100G传输技术及应用探讨
来源：邮电设计技术
作者：汤瑞1，李允博2，赵文玉1，吴庆伟1
（1. 工业和信息化部电信研究院通信标准研究所，北京100191；2. 中国移动通信研究院）
摘要： 国内三大运营商分别完成100G系统测试后，也相继或正在启动100G系统现网（试）商用。100G技术逐渐从规模验证阶段开始走向商用阶段。与40G系统以纷繁复杂的调制码型区分应用场景不同，100G系统的码型和调制方式归于统一，偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）传输码型结合相干接收成为主流方案，同时数字信号处理（DSP）算法以及前向纠错（FEC）编解码成为决定100 Gbit/s性能的关键因素组成。本文对100G系统的技术特性和传输性能进行了分析，同时还较深入讨论了100G系统规模应用时面临的混传、OTN调度、跨段规范等问题。
Abstract：
Key words :
0 前言
国内三大运营商分别完成
100G系统测试后，也相继或正在启动100G系统现网（试）商用。100G技术逐渐从规模验证阶段开始走向商用阶段。与40G系统以纷繁复杂的调制码型区分应用场景不同，100G系统的码型和调制方式归于统一，偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）传输码型结合相干接收成为主流方案，同时数字信号处理（DSP）算法以及前向纠错（
FEC）编解码成为决定100 Gbit/s性能的关键因素组成。本文对100G系统的技术特性和传输性能进行了分析，同时还较深入讨论了100G系统规模应用时面临的混传、
OTN调度、跨段规范等问题。
1 100G 系统主要传输技术
1.1 100G 系统OSNR与FEC
光信噪比（OSNR）是WDM 系统最关键的指标之一。相对10G系统或40G系统，100G系统由于速率明显增加，对OSNR的要求更为严格。基于PM-QPSK结合相干接收的100G传输技术方案，一方面通过多级调制降低信号波特率，降低系统OSNR要求，另一方面，基于相干接收原理并结合高速DSP处理也可同样在明显改善OSNR要求的基础上，还可在电域补偿数万ps/nm的色度色散（CD）和数十ps的偏振模色散（PMD）。
FEC技术以编码冗余度（7%~20%）以及相应的芯片处理复杂度来换取更大的净增益，同时也是改善100G系统OSNR要求的关键技术之一。光互联论坛（OIF）建议软判决FEC开销比小于20%，纠错极限可以达到1E-2量级。根据研究结果，低于20%开销比时净增益随着冗余度增加而增大，而超过后受错误平层（Error Floor）影响增益反而下降［1］。另外，信号速率提高导致数模转换（ADC）和DSP处理能力要求也急剧增加（见表1）。7%开销的硬判决（HD）方式（有些厂商也采用FEC开销比大于7%的HD方式），ADC的采样率一般需要56 GSa/s左右，软判（SD）的开销比达到20%时，线路速率达到128 Gbit/s，ADC采样速率一般需要64 Gsa/s左右，功耗基本要比硬判决高出20%左右，同时也要采用40 nm 甚至28 nm 工艺的专用集成电路（ASIC）技术才能实现高运算量和低功耗目标［2］。从目前设备厂商的设备具体实现来看，大部分厂商倾向于软硬结合的判决方式，以平衡算法复杂度、功耗等关键参数。
1.2 100G 系统非线性效应
光纤非线性效应的强弱与入纤光功率、光信号速率、调制码型特性、光纤色散系数以及跨段数目等均有关系。在相同传输码型的前提下，光信号的调制速率越高，一般对光纤非线性效应的忍耐程度越低［3］。从100G系统实验室测试验证结果看，非线性效应明显限制了100G系统的入纤功率大小（见图1）。若按照基于2 dB 系统OSNR 代价衡量标准，当系统采用G.655光纤时，实验室测试结果显示在长距传输时100G系统入纤功率不建议超过3 dBm，G.652因光纤芯径差异导致非线性效应略弱，入纤功率可适当提高一些。
1.3 100G 系统滤波效应
100G系统多跨段长距离传输一般都需要采用基于波长选择开关（WSS）的可重构分插复用器（ROADM）进行功率均衡，同时考虑到未来100G系统城域网应用，100G系统也需要支持多个ROADM级联传输，因此研究100G系统信号的多级滤波效应非常重要。
由于ROADM同时对信号和噪声进行滤波，而且滤波器个体也存在差异，因此ROADM的级联使用会引入一定滤波代价。从实验室验证结果来看，15 个ROADM级联的OSNR代价小于1 dB（见图2），这样一般能够满足100G系统大部分应用场景。
1.4 100G 系统传输性能评价参数
对100G系统来说，随着非线性效应的增强，OSNR已无法完全反映系统的传输质量，因此采用结合光域（OSNR）和电域（FEC纠错前误码率）进行系统传输性能评价的方式非常重要，单纯偏向于哪一种，均对于系统实际应用形成不利影响。
在目前标准规范中，N×10G系统采用了OSNR作为关键参数评价系统的传输性能，N×40G系统则采用OSNR结合FEC纠错前误码率的方式评价系统传输性能。目前100G系统整体性能评价参数方法和40G系统趋于一致。由于FEC纠错前误码率与所采用的判决方式及开销占用情况密切相关，因此100G系统行业标准在40G系统应用的基础上根据100G系统所采用的关键技术类型对于FEC纠错前误码率进行了更详细的区分。
2 100G 技术工程应用分析
2.1 多速率混传应用
从目前的100G系统应用场景来看，多速率混传主要存在以下3种情况。
a）现有N×10G WDM系统直接扩容，10G系统和100G系统多速率混传。
b）现有N×40G WDM系统直接扩容，40G系统和100G系统多速率混传。
c）特定应用需求情况下，新建网络10G 系统和100G系统多速率混传。
10G 系统和100G 系统混传时，采用强度调制的10G系统与采用相位调制的100G系统通道间非线性效应明显，同时对于100G传输线路，10G传输线路使用的DCM模块引入了非线性效应，降低了100G系统的传输能力。在实际混传时10G系统与100G系统采用信道保护（至少150 GHz左右）才能显著降低不同速率信道之间的串扰影响。40G系统和100G系统混传时，混传代价与40G系统传输码型相关，若传输码型与100G系统相同，影响不大，若采用其他传输码型，则存在一定影响，但从整体上来看，因40G系统速率普遍采用相位调制，具体影响也稍弱于10G系统和100G系统混传情形。
因此，综合来看，混传不仅与不同速率系统兼容性相关，同时一定程度上会增加系统运维难度和安全风险。因此，考虑到目前的100G系统主要应用需求（路由器/数据中心连接），还是建议以新建100G 网络为主。
2.2 OTN 调度应用
基于100G系统（ODU4）的交叉容量需求与现有节点交叉容量差异过大，如果以典型3个维度80×100G系统而言，交叉容量就需要24 Tbit/s，已经超出目前业界的最大处理能力（6.4 Tbit/s）。如果采用多节点堆叠方式（类集群）实现较大的大交叉容量，会存在局部阻塞情形，如果采用基于小粒度的交叉调度（ODU0/1/2/3等），采用100 Gbit/s线路速率时，也会同样面临类似ODU4的交叉容量问题。
综合来看，现阶段支持ODUk的大容量交叉设备还属于初步发展阶段，即使采用调度功能，局部100G线路调度应该还是近期的典型调度方式。
2.3 跨段参数应用
10G WDM 系统标准规范了多种跨段模型，40G WDM系统标准规范了常规22 dB的多跨模型。在确定100G WDM系统标准是否需要规范除22 dB之外的其他多跨传输模型以满足工程应用需求之前，需要首
先讨论不同模型的入纤功率和配置的EDFA噪声指数差异性。
以N×25 dB跨段为例，每个跨段损耗增加3 dB，若不增加入纤功率，由于EDFA的噪声指数变化不大，因此与衡量系统末端OSNR的准则类似，单独规范的意义并不大。如果可以增加入纤功率，则由于入纤功率、非线性效应和传输段损的综合变化，单独规范的实际需求还是存在的。
目前行业标准规范了使用G.652和G.655光纤的N×22 dB传输规格。从100G系统前期的实验室测试结果来看，在现有22 dB入纤功率的基础上提升0.5~1 dB功率存在一定可行性，运营商可根据现网建设需求规范其他跨段传输的系统参数。
3 结束语
100G技术在需求及技术双重驱动下，目前已开始逐步进入商用阶段。采用PM-QPSK码型、基于DSP的相干接收、软/硬判FEC等技术，100G系统在CD、PMD和OSNR限制方面取得了显著突破。同时，由于100G系统技术与10G系统、40G系统存在典型差异，在后期的大规模应用当中，多速率混传、OTN交叉调度、性能比较与评价、测试方法、标准跨段模型等问题还需要进一步讨论。
此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。