100Gb/s系統(tǒng)承載容量巨大（滿波8Tb/s）,，網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性尤為重要，建議100Gb/s技術(shù)在具體部署時應(yīng)循序漸進,，在選擇一定規(guī)模試商用網(wǎng)絡(luò)較長期運行的基礎(chǔ)上,，逐步驗證100Gb/s技術(shù)在規(guī)模商用前期存在的問題，逐步反饋并解決后逐步擴大商用規(guī)模,，推動100Gb/s網(wǎng)絡(luò)合理部署,，在進一步顯著提升傳送網(wǎng)傳輸容量的同時，盡可能保證傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,。

　?。?）維持合理價格水平，促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

 

　　40Gb/s技術(shù)多傳輸碼型的產(chǎn)業(yè)格局和惡意的市場競爭等因素導(dǎo)致整體產(chǎn)業(yè)基本處于微利或虧本的狀態(tài),，在一定程度上嚴重阻礙了40Gb/s產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展,。100Gb/s技術(shù)雖然傳輸碼型趨同，但多家供應(yīng)商并存的現(xiàn)狀也有可能導(dǎo)致100Gb/s設(shè)備在競標時的惡意價格競爭,，如不及時遏制,，100Gb/s產(chǎn)業(yè)應(yīng)用將會重蹈40Gb/s技術(shù)的覆轍，整個高速傳輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會受到嚴重阻礙,，而承載巨大信息容量的100Gb/s傳輸設(shè)備的在線生命周期將可能顯著縮短,。為防止類似現(xiàn)象發(fā)展，建議運營商,、設(shè)備商,、器件模塊商、設(shè)計和研究機構(gòu)等業(yè)務(wù)集體努力,，維持100Gb/s新技術(shù)在商用時的合理價格水平,，保持一定的盈利水平，維護并促進100Gb/s產(chǎn)業(yè)鏈健康穩(wěn)定發(fā)展,。

 

　　6 結(jié)論

　　100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)涉及傳統(tǒng)光域,、超高速電域數(shù)字信號處理等諸多方面，目前技術(shù)及設(shè)備發(fā)展基本成熟,，同時CCSA,、ITU-T、IEEE、OIF等相應(yīng)國內(nèi)外標準制定基本完善,。在未來實際部署100Gb/s時,，運營商應(yīng)充分考慮自身現(xiàn)網(wǎng)情況，注重考慮100Gb/s技術(shù)與10Gb/s,、40Gb/s技術(shù)共存和平滑演進、100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)差異,、以及100Gb/s產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展等諸多因素,，推進100Gb/s循序漸進地進行規(guī)模應(yīng)用。