市場需求驅(qū)動(dòng)
互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長是高速波分傳輸發(fā)展的主要推動(dòng)力,，根據(jù)調(diào)研和預(yù)測，骨干網(wǎng)傳輸帶寬以每年50%以上的速度增長,，目前骨干傳輸網(wǎng)要求支持100G傳輸?shù)暮袈曉絹碓綇?qiáng)烈,。100G波分傳輸?shù)墓こ虘?yīng)用需求總結(jié)如下。
● 傳輸距離：長途骨干網(wǎng)要求傳輸距離至少達(dá)1000~1500 km,，包含6個(gè)ROADM（可重構(gòu)型光分插復(fù)用設(shè)備）,；城域網(wǎng)要求包含20個(gè)ROADM；
● 傳輸容量：通道間隔為50GHz,，與現(xiàn)有10G波分系統(tǒng)相同,；
● 應(yīng)用場景：可在現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)上進(jìn)行升級，無需更換新型光纖或光放大器,；
● 成本：100G波分系統(tǒng)相比10G在成本/速率/距離上應(yīng)有優(yōu)勢,；
● 功耗：100G波分系統(tǒng)相比10G在功耗/速率以及設(shè)備集成度上應(yīng)有優(yōu)勢。
要完全實(shí)現(xiàn)以上需求,，必須采用相干通信技術(shù),，加強(qiáng)系統(tǒng)消除傳輸損傷的能力。100G信號(hào)速率對目前電芯片來說仍然太高,，可通過多電平調(diào)制,、偏振復(fù)用、多波并行傳輸?shù)燃夹g(shù)組合將100Gbps信號(hào)速率降為25G波特率或更低,。
標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀
為推動(dòng)100G光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,，多個(gè)光通信國際標(biāo)準(zhǔn)組織積極制定100G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋100G器件,、光模塊,、OTN開銷處理、系統(tǒng)設(shè)備等領(lǐng)域,。IEEE于2010年6月發(fā)布了40G/100G以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)802.3ba,，由多個(gè)光模塊廠商組成的CFP多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶側(cè)可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議,，為100G客戶側(cè)接口制定了接口規(guī)范；ITU-T于2009年12月更新了OTN接口建議G.709,，定義了支持100GE接入的OTU4幀結(jié)構(gòu)及映射協(xié)議,，規(guī)范了100G單板中成幀處理要求；OIF負(fù)責(zé)制定100G波分側(cè)光模塊電氣機(jī)械接口,、軟件管理接口,、集成式發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組件、前向糾錯(cuò)技術(shù)的協(xié)議規(guī)范,，有力地推動(dòng)了波分側(cè)接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化,。
100G波分傳輸已從實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入工程測試和初期應(yīng)用階段。各大系統(tǒng)設(shè)備廠家客戶側(cè)100GE接口嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)802.3ba規(guī)范的4路并行傳輸,，波分側(cè)采用各具特色的傳輸技術(shù),。截至2010年7月，大部分光器件達(dá)到可商用程度,，但相干接收技術(shù)中關(guān)鍵芯片ADC和DSP的量產(chǎn)商用還需一段時(shí)間,。ADC和DSP是近年來阻礙100G波分傳輸商用的最大攔路石，目前有多個(gè)芯片廠家正在積極研發(fā)集成ADC和DSP功能的ASIC芯片,。
中興通訊解決方案
中興通訊提供兩種解決方案,，一種是實(shí)現(xiàn)簡單的“PDM-DQPSK+直接接收”解決方案，另一種是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解決方案,。
PDM-DQPSK+直接接收
發(fā)射單元采用PDM-DQPSK調(diào)制,，接收單元采用直接接收技術(shù)。PDM-DQPSK即偏振復(fù)用-差分正交相移鍵控調(diào)制,，激光通過偏振分束器分成2路正交偏振態(tài)光,，每路進(jìn)行DQPSK調(diào)制（DQPSK調(diào)制技術(shù)在40G波分傳輸系統(tǒng)中已成熟應(yīng)用），然后再用偏振合束器合成一束光,，傳輸速率為111.8Gbps,。相位調(diào)制信號(hào)的直接接收即采用延遲干涉和平衡接收實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測，因輸入信號(hào)為2路偏振態(tài)信號(hào),，還需采用光學(xué)偏振跟蹤技術(shù)分離出2路偏振正交的DQPSK信號(hào),。
該方案中光學(xué)偏振跟蹤速度快，可滿足工程現(xiàn)場應(yīng)用需求,，通道間隔最小為50GHz,。系統(tǒng)中仍需配置色散補(bǔ)償，PMD容限有限,，OSNR（光信噪比）性能較差,，屬于100G波分傳輸初期解決方案。
PDM-DQPSK+相干接收
發(fā)射單元采用PDM-DQPSK調(diào)制,，接收單元采用相干接收技術(shù),，該方案符合OIF（光互聯(lián)論壇）100G接口規(guī)范，其功能框圖如圖1所示,。
圖1 相干接收PDM-DQPSK原理框圖
發(fā)射單元為PDM-DQPSK調(diào)制,，差分編碼解決相位模糊問題。
接收單元由本振激光,、光電解調(diào),、ASIC芯片組成。本振激光采用大功率窄線寬可調(diào)諧激光器,，雙路混頻器,、4路光電轉(zhuǎn)換完成光電解調(diào)，實(shí)現(xiàn)任意偏振態(tài),、任意相位信號(hào)的相干接收,，其中4路光電轉(zhuǎn)換采用雙PIN平衡接收，相比單PIN接收有更大的輸入光功率動(dòng)態(tài)范圍,。ASIC芯片集成ADC和DSP功能,，消除傳輸損傷和恢復(fù)信號(hào)。采用CMOS技術(shù)的低功耗ASIC芯片,，DSP算法類似軟件無線電技術(shù),，包括如下功能模塊：重采樣、色散補(bǔ)償,、自適應(yīng)濾波,、頻率補(bǔ)償、相位恢復(fù),、SD-FEC解碼,。
相干接收PDM-DQPSK可實(shí)現(xiàn)50GHz間隔波分復(fù)用，濾波特性好,；OSNR性能好,，目標(biāo)傳輸距離達(dá)1500 km以上；DSP算法跟蹤速度快,，可實(shí)現(xiàn)光層快速保護(hù)倒換,；色散補(bǔ)償和偏振模塊色散補(bǔ)償均在接收機(jī)中完成，可降低系統(tǒng)整體配置成本,，但如果配置光學(xué)色散補(bǔ)償,，會(huì)加重系統(tǒng)非線性損傷?？紤]到發(fā)射端可能重新定義幀格式以兼容SD-FEC,，接收端DSP算法各有差異，因此很難實(shí)現(xiàn)波分側(cè)互聯(lián)互通,。
其他解決方案
雖然“PDM-DQPSK+相干接收”是被業(yè)界認(rèn)可的100G標(biāo)準(zhǔn)化解決方案,，但有些設(shè)備制造商采用了其他解決方案,。
（1）發(fā)射端采用雙波或3波DQPSK信號(hào)進(jìn)行合波，子載波頻率間隔為50GHz,，接收端采用光濾波器分離出2路或3路DQPSK信號(hào),，然后再采用延遲干涉和平衡接收實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測。該方案又叫反向復(fù)用技術(shù),，通道間隔最小為100GHz或150GHz,，傳輸容量小，OSNR性能較差,，屬于100G波分傳輸早期解決方案,。
（2）發(fā)射端采用雙波相干接收PDM-DQPSK，其中子載波頻率間隔為20GHz,，接收端間隔20GHz的兩個(gè)本振激光分別對輸入信號(hào)進(jìn)行相干檢測,，之后分別用低通電濾波器抑制另一子載波信號(hào)串?dāng)_，ADC采樣后再利用DSP算法消除傳輸損傷和恢復(fù)數(shù)據(jù),。該方案通道間隔最小為50GHz,，OSNR性能好，雖然克服了當(dāng)前ADC器件采樣速率瓶頸,，但是器件較多,，功耗較大，方案集成度較差,，系統(tǒng)非線性性能相對較差,。該方案最早實(shí)現(xiàn)100G波分傳輸工程應(yīng)用。
（3）采用更多電平的高級調(diào)制碼型,。例如PDM-64QAM,，波特率為信號(hào)速率的1/12，此外OFDM研究也比較熱門,，這類調(diào)制碼型均采用相干接收技術(shù),，但發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)相對較復(fù)雜，在現(xiàn)有器件技術(shù)水平下還不適合100G工程應(yīng)用,，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,，有可能應(yīng)用于未來的400G波分傳輸。
以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為核心的100G相干接收技術(shù)是光通信發(fā)展史上具有里程碑意義的革命性突破,，其重要性不亞于推動(dòng)波分復(fù)用系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的摻鉺光纖放大器,。隨著帶寬需求的持續(xù)增長和100G相干接收相關(guān)器件的成熟，尤其是100G所用光器件及芯片的小型化和低功耗趨勢,，100G波分傳輸必將完全取代現(xiàn)有10G波分傳輸,，并會(huì)擠壓40G波分傳輸?shù)膽?yīng)用空間。