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超宽带时代,如何部署400G?

日期: 2016-10-31
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来源:讯石光通讯网


摘要:随着宽带、数据中心及云计算的飞速发展,传送网面临着业务流量爆炸式增长带来的巨大压力,超高速、超大容量和动态灵活成为光传输技术未来的发展趋势。当前,包括电信运营商和设备厂商在内的业界各方正在积极推动400G技术的试验和部署。


       随着宽带、数据中心及云计算的飞速发展,传送网面临着业务流量爆炸式增长带来的巨大压力,超高速、超大容量和动态灵活成为光传输技术未来的发展趋势。当前,包括电信运营商和设备厂商在内的业界各方正在积极推动400G技术的试验和部署。江苏省邮电规划设计院认为,400G WDM传输技术势必成为下一代高速光传输系统的发展方向,相关标准化工作取得了阶段性进展,电信运营商需结合自身网络特点,根据不同应用场景选择面向未来业务发展需要的400G技术方案。


400G标准制定稳步推进


      目前,IEEE(电气和电子工程师协会)、ITU-T(国际电信联盟通信标准组)和OIF(光互联论坛)三大国际标准组织以及我国的CCSA(中国通信标准化协会)均已从不同角度开展超100G标准研究和制定工作。


ITU-T


        ITU-T SG15是制订传统光网络逻辑层信号规范的标准工作组。在2016年最新修订并正式发布的G.709《OTN接口标准(5.0版)》中,定义了以5G时隙为最小粒度并加入复用段映射结构的OTUCn帧格式,为超100G的大带宽业务确定了承载方式,并且为FlexE(灵活以太网)业务的透传和终结处理定义了映射方式,实现可变带宽业务的灵活适配。


IEEE


        IEEE的802.3工作组主要负责400GE接口的标准化工作,相应标准于2014年3月研究立项(标准编号为802.3bs),至2016年3月已经完成了1.2版本草案的编制和讨论,已经确定采用基于26G波特率NRZ(非归零码)的16芯100m多模光纤应用(400GBASE-SR16)、基于53G波特率PAM4(四电平脉冲幅度调制)编码的4芯500m单模光纤应用(400GBASE-DR4)、基于26G波特率PAM4编码的8通路波分复用2km/10km单模光纤应用(400GBASE-FR8/LR8)等,但在应用代码的性能参数定义与规范以及各通道FEC(前向纠错码)编码和实现方式等一些关键问题上还需要进一步研究和讨论。该标准预计2018年年初正式发布。


OIF


   OIF主要负责PLL(物理链层)的光电模块及高速接口等标准化工作。2015年7月发布了《400G技术选择白皮书》,主要围绕400G调制格式、应用场景、频率栅格、载波数量、色散容限等方面进行分析和研究,梳理400G高速传输的系统结构和关键技术,并根据城域、长距和超长距等不同应用领域分析解决方案等。

  

CCSA


   我国的CCSA传送网与接入网技术工作委员会(TC6)中的传送网工作组(WG1)和光器件工作组(WG4),分别负责超100G光传输系统和光器件的标准规范制定。目前整体标准研究进度与国际基本保持同步。


提升传输速率的三大途径


   提升WDM系统单通路传输速率的主要目的是在特定的频谱资源内实现更高的频谱效率(即每Hz频谱每秒传输的比特数更高),实现系统资源优化管理并进一步降低单位比特成本。


   提升传输速率的主要挑战是如何在频谱效率和传输距离间达到一定的平衡。最终的技术实现方案需要考虑调制阶数、载波数量和波特率参数,在这三者之间进行权衡。


   因此,电信运营商部署400G传输技术方案,可以从三个主要方面入手。


更高阶的调制格式


   采用高阶调制格式可以提升每符号比特数,对于单载波调制,在一定的频谱带宽上能够实现更高的频谱效率。相对于QPSK(正交相移键控),16QAM(正交振幅调制)的每符号比特数提升一倍,从而提升频谱效率和传输容量。对于400G传输来说,高阶调制格式的运用是业界普遍采用的方法,但高阶调制格式的运用对接收侧OSNR(光信噪比)提出了更高的要求,同时对激光器的相位噪声和光纤非线性效应也更敏感,限制了系统传输距离。


更高的信号波特率


   400G传输另一个重要实现方式是提升信号波特率,通过提升单信号的波特率实现整体传输速率的提升。目前,采用32G波特率是最成熟的方案,它可以重用100G阶段的各种光电器件和芯片技术,但性能相对受限。未来将走向43G、64G等更高波特率,进一步提升传输性能和频谱效率。


多载波技术


   在超400G传输系统中引入了超级信道(super channel),通过载波聚合提高频谱效率,提升传输容量。例如,采用两个载波各承载200G PM-16QAM的信号来实现400G,只需75GHz频谱,达到5.33bit/s/Hz的频谱效率。


   除以上考虑因素外,400G光传输还将采用更先进的DSP(数字信号处理)及芯片技术、更高增益FEC等。为了进一步提高频谱效率,Nyquist WDM(奈奎斯特波分复用)、Flex-Grid(灵活栅格)WDM等技术将得到应用。同时,超高速光电处理及相关芯片涉及光学和微电子等基础领域,还需要大量的技术和工艺创新才能达到商用化要求水平。


技术方案选择有门道


   400G系统有望采用更高的波特率以减少调制阶数,并采用多载波技术来提高频谱效率,未来可能会根据应用场景的不同,分别采用单载波、双载波或四载波实现方案。


单载波400G技术方案


   单载波400G技术方案即在传统的50GHz/100GHz栅格内实现400G信号传输,最大限度兼容现有WDM系统。为实现单载波400G传输,调制格式可以采用16/32/64QAM的不同阶数。对于16QAM调制,需要能支撑60Gbaud速率的光电器件,ADC/DAC(模数转换/数模转换)的采样率将超过100Gsample/s,单载波方案相对于双载波方案,其波特率增加了1倍,其光谱宽度和200G QPSK类似,无法在50GHz频谱带宽内传输,至少占用75GHz或100GHz的光谱宽度,其传输容量与双载波一样,但传输系统OSNR要求非常高,传输距离在200km内,只适合在距离较短的城域范围内应用。对于32QAM或64QAM调制格式,由于过于密集的星座图导致OSNR需求急剧增加和非线性效应的影响加剧,传输距离相对16QAM方案会进一步缩短。


双载波200G技术方案


   双载波200G技术方案的调制格式主要有8QAM、16QAM和QPSK调制。对16QAM调制格式,可保持现有的光电器件带宽不变而直接提升速率,需要系统对相位噪声有较大的容限,因此要采用更复杂的相噪补偿技术。16QAM方案相对现有100G方案,波分系统容量提升一倍,但是200G 16QAM的系统OSNR要求很高,B2B(背靠背)OSNR容限为17dB左右,如采用EDFA光放,其传输能力约为600km,只能满足中短距离传输;如采用高性能拉曼放大器,200G 16QAM系统传输距离可达1200km左右,可以满足大部分骨干传输网的应用需求。


   200G QPSK的B2B OSNR容限约为15dB,相对于16QAM高阶调制,200G QPSK B2B OSNR容限可降低约3dB,同时相对于16QAM,QPSK具备更好的抗非线性能力,入纤功率比16QAM更高。因此200G QPSK相当于200G 16QAM传输能力提升约1倍,若采用EDFA传输距离可达1200km左右,若采用高性能拉曼放大器,传输距离可达2000km,是干线传输的理想解决方案。


   未来在400G WDM系统建设中,可采用Flex Rate(灵活速率)技术来实现网络成本最优。即利用DSP可编程技术实现调制格式和FEC开销比率的灵活可调,实现不同数据速率和传输距离可变。长距离传输可以选择QPSK或者8QAM来满足传输距离的要求;传输距离较短、容量要求大的场景,可以选择16QAM以提高频谱效率。


四载波100G技术方案


   四载波方案即4个子载波采用Nyquist WDM技术复用,每个子载波上承载一个100G信号,不同的载波通过Nyquist方式复用。


   传统的100G系统采用50GHz波道间隔,如果传输4个100G子载波则需要200GHz频谱宽度。此方案采用Nyquist WDM技术,可以利用灵活栅格,通道内子载波间隔为37.5GHz,这样4个子载波所占频谱宽度为150GHz,通过发送端滤波技术和接收端的滤波恢复算法,可以实现与100G技术相当的传输距离。四载波方案可以实现2000km左右的超长距离传输,但频谱效率相对于100G WDM系统提升不大,不是400G WDM的主流方案。


   综上所述,目前400G WDM传输主要有单载波、双载波和四载波技术实现方案。在使用EDFA和普通G.652光纤的情况下,双载波200G 16QAM是城域传输的理想解决方案,双载波200G QPSK是中长距离干线传输的理想解决方案。单载波400G 16QAM/32QAM/64QAM传输能力较弱,应用范围有限。而四载波100G方案本质上就是100G技术,具有与100G等同的传输距离,适合超长距离传输。在实际部署中,电信运营商应根据不同的应用场景结合自身网络和业务特点选择适合的技术案。              

                                                                                                     ——江苏省邮电规划设计院总工程师袁源


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