市場需求驅(qū)動
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波分傳輸的工程應(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100G光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，多個光通信國際標(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,、前向糾錯技術(shù)的協(xié)議規(guī)范，有力地推動了波分側(cè)接口設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化,。
100G波分傳輸已從實驗室研究進(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)制信號的直接接收即采用延遲干涉和平衡接收實現(xiàn)信號檢測，因輸入信號為2路偏振態(tài)信號,，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,。
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),，實現(xiàn)任意偏振態(tài)、任意相位信號的相干接收,，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,。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,，然后再采用延遲干涉和平衡接收實現(xiàn)信號檢測,。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的兩個本振激光分別對輸入信號進(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,，目前仍處于實驗室研究階段,，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,，并會擠壓40G波分傳輸?shù)膽?yīng)用空間,。