100GDWDM系统关键技术及实现原理

【摘要】通信网络中高速率业务的不断发展，对现有的网络的传输带宽提出了更高、更迫切的需求。从目前主流的10/40Gbps光传输技术向100Gb/s演进成为光传输技术的发展趋势。本文简述了100G DWDM系统关键技术的基本原理，分析了100G系统的技术特点及优点并详细介绍了100Gb/s线路侧光模块基本实现原理。

【关键词】100G DWDM；PM-QPSK；相干接收；DSP算法

【Abstract】The continuous development of high-speed services in the communication network puts forward higher and more urgent demand for the existing network transmission bandwidth. From the current mainstream 10 / 40Gbps optical transmission technology to 100Gb / s evolution as the development trend of optical transmission technology. This paper briefly introduces the basic principle of 100G DWDM system key technology， analyzes the technical characteristics and advantages of 100G system and introduces the basic realization principle of 100Gb / s line side optical module in detail.

【Key words】100G DWDM；PM-QPSK；Coherent reception；DSP algorithm

1. 100G系统简介

（1）根据定义，由光传送设备承载的100G传送数据包能够迅速完成任何类型100G数据的传输，其封装格式是OTN或者以太网。总流量分布在城域、局域以及长途密集波分复用（DWDM）网络上。目前ITU组织研究的重点是利用现有100G以太网规范，IEEE802.3ba，在现有40G和10G基础设备上实现100G OTN。

（2）这能够满足越来越高的带宽需求，降低系统复杂度，减少了用于管理的波长，提高了频谱总效率，最终降低了成本。根据定义，目前实现的100G以太网覆盖距离比100G传送网要短一些，一般为40Km。100G以太网和100G传送网有相似的目标，即，寻找以低成本实现高性能快速链接的方法。

（3）OTN含有的网络功能和协议要求能够满足这些需求，以系统方式在光介质上传输信息。本文重点介绍通过光纤承载传送网和以太网载荷。建立同步数字体系（SDH）等OTN机制也在这一定义范围之内，但是我们主要关注LAN到WAN的应用，特别是40GbE和100GbE应用（802.3ba）。出于这一标准化以及工作规划的目的，所有OTN新功能以及相关技术都被认为是电信标准局（ITU-T标准）的工作范畴。

2. 100G系统的关键技术

2.1 偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）。

正交相移键控（QPSK）是一种多元（4元）数字频带调制方式，其信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号。PM-QPSK将单个100G信号分成2个具有不同偏振状态的50G载波信号，然后对每个载波做QPSK调制。因此，该方式能将通道波特速率降到一半，同时，由于每个偏振态可以使用4個相位来表示bit信息，有可以实现通道波特速率降到一半，因此，经过PM-QPSK编码后，波特率可以降至bit率的四分之一。

下图1为PM-QPSK编码方式示意图：

2.2 SD-FEC。

（1）FEC技术被广泛的应用于光通信系统，不同的FEC能获得不同的系统性能，根据接收信号处理方式的不同，FEC可分为硬判决码和软判决码。

硬判决码是基于传统纠错码观点的译码方式，解调器首先对信道输出值进行最佳硬判决，硬判决的FEC冗余度约为7%，已在光通信领域得到广泛应用。

（2）软判决译码则充分利用了信道输出的波形信息，解调器将匹配滤波器输出的一个实数值送入译码器，即软判决译码器需要的不仅仅是“0/1”码流，还需要“软信息”来说明这些“0/1”的可靠程度，即离判决门限越远，判决的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要体现远近程度就要把判决空间划分得更细。除了划分“0/1”的门限，还要用“置信门限”将“0”和“1”空间进行划分以说明判决点在判决空间的相对位置。与硬判决相比，软判决包含了更多的信道信息，译码器能够通过概率译码充分利用这些信息，从而获得比硬判译码更大的编码增益。

（3）OIF建议100G选择冗余度小于20%的软判决纠错编码（SD-FEC），净编码增益可达10.5dB左右，采用SD-FEC的100G技术，能基本达到与10G同量级的传输距离。

2.3 相干技术。

（1）相干是指波的振动量相同，振动方向、频率相同，而且相位关系固定信号的解调机制。利用调制信号的载波和接收到的已调信号相乘，然后通过低通滤波得到调制信号的检测方式。相干检测可检测强度，相位以及频率调制的光载无线 信号。光信号在进入光接收机之前与接收端的本振激光器（LO）进行混频，产生一个等于本振激光器的频率和原光源频率之差的中频分量。

（2）与直接检测相比，相干检测更容易获得大的信噪比，可恢复的信号种类较多，并且频率选择性较好，更适合密集波分复用系统。数字相干接收机通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域，利用成熟的数字信号处理技术在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（CD、PMD）补偿，简化传输通道光学色散补偿和偏振解复用设计，减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。但数字相干接收机将传输通道设计的复杂度转移到了接收机，相干检测获得较好的检测性质代价就是大大提高了系统的复杂性，而且缺乏灵活性。

3. 100G实现的基本原理

3.1 传送网承载以太网帧。

目前，以太网是专网和企业网络的主要LAN技术，公共传送网也支持新出现的多协议/多业务以太网。从IEEE802的一系列标准来看，ITU-T和其他组织还在讨论公共以太网业务和帧传送标准及其实施协议。以太网的主要构成是业务层、网络层和物理层。

3.1.1 业务层。

（1）公共以太网业务层（对于业务供应商）包括不同的业务市场，拓扑选择以及持有模型等。所采用的持有模型以及使用的拓扑类型定义了公共以太网业务。

（2）根据所支持的三类业务，对拓扑选择进行了分类，即线路业务、LAN业务和接入业务。线路业务本质上是点对点的，包括以太网专用和虚拟线路等业务。LAN业务本质上是多点对多点，包括虚拟LAN业务。接入业务本质上是分散式结构，支持一个ISP/ASP为多个客户提供服务。（从公共网络角度看，由于其相似性，线路和接入业务本来就是一样的）。

（3）业务层提供不同的服务质量。SDH等电路交换技术提供有保证的比特率，而MPLS等包交换技术提供各种服务质量，从尽力而为到有保证的比特率。可以在以太网MAC层以及以太网物理层提供以太网业务。

3.1.2 网络层。

以太网网络层支持以太网业务端之间以太网MAC帧的端到端传输，由MAC地址区分业务端具体业务。以太网MAC层业务能够以线路、LAN和接入业务的形式，通过SDHVC和OTN ODU等电路交换技术，或者MPLS和RPR等包交换技术来实现。对于以太网LAN业务，可以在公共传送网内部实现以太网MAC桥接，将MAC帧转发到正确的目的地址。以太网MAC业务不限于IEEE标准定义的物理数据速率（例如，10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、100Gbps），因此，能够以任意比特率提供以太网MAC业务。

3.1.3 物理层。

IEEE为以太网定义了一组明确的物理层数据速率，并提供一组接口选择（电或者光）。以太网物理层在公共传送网上透明传输数据，使用透明GFP映射技术，将10GbEWAN等信号通过OTN传送，或者将1GbE信号通过SDH传送。以太网物理层业务是点对点的，总是采用标准数据速率。与以太网MAC层业务相比，它不够灵活，但是延时很低。

3.2 采用运营商级以太网标准支持OTN。

（1）以太网最初虽然是设计用在LAN环境中，但现在已经广泛应用在骨干网和城域网（MAN）中。以太网在多方面进行了改进，包括更高的比特率和长距离接口、基于以太网的接入网、虚拟网络、更新能力、骨干网供应商桥接、可靠的保护技术、QoS流量控制和流量调理等，因此，它能够作为网络运营商的承载网。此外，以太网很容易实现多点对多点链接，在现有点对点传送技术下，需要n×（n-1）/2路链接。

（2）如图2所示，运营商级以太网将以太网从LAN扩展到WAN，尝试进入整个通信支撑系统中。其目的是为用户提供WAN技术将站点链接起来，其方式与运营商以前采用的ATM、帧中继和X.25技术相似。运营商级以太网不是LAN采用的以太网，例如，客户在桌面以及服务器房间中使用的以太网。

3.3 100G实现基本原理。

3.3.1 100G线路侧模块发送端基本原理。

（1）100Gb/s线路侧光模块的设计目标是应用于长距离光传输，支持OTU4的DWDM设备线路侧传输。下图3为100Gb/s线路侧光模块发送端的原理框图。

（2）如图所示，可调谐激光器（ITLA）输出的连续光送入QPSK调制器（Modulator），在調制器中通过一个偏振分离器件产生PBS后成为两路偏振太相互正交的光波，没个偏振太分别由一个QPSK调制器对该光波进行调制，调制信号时有MUX产生的两路I和O信号，通过宽带放大器（Driver）将I和O信号放大，施加在调制器上产生电光调制。调制后的两路QPSK信号经过一个PBC合成一路PM-QPSK偏振复用信号输出。对于QPSK调制器（Modulator）还需要通过闭环控制对其I、Q和Pi/2相位多个偏置点进行反馈控制（MZ bias control），使QPSK调制器（Modulator）长期稳定地工作在正常的偏置状态。此外，发射单元还通过SD-FEC的编码器（SD-FEC Encoder）将需要传输的业务数据进行编码并输入到MUX（X）和MUX（Y）中，通过并串转的方式产生4路串行数据输出到渠道器（Driver）中。

3.3.2 模块接收侧基本原理。

（1）如图4所示PM-QPSK光信号讲过长距离传输后，由光模块的相干接收单元（Coherent Detection）接收，光信号通过偏振分束器分为两个相互正交的偏振光信号，记为X方向和Y方向，X方向和Y方向的光信号分别于相应本振偏振光进行90度相干混频（900Hybrid），混频输出的信号经过平衡光电检测器（O/E）进行光电转换，然后通过ADC进行抽样和量化处理，完成模拟/数字变换，最后，抽样量化后的离散数字序列被送入数字信号处理（DSP）单元中进行处理。

（2）在数字信号处理单元（DSP）中，数字信号经过时钟恢复处理实现同步，经电域均衡实现偏振解复用及去CD，PMD及部分非线性效应损伤，通过频偏估计和相应判决处理消除本振光源和发送光载波的频差以及相位噪声的影响。然后将处理后的数据送入SD-FEC解码器单元（SD-FEC Decoder）进行解码，最后恢复出数据信号。

3.3.3 DSP算法基本原理。

3.3.3.1 数字信号处理单元完成DSP算法，该算法只要可以分成5个子功能：数字时钟恢复（Clock Recovery）、均衡和偏振解复用（Equalization with Polarization Demultiplexing）、频偏估计（Carrier Estimation），相偏估计（Phase Estimation）、解码和数据恢复（Slicer &Decoder）。其功能框图如图4所示。

3.3.3.2 下面对将分别对框图中各单元进行简单介绍：

（1）数字时钟恢复。

数字时钟恢复的目的是：由于ADC的采样时钟是独立于发射端的符号时钟的，所以必须利用插值滤波器接收机的符号取样时刻，使得调整后的接收机采样时钟与发射符号时钟同步，即保证ADC的采样速率与符号速率完全吻合。

（2）均衡和偏振解复用。

均衡和偏振解复用是对单个偏振太进行的。均衡的作用是消除由于信道的线性因素造成的信号串扰，可以采用固定或可变抽头系数的FIR实现而偏振解复用需要采用蝶形滤波器实现；偏振解复用是为了将两个偏振太的信号分离开。因为信号传输时，两个偏振太中间有串扰（偏振耦合造成），而且由于偏振旋转，接收端PBS之后的信号偏振太与初始偏振太不对应。

（3）载波频偏估计。

由于激光器的非理想特性，光相干接收机种本振激光器的振荡频率，可能会与载波频率之间存在一定的偏差，这个频率偏差反映在符号上，是相位的偏移，对于PM-QPSK这种相位调制系统而言，必须去除频偏带来的相位偏移，才有可能解调出最后的数据符号，因此，频偏估计是接收机种不可缺少的一个模块。其原理是对频偏大小的检测，在根据估计出的频偏值，对符号进行相位修正以去除频偏的影响。

（4）载波相偏估计。

由于激光器存在线宽，所以其真实振荡频率附近会产生一些相位偏移，再加上频偏估计的误差，使得频偏估计之后的符号，其相位偏移依然存在，并且这个偏移量随着时间而变化，可以覆盖到0到2π所有范围。载波相位恢复的目的就是去除这部分相位偏移量，使其输出的符号相位可以直接用于符号判决。载波相位估计的基本原理是获得出了信息相位意外的相位偏移量，并从每个符号中去除。

（5）解码与数据恢复。

对于QPSK，在恢复出信号的相位后，可根据相位调制规则分别得到两个偏振太的I、Q路信号；对于DQPSK，恢复出信号相位后，还需要将前后两个符号的相位相减，再得到两个偏振太的I、Q信号。

4. 100G系统的技术特点及优点

众所周知，单信道速率的每一次提升，都会受到包括OSNR容限、色散、PMD及非线性等传输损伤的限制，因此需要更为先进的技术来减小这些传输损伤的影响，100G融合了偏振复用、相位调制、超强FEC、相干检测、DSP等多技术，现行100G技术解决方案特点有以下几点：

（1）通过采用技术偏振复用，利用光信号的两个偏振态之间相互正交特性来实现在同一个光载波上携带两路信息，使得信号码元速率下降一半。

（2）利用QPSK技术可以使光载波携带的信息量增大一倍，与偏振复用的结合使得100G信号波特率降低到约25Gbaud/s，因此能够应用在50GHz间隔的OTN系统中，同时也降低了信号对光纤非线性容忍度的要求。

（3）通过LDPC（低密度奇偶校验码）解决方案，以及软判决方式，有效的提高和编码增益。

（4）相干检测与ADC和数字信号处理（DSP）的结合也是100G极为关键的一项技术突破，相比于直接检测和自相干解调方式，相干检测及DSP技术结合能有效提高解调效率，提高接收机灵敏度，在电域均衡色散和PMD，降低成本等优点。

参考文献

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[文章编号]1619-2737（2017）07-20-675

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