挑戰(zhàn)香農(nóng)理論極限

 

    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)用量等都呈現(xiàn)出爆炸式的增長,。互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的P2P技術(shù),、在線視頻,、社交網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)的發(fā)展正在不斷吞噬網(wǎng)絡(luò)資源,。同時,，隨著云計算時代的來臨，以超級數(shù)據(jù)中心為核心的云網(wǎng)絡(luò),，對帶寬的需求也十分迫切,。

 

    電氣和電子工程師協(xié)會IEEE802.32011年3月全會成立了帶寬評估工作組（BWA），探索Beyond100G時代的新興業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)展趨勢,。評估結(jié)果預(yù)計2013年和2015年以太網(wǎng)帶寬需求將分別達(dá)到400Gb/s和1Tb/s, 從而對骨干網(wǎng)絡(luò)提出了Tb/s級別的傳輸需求,。

 

    然而，光網(wǎng)絡(luò)向T級別發(fā)展面臨著不小挑戰(zhàn),。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,。

 

    香農(nóng)理論決定系統(tǒng)的頻譜效率越高(容量越大)，信號無誤碼傳輸需要的信噪比就越大,，過大的信噪比會導(dǎo)致光傳輸距離大幅縮短,。而且在WDM（波分復(fù)用）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)通過對信號功率的限制進(jìn)而限制了信噪比,，進(jìn)一步壓縮了提升頻譜效率的技術(shù)空間。

 

    光傳輸系統(tǒng)的香農(nóng)極限

 

    針對Tb/s速率,，如何實現(xiàn)高頻譜效率(大容量)和長距離兼得的傳輸系統(tǒng),，并維持低成本的發(fā)展趨勢，是Tb/s傳輸系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn),。

 

    波分光傳輸?shù)淖畲髢r值是給客戶以盡量低的成本提供盡量大的帶寬,，100G WDM系統(tǒng)提供了8T的傳輸容量,凈頻譜效率等于2，目前已進(jìn)入規(guī)模部署階段,；400G WDM系統(tǒng)預(yù)期會提供16T到20T的傳輸容量,，凈頻譜效率在4~5左右，預(yù)期在2015到2016年開始商用部署；對Tb/s WDM系統(tǒng),，至少需要提供約40T的傳輸容量,，凈頻譜效率達(dá)到8~10，并盡可能實現(xiàn)超過1000公里的無電中繼傳輸距離,，以最大程度降低系統(tǒng)傳輸成本,。

 

    魚和熊掌何以兼得

 

    魚和熊掌可以兼得嗎？在400GE之后,，以太網(wǎng)速率會演進(jìn)到Tb/s是業(yè)界的共識,，但是具體是1Tb/s、1.6Tt/s甚至2Tt/s目前還未有定論,。業(yè)界對于Tbit/s傳輸技術(shù)的研究也有多項成果發(fā)表,，在多載波、高階調(diào)制,、信號損傷補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)方面均取得一些進(jìn)展,，但是在提升頻譜效率（即提升容量）的基礎(chǔ)上，如何保持長距傳輸,，以及如何解決針對未來客戶速率,、業(yè)務(wù)帶寬存在多種變化的情況，提供一個傳輸成本和帶寬效率綜合最佳的解決方案,，仍然是一個待解的難題,。

 

    針對高速光傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢以及潛在的客戶需求，華為推出Flex 2T光傳輸技術(shù)方案,，以可變速率,、可變帶寬、可變傳輸距離和容量為主要特色,，配合可變OTN功能,，可以靈活承載不同速率的客戶業(yè)務(wù)，在一定程度上實現(xiàn)了光傳輸速率和路由器速率的解耦,，同時獨(dú)有的Flex ODSP技術(shù),、最新一代軟判決技術(shù)、靈活光收發(fā)機(jī)和ASIC芯片技術(shù),，可以最大可能地降低每比特的傳輸成本,，對超大容量傳輸提供最佳的帶寬效率,。

 

    Flex 2T具有以下三種核心技術(shù)：

 

    ——FlexODSP以及混合調(diào)制技術(shù),。當(dāng)光傳輸告別模擬調(diào)制/解調(diào)，進(jìn)入相干技術(shù)時代后,，光數(shù)字信號處理（ODSP）變得尤為重要,。通過一系列算法對光信號進(jìn)行處理，就可實現(xiàn)數(shù)字式的解調(diào)和數(shù)據(jù)恢復(fù),。這些算法處理可在一片定制的超大規(guī)模集成電路（ASIC）中實現(xiàn),，在很大程度上決定了傳輸性能,。在進(jìn)入Tb/s時代后，進(jìn)一步引入了全程數(shù)字化調(diào)制/解調(diào)技術(shù),。此外,，一些預(yù)處理算法，可以進(jìn)一步提升傳輸性能,。

 

    按照前述香農(nóng)極限的分析,，如果單純采用高階調(diào)制碼型增大系統(tǒng)的傳輸容量，就需要更高的信噪比,，會犧牲一定傳輸距離,。如果單純地提高入纖功率，又會增大非線性效應(yīng),。根據(jù)業(yè)界已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn),，采用32QAM以上高階調(diào)制碼型，在SMF+EDFA的鏈路上只能傳輸幾百公里,。而某些“英雄實驗”中采用的特殊新型光纖,，目前還不具備商用的可行性。在Flex2T的ODSP算法中,，采用了一系列創(chuàng)新技術(shù),，在大幅提升系統(tǒng)容量（即頻譜效率）的同時，也能實現(xiàn)長距傳輸,。

 

    首先是多帶電正交頻分復(fù)用（Multi-BandeOFDM）和頻域混合正交幅度調(diào)制（HybridQAM）融合的技術(shù),，OFDM多子載波正交復(fù)用可以成倍提高頻譜效率，同時每個子載波又可分別設(shè)計不同調(diào)制碼型,。在一個統(tǒng)一控制平臺下,，收發(fā)端適配到一個最佳碼型組合以及最佳組合比例，在實現(xiàn)既定高頻譜效率的基礎(chǔ)上又保證系統(tǒng)低OSNR的要求,，不會削弱傳輸性能,。以40Tb/s系統(tǒng)為例，使用混合32/64QAM調(diào)制,，可以將系統(tǒng)的頻譜效率提升至10bit/s/Hz,，C波段的傳輸容量達(dá)40Tb/s。將來在控制平臺作用下,，還可根據(jù)客戶實際需求和應(yīng)用場景平滑地進(jìn)行各種調(diào)整,，適配各種傳輸容量和距離。

 

    其次針對光傳輸系統(tǒng)的非線性問題,，F(xiàn)lexODSP算法還特別設(shè)計了非線性抑制模塊,，顯著提高入纖功率約2dB，有效增加了鏈路預(yù)算，消除SPM,、XPM等非線性效應(yīng)影響,，延長了傳輸距離。

 

    ——混合多級編碼調(diào)制的新一代FEC技術(shù),。針對Flex傳輸特性,，華為對FEC前向糾錯技術(shù)也進(jìn)行了創(chuàng)新研究。采用混合多級編碼的算法相對前一代的軟判決算法,，性能有了進(jìn)一步提升,，同時算法復(fù)雜度還可進(jìn)一步降低。針對傳輸信道特點(diǎn),，通過混合編碼方案充分發(fā)揮每一級碼字的最大糾錯能力,，提升系統(tǒng)的糾前誤碼門限，進(jìn)而給系統(tǒng)帶來額外的OSNR增益,，延長了傳輸距離,。下圖展示了采用混合多級編碼調(diào)制FEC和前一代LDPC軟判決技術(shù)的對比。在不增加開銷的情況下,，新一代FEC技術(shù)較LDPC軟判決技術(shù)又可以提升0.4dB以上的增益,，非常接近編碼理論極限，相當(dāng)于提升10%以上的傳輸距離,，使得32QAM以上的高階調(diào)制也能長距傳輸,。和FlexODSP算法結(jié)合后，總體實現(xiàn)C波段40Tb/s,，1000km以上傳輸,。

 

    混合多級編碼調(diào)制的新一代FEC技術(shù)

 

    ——FlexTRx收發(fā)機(jī)技術(shù)。速率,、帶寬靈活可變光收發(fā)機(jī)是Flex2T傳輸?shù)挠布脚_,，主要特點(diǎn)是全數(shù)字化調(diào)制/解調(diào)，統(tǒng)一的硬件架構(gòu)設(shè)計,，全程聯(lián)動的自動化控制技術(shù),。FlexTRx具備了傳輸速率和帶寬可控，調(diào)制格式可控以及自適應(yīng)適配傳輸?shù)葎?chuàng)新功能,。

 

    靈活可變光收發(fā)機(jī)能產(chǎn)生包含多個光載波的超級通道（super-channel）,，每個通道的光載波都可以調(diào)制可變符號速率和可變調(diào)制碼型的信號。超級通道的總傳輸能力由通道總數(shù)目,、調(diào)制碼型以及符號速率共同決定,。因此，全程自動化控制超級通道以及各通道的高速光學(xué)調(diào)制/解調(diào),，讓各種光學(xué)部件緊密聯(lián)動以保證各種應(yīng)用場景下的最佳傳輸性能,，是FlexTRx的技術(shù)難點(diǎn)。在本收發(fā)射機(jī)中,，采用了華為創(chuàng)新的自動控制算法,，可以良好地適配各種調(diào)制方式的變化。

 

    Flex2T生態(tài)系統(tǒng)逐漸成熟

 

    在華為以及全球領(lǐng)先運(yùn)營商等產(chǎn)業(yè)鏈各方的積極配合下,，F(xiàn)lex 2T技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成熟,，市場前景十分廣闊。

 

    2012年年底,，華為和領(lǐng)先運(yùn)營商沃達(dá)豐合作,，在其德國骨干網(wǎng)上構(gòu)建了全球首個2T傳輸?shù)默F(xiàn)網(wǎng)實驗局，基于普通單模光纖和EDFA組成的無電中繼鏈路,，驗證了PDM-QPSK和PDM-16QAM調(diào)制碼型等幾種技術(shù)方案,，分別取得最長3325km現(xiàn)網(wǎng)傳輸和最高頻譜效率6.4bit/s/Hz、1440km現(xiàn)網(wǎng)傳輸?shù)臉I(yè)界記錄,，證實了Flex 2T技術(shù)的可能性,。

 

    2013年3月，在剛剛結(jié)束的第38屆OFC會議上,，華為展示了最新的Flex 2T樣機(jī)以及完整的解決方案,，采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，突破性地實現(xiàn)了頻譜效率10bit/s/Hz,，C波段容量40Tb/s,，在普通單模光纖和EDFA組成的鏈路上1000km以上傳輸。同時還實現(xiàn)了調(diào)制碼型從QPSK,、16QAM,、32QAM到64QAM的動態(tài)調(diào)整和任意組合，業(yè)務(wù)容量和傳輸距離的可以根據(jù)應(yīng)用場景靈活配置,，有效支撐動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的理念,。

 

    2012年9月日內(nèi)瓦會議上，在包括華為在內(nèi)的整個產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合推動下,，IEEE成員單位基本達(dá)成共識選擇400GE作為100GE之后的下一代以太網(wǎng)速率,，從而正式開啟400GE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。隨著路由器/以太網(wǎng)的線卡速率以及網(wǎng)絡(luò)帶寬增長到Tb/s量級,，Tb/s帶寬信號的承載和傳輸成為400G之后下一代傳送技術(shù)要面對的挑戰(zhàn),。在ITU-T標(biāo)準(zhǔn)會議上，華為明確地提出了未來Flex光傳送網(wǎng)的發(fā)展方向,。Flex 2T技術(shù)的研究和驗證結(jié)果表明,，基于現(xiàn)有鋪設(shè)的商用光纖網(wǎng)絡(luò)，仍可挖掘出巨大潛力,。同時,，靜態(tài)的,、模擬的光層技術(shù)也將朝著動態(tài)、靈活光傳送方向發(fā)展,。

 

    在光通信2.5G/10G時代,，全球市場被歐美廠商所主導(dǎo)，而如今在100G時代,，華為憑借領(lǐng)先的軟判決和OTN引領(lǐng)了全球100G的商用化進(jìn)程,。我們有理由相信在超100G時代，“中國技術(shù)”將為全球光通信行業(yè)作出更大的貢獻(xiàn),。