高速40Gbit/s DWDM的發展

摘要

　　主要分析了40Gbit/s DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復用系統)的技術難點以及關鍵技術，特別是編碼與調製、動態色散補償技術，闡述了烽火通信在領先的40Gbit/s DWDM平臺的研發以及工程實用情況。

1  引言

    隨著業務的近一步發展，特別是數據業務對骨幹網帶寬的拉動，高速WDM技術慢慢走入了我們的視野，從2.5G，10G的普遍商用，到高速40G WDM迅速發展，預示著傳送網正在跨入新的紀元。人們已經從當初「該不該發展40Gbit/s DWDM技術」的疑惑中走出來，越來越多的設備供應商以及網絡運營商投入到高速率DWDM系統的研究和建設中。

    誠然，技術的進步總是伴隨一些新的障礙，在高速40G WDM的發展過程中，也同樣提出了很多新的問題。那些在低速短距離傳輸可以忽略的因素又開始顯現，而且問題越來越棘手，例如PMD(Polarization Mode Dispersion，偏振模色散)，OSNR(Optical Signal to Noise Ratio，光信噪比)容限，CD（Chromatic dispersion，色度色散）色散等都成為40G發展的技術難題。而選擇不同的編碼方式，會使系統的色度色散、非線性、信噪比、PMD都有不同的表現。因此，在應用中編碼方式的選擇顯得尤為重要。

2  編碼與調製

    傳統的WDM應用都是NRZ（Non-Return-to-Zero，非歸零調製）編碼方式，目前已經得到廣泛商用，NRZ編碼以其實現簡單、技術成熟、成本低廉的特點受到了普遍歡迎，在2.5G，10G系統裡尤其如此，而且在實際的工程中也基本滿足了應用的需求。然而，速率如果上升到40G是不是NRZ還適合？是不是有新的編碼方式更適合？高速40G WDM的發展又提出了新的挑戰。

    可喜的是，技術進步始終沒有停止，一批批新的編碼與調製技術解決了傳送過程中遇到的各種問題，包括ODB (Optical Duobinary，光雙二進位碼調製)，CS-RZ（Carrier Suppressed RZ Modulation，載波抑制歸零調製），DPSK（Differential Phase Shift Keying Modulation，差分移相鍵控調製格式），RZ-DPSK，DQPSK（Differential Quadrature Phase Shift Keying Modulation，差分正交相移鍵控調製格式）等。各種編碼有其不同的特點，有著不同的應用場景（見圖1）。例如，ODB編碼方式有較好的色散容忍性能，較低的成本，但非線性和信噪比容忍性能卻明顯不足，而RZ-DPSK編碼方式具有較好的信噪比容限和非線性容限，但目前成本相對較高。             

                             圖1  編碼與調製 

    沒有哪一種技術或碼型具有絕對的優勢，在具體的應用當中，需要關注各個方面指標的性能，包括OSNR，成本，PMD，波長間隔，非線性抵抗能力，CD色散容限等，沒有最好的編碼方式，只有更適合的編碼方式。

    在40G長距離傳輸系統中，合適的編碼方式可以提高系統的容忍能力，降低對系統的性能要求，但對於長距離40G傳輸系統來說，OSNR劣化仍是其不得不面對的技術難題。

3  OSNR的挑戰

    OSNR是光層一個非常重要的指標，特別對於近似模擬系統的波分來講，OSNR很大程度上決定了信號的傳輸質量。高速40G WDM也不例外，OSNR指標同樣對其有著致關重要的影響。相對來說，40G速率更高，接收機帶寬是10G系統的4倍，理念上要求40G比10G有6dB OSNR的餘量。以普遍商用的10G WDM系統為例，當採用NRZ編碼方式下，國標中要求10G速率的WDM系統採用SFEC(Super Forward Error Correction，超強前向糾錯)時，OSNR≥18dB，意味著在40G WDM系統中，當採用SFEC情況下，至少要求達到24dB的OSNR。顯然，在網絡中要達到如此高的OSNR要求是比較困難的，特別對於普遍建設的一干係統來講，很多長距離、大跨段10G WDM的OSNR已經在18~20dB 左右。40G WDM如何大規模地組網應用成為一個非常重要的難題。烽火通信早在2003年就開展了相關的研究，通過幾年的努力，在大量仿真實驗以及工程經驗的基礎上，目前主要有通過引入新的編碼與調製格式來降低系統的OSNR容限，採用低噪聲放大器提高系統的OSNR等。

    WDM傳輸系統除了要考量OSNR值，還要考慮系統色散，在40G高速率傳輸系統中，由於色散容限的降低，使得色散成為制約40G WDM系統長距離傳輸的重要因素。

4  CD色散的挑戰

    CD色散也是影響WDM系統非常重要的因素，在2.5G升級到10G WDM系統當中，當時色散被認為是主要的技術難題，人們通過增加DCM補償的方式進行解決，而且從近幾年10G WDM系統的商用情況來看，DCM (Dispersion Compensator Module，色散補償模塊)補償方式非常成熟，實際的運行效果也很好。40G WDM相對於10G WDM系統速率上升了4倍，色度色散再次成為阻礙其發展的重要因素，單單採用傳輸的DCM補償方式已經很難應用40G WDM的發展。以NRZ編碼的40G WDM系統為例，典型的色散容限為60ps/nm.km，如此小的色散容限如何進行長距離傳輸，成為擺在40G WDM發展的過程中必須克服的難題。目前來看，比較可行的方案主要採用兩級補償的方式，DCM補償和TDCM（Tunable DCM，可調色散補償）補償相結合的方式。第一級粗補償，採用DCM的方式，和10G WDM系統類似，第二級採用TDCM精確補償方式（主要通過光纖光柵實現）。在實際的系統設計當中，通常要求第一級DCM補償之後在整個C波道的各個波長的殘餘色散在800ps之內，再次通過TDCM來進行每個波道精確調節。目前，技術的發展焦點集中在自動色散補償的方式上，烽火通信2005年完成上海－杭州首條40GWDM工程後，一直推動在40G WDM的發展，包括現在正在進行的自動可調色散補償功能的開發，致力於為用戶提供完善的、全面的40G WDM解決方案。該方案在系統接收末端配置可調色散補償器件，即TDCM板卡，利用TDC（Tunable Dispersion Compensator，可調色散補償）器件對分段固定光學補償後的殘餘色散進行精確管理。帶有FEC功能的OTU板卡都可以進行FEC(Forward Error Correction，前向糾錯)的0糾錯和1糾錯計數，對這兩種糾錯計數的實時統計信息可以通過板卡間CPU接口單元通信告知TDCM板卡，TDCM板卡接收到此信息後可以按照預設的色散調整步進對色散補償量進行調整，整個調整過程如圖2所示。接收OTU板卡對線路側O/E轉換後的信號進行FEC解碼，利用解碼晶片提供的糾錯計數可以大致判定當前線路的色散是屬於過補還是欠補，並根據糾錯信息由CPU接口單元控制TDCM（見圖3）單元進行補償調節，一直到線路側FEC糾錯消失即線路色散補償量與線路色散量達到匹配。                     

                    圖2  糾錯計數控制TDCM調整流程圖          

                    圖3  TDCM(可調色散補償） 

    在40G波分系統中，除了信噪比和色度色散等制約因素外，原本在10G系統中並不受關注的PMD，由於DGD容限的降低，也使人們不得不重新審視PMD對於WDM系統性能的重要影響。

5  PMD的挑戰

    PMD一直被認為是限制通信系統的非常重要的因素，特別是對高速WDM系統，問題顯得尤其突出。理論上講，為了保障傳輸系統，PMD容限為脈衝周期的十分之一。

    對於40G WDM來講，當採用NRZ編碼是，其平均PMD容限大約為2.5ps。如此小的PMD容限如何適應長距離的傳輸？目前來看，可行的解決方法通常有3種：一是從源頭上解決問題，採用新的光纖光纜來承建40G WDM系統，一般來說2005年以後鋪設的光纜的PMD值很小，能夠滿足40G WDM系統的對PMD指標要求，特別是G.652D和G.655D光纜；二是採用新的技術來提升系統的PMD容限，包括特殊的編碼與調製技術，如DPSK，RZ-DQPSK等來改善系統對於PMD的隨能力；三是採用PMD補償技術，目前來看，研究的重點主要集中在光域的PMD補償，電域的PMD補償、光電混合的PMD補償，基本原理是通過檢測輸入信號的PMD狀態，與理想狀態相比較的差值作為控制信號來改變PMD控制器的狀態，從而將輸入信號偏振狀態調整到正常狀態 。PMD補償技術多停留在實驗階段，大規模的工程應用目前看來困難重重。烽火通信一直致力於PMD補償的研發，目前研究的重點主要集中在第一階段，目的是使系統獲得更遠的傳輸距離以及更大的傳輸容量。

6  結束語

   40G WDM技術上還面臨著40G放大技術，40G的成幀，FEC/SFEC的實現等，隨著技術的進步以及時間的推移，實現的方案越來越成熟。

    烽火通信一直致力於大容量DWDM系統的研究，早在2005年就和中國電信合作，成功開發出了3.2T（80×40G）DWDM平臺，並在國內首次成功實現了工程應用。充分顯示了烽火通信在光通信領域的技術領先水平，在國內首次採用NRZ碼進行40Gbit/s DWDM傳輸；國內首次將喇曼光纖放大器技術成功應用於80×40Gbit/s DWDM系統，在40Gbit/s DWDM系統精確色散管理、分布式喇曼放大和不等跨距的分布式喇曼放大的OSNR分析軟體等方面具有多項創新，上海—杭州40G WDM工程加載了實際業務，全線運行穩定，填補了國內空白。

    目前，烽火公司主要對40G WDM高速平臺系統進行完善，包括新型的編碼與調製方式、自動色散補償的實現，隨著國內需求的進一步啟動，基於40Gbit/s系統的超高速超大容量光傳輸技術，將大大改善通信網的結構，將使傳輸系統帶寬快速擴展，滿足社會信息傳輸需求，並將產生巨大的社會效益和經濟效益。

來源：電信網技術