1 概述

 

　　隨著云計算、物聯網、新型互聯網等未來寬帶傳送需求的強力驅動，100Gb/s已經逐漸從幕后的技術研究走向了商用前臺，尤其是最近兩年國內發展更為迅速。從2011年年底開始，中國電信、中國移動、中國聯通三大運營商依次開展并整體上完成了100Gb/s技術首次實驗室規模測試驗證，其間華為、中興、烽火、上海貝爾、諾西等公司參與了100Gb/s傳輸設備的測試，Cisco、Juniper、華為、上海貝爾等參與了路由器設備的測試，中國移動與工信部電信研究院合作更是進行了路由器和傳輸設備的100Gb/s現網試點測試，這些測試驗證為100Gb/s設備在商用前功能、性能、穩定性等評估奠定了堅實基礎。從100Gb/s標準化進展來看，國內標準化組織中國通信標準化協會（CCSA）、國際電信聯盟（ITU-T）、國際電氣電子工程師學會（IEEE）、光互聯論壇（OIF）等均得了明顯進展。100Gb/s技術和標準最新進展進一步推動了100Gb/s技術步入商用化的進程，如何合理部署100Gb/s成為業界關注的焦點。本文將在介紹100Gb/s關鍵技術、設備及應用現狀、標準化進展的最新信息基礎上，對于未來如何合理部署100Gb/s技術提出相應建議。

 

　　2 100G關鍵技術

 

　　和40Gb/s技術類似，除了支持現有通路間隔（如100GHz、50GHz）和盡量提高頻譜利用率之外，100Gb/s的關鍵技術主要體現在調制編碼與復用、色度色散容限、偏振模色散容限、OSNR容限、非線性效應容限、FEC等多個方面。

 

　?。?）調制編碼與復用

 

　　從實現方式上來看，100Gb/s的調制格式和復用方式相對40Gb/s而言類型更為豐富，除了基于偏振復用結合多相位調制的調制方式，如偏振復用－（差分）四相相移鍵控（PDM-（D）QPSK）之外,還包括更多級相位和幅度調制的調制碼型，如8 /16相相移鍵控（8PSK/16PSK），16/32/64級正交幅度調制(16QAM/32QAM/64QAM)等，以及基于低速子波復用的正交頻分復用（OFDM）等。這些編碼同時也可以和偏振復用技術結合，組合類型非常豐富。另外，從調制編碼的解調來看，目前主要可采用兩種方式，直接解調和相干解調，其中相干解調主要采用數字信號處理（DSP）技術來實現，這就顯著降低了相干通信中對于激光器特性的要求。

　　綜合目前系統性能要求、相應功能的實現復雜性和性價比等多種因素考慮，目前對于100Gb/s傳輸商用設備，業界一般選擇的長距傳輸碼型為采用相干接收的PDM-（D）QPSK。另外，由于模數轉換器（DAC）和DSP芯片等處理技術涉及超高速電路處理技術，多個廠商于2011年后半年才普遍實現基于100Gb/s信號的實時相干接收處理（阿爾卡特-朗訊公司研發實時處理芯片產品提前實現了1~2年）。

 

　?。?）色度色散容限

 

　　100Gb/s技術的色度色散容限主要依賴于兩種途徑解決，一是采用多級調制降低波特率，從而等效提高色散容限；二是采用數字（電）域的信號處理進行色散均衡，而40Gb/s技術根據調制碼型可以選擇多種方式解決（也包含100Gb/s技術采用的方式），典型的如采用傳統色散補償結合可調色散的方式。傳統逐段進行色散補償的方式在100Gb/s基于DSP進行色散均衡的系統中并不需要，而且在線路中逐段引入色散補償將對于系統性能造成一定的影響，如圖1所示。

 

 

圖1  線路色散補償對于100Gb/s PMD-QPSK系統性能影響

 

　?。?）偏振模色散容限

 

　　對于PMD容限，和CD容限提高的解決思路類似，100Gb/s技術主要采用多級調制、或者多級調制結合電域的信號處理進行PMD均衡，如采用PM-（D）QPSK直接檢測，差分群時延（DGD）最大值(@1dB OSNR代價)可達到10ps左右，而采用相干檢測時可達到75ps左右。對于采用其他調制格式的，如OFDM、16QAM、32QAM等，則支持的差分群時延值更高（由于波特率或子波速率很低）?？紤]到實際光纖網絡光纖鏈路的PMD特性（實際應用系統PMD值一般均小于小于75ps），100Gb/s信號采用PM-QPSK和相干接收技術以后，采用線路直接進行PMD補償的必要性已不復存在。

　?。?）OSNR容限

 

　　OSNR容限是100Gb/s技術的另外一關鍵參數。對于相同的調制格式，100Gb/s相對于40Gb/s的OSNR容限要求要提升4dB左右，這對于系統實際研發而言挑戰性很大。目前采用不同調制格式的OSNR容限差異較大，但相同的調制格式另外采用相干接收后可顯著提升OSNR容限1～2dB以上。幾種比較典型的碼型OSNR容限與頻譜效率之間的關系如圖 2所示(包括相干接收的相位?余量比較)。另外，具體容限值由于不同文獻可能采用不同的參考定義和具體物理實現，其相對值僅有參考意義。

 

　　注：1P表示單個偏振態，2P表示偏振復用（雙偏振態）。

 

 

圖2  100Gb/s 調制碼型OSNR容限比較

 

　?。?）非線性效應容限

 

　　100Gb/s由于采用了多級的相位（幅度）結合偏振復用的調制方式，其非線性效應不但包括主要自相位調制（SPM）和交叉相位調制（XPM）等效應，同時也包括偏振態變化的非線性效應（光纖雙折射效應引起）。另外，由于100Gb/s速率相對于40Gb/s而言，在采用相同調制格式時，比特率和波特率均上升2.5倍，其對于非線性效應的容忍特性與40Gb/s有所差異，如圖 3所示。另外，對于不同相鄰通路的速率的XPM效應，100Gb/s相對于40Gb/s而言非線性容限要高一些，如圖 4所示。

 

 

圖3  100Gb/s PDM-QPSK系統的非線性效應

 

 

圖4  100Gb/s與40Gb/s基于不同相鄰通路的XPM效應比較

　?。?）FEC

 

　　FEC技術引入到高速傳輸系統后可顯著增加系統傳輸距離，但編碼增益與增加FEC開銷后所帶來的代價兩者之間需要平衡，同時FEC技術還需要考慮到現有芯片實現技術的可行性和兼容性等因素。由于具體實現軟硬件技術差異、市場競爭需要等多種因素，目前對于100Gb/s技術僅在域間接口規范采用基于ITU-T G.709的RS(255,239)編碼，對于其他更復雜且編碼增益更高的編碼，目前不同國內外研發機構正在研究，ITU-T和OIF等標準組織也正在進一步地討論規范化的可能性。

 

　　3 100G設備及應用現狀

 

　　借鑒了40Gb/s技術多年的探索和研究經驗，100Gb/s技術在實現路線選擇上避免了百花齊放的格局，采用偏振復用、正交相移鍵控（QPSK）調制、基于數字信號處理（DSP）相干接收的技術方案業界基本統一，這就對于整體產業鏈的合理發展形成了有力的驅動。從最近100Gb/s傳輸設備的具體實現來看，目前主要傳輸設備均采用了類似的技術路線，但技術細節、設備功能、設備性能等方面存在一定差異性。目前100Gb/s設備及應用現狀如下：

 

　?。?）FEC支持類型和實現存在差異，軟判和硬判均在使用

 

　　隨著信息傳輸波特率的提升，100Gb/s WDM系統的彩光接口一般都需要采用不同的FEC技術來提升系統傳輸性能。目前不同廠商的100Gb/s設備選擇支持基于硬判決（HD）和軟判決（SD）兩種基本類型，而且具體HD或SD的冗余速率也不統一，典型如7%或20%的HD，15%或20%的SD等等。具體選擇HD或SD與系統性能、集成度和功耗等密切相關，一般而言相同冗余速率的SD將比HD性能有所提升，但同時帶來集成度降低和功耗提升的額外代價。

 

　?。?）和OTN結合已成業界共識，但目前交叉容量有限

 

　　雖然100Gb/s本身的技術焦點是長距傳輸，但隨著OTN組網及應用的發展，支持100Gb/s長距傳輸的OTN設備應用需求明顯，主要是為了在提升鏈路傳輸容量的同時支持大粒度業務的調度和生存性保障。目前100Gb/s WDM設備大都支持和OTN交叉技術結合，一般采用兩種模式，即100Gb/s板卡直接作為OTN交叉的線路輸出（OTN和WDM緊耦合），或者OTN交叉板卡的線路輸出作為100Gb/s長距板卡的客戶側輸入（OTN和WDM松耦合）。另外，受限于目前技術實現水平，實驗室驗證的最大交叉能力達到12.8Tb/s，相對于8T/s的100Gb/s傳輸容量而言，OTN調度容量有所偏小。

 

　　（3）智能控制功能已基本具備，主要基于OTN平臺

 

　　隨著未來云計算、物聯網等業務應用驅動，光傳送網絡的智能控制功能變得更為重要。目前基于100Gb/s的OTN設備大都支持不同ODUk的智能控制功能。另外，業內也有在同一傳輸平臺上同時提供L0~L2的多層交換和跨層控制功能的技術發展趨勢。從業務的基本恢復功能來看，不同廠商設備的ODUk粒度業務恢復時間還存在一定差異，目前基本量級是數百ms量級。

　　（4）100Gb/s設備基本成熟，已啟動初步（試）商用

 

　　經過國內三大運營商、中國教育網等開展的100Gb/s設備測試結果來看，100Gb/s設備整體上趨于基本成熟，100Gb/s設備的（試）商用化進程即將開啟。從關鍵測試指標來看，100Gb/s WDM設備在實驗室采用G.655/G.652最長可達到20×22dB(80km)甚至更長的傳輸距離（注：采用常規EDFA放大），相應的光信噪比（OSNR）代價和品質因子（QdB）代價均在要求的范圍以內，而且穩定的溫度循環結果等測試結果也進一步驗證了100Gb/s設備關鍵芯片、模塊以及設備整體的穩定性。另外，中國教育和科研計算機網（CERNET）于2012年年初啟動了100Gb/s 光波分復用（WDM）系統的國內招標，中國移動更是在2012年11月份啟動了較大規模的100Gb/s 光傳送網（OTN）/WDM設備的招標,中國電信和中國聯通近期正在籌備相應項目，100Gb/s技術的（試）商用進程即將開啟。

 

　?。?）部分關鍵器件芯片依賴性強，產業鏈發展尚待進一步完善，

 

　　雖然國內100Gb/s 設備基本成熟，但其關鍵器件芯片部分依賴進口，典型如調制器、模數轉換（ADC）、DSP處理芯片等。從2013 OFC全球大會的情況來看，提供100G相應器件芯片的廠商已越來越多，這為100Gb/s技術整體的產業健康發展奠定了良好的基礎，也將進一步降低100Gb/s部署成本。但是，受限于商業芯片的技術現狀，目前100Gb/s設備整體集成度較低，功耗偏大，更高集成度和更低功耗的新一代100Gb/s設備有待繼續研發。

 

　　4 100G標準進展

 

　　100Gb/s技術的國內標準化工作主要由CCSA的傳送網與接入網工作委員會（TC6）的傳送網工作組（WG1）和光器件工作組（WG4）來制定。最近取得的主要標準進展包括：WG1完成了“N×100Gb/s光波分復用（WDM）系統技術要求”的報批稿，以及“N×100Gb/s光波分復用（WDM）系統測試方法”（近期報批），同時WG4已開始開展100Gb/s光模塊及組件的標準參數研究。其中“N×100Gb/s光波分復用（WDM）系統技術要求”中主要規范了N×22dB傳輸模型在G.655和G.652光纖上的關鍵傳輸參數規范，同時考慮了系統技術實現的差異性，采用背靠背OSNR容限、系統傳輸距離規則、FEC糾錯前誤碼率等多種參數量化，目前規范的最遠傳輸能力達到18×22dB（18×80km，適用G.652光纖）和16×22dB（16×80km，適用G.655光纖）。

 

　　100Gb/s 的國際標準主要由ITU-T、IEEE和OIF等標準組織制定。其中ITU-T的SG15主要負責光傳送網及接入網的標準化工作，其中Q6主要負責物理層傳輸標準的規范工作，Q11主要負責邏輯層傳送標準的規范工作。目前針對100Gb/s的標準化工作主要在G.682、G.sup39、G.709等標準中規范，其中G.682今年已經明確提出進行100Gb/s參數的規范，而G.sup39逐步引入100Gb/s技術涉及的一些工程參數考慮，同時G.709的ODUk容器已經支持基于100Gb/s速率的ODU4。

　　IEEE的802.3主要負責以太網物理層規范的制定，目前已經完成了基于40GE和100GE的物理層規范802.3ba，目前正在開展背板互聯（802.3bj）以及新一代40Gb/s和100Gb/s物理接口的規范（802.3bm），其中802.3bm是2012年3月IEEE 802全會上通過的新標準項目立項，其主要目標是完成多模光纖20/100m以上、以及單模光纖500m以上的傳輸距離，預計2014年3月802.3bj標準完成，2015年3月802.3bm標準完成。

 

　　OIF的PLL主要負責高速模塊及器件的規范制定工作，目前已經完成了100Gb/s 長距傳輸模塊、相干接收機等實現協議（IA），目前正在進行第二代的100Gb/s長距傳輸模塊和相干接收機的IA、基于城域應用（中距離）的100Gb/s DWDM傳輸框架、以及基于28G的甚短距離傳輸的通用電接口（CEI-VSR）等IA的制定工作。

 

　　從100Gb/s標準化整體進展來看，目前100Gb/s標準基本完善，正在進行進一步提升集成度、降低功耗等相關標準的規范制定過程之中，預計到2015年左右新一代的100Gb/s標準化工作也將完成。

 

　　5 100G應用建議

 

　　隨著100Gb/s技術的逐步成熟和標準化的基本完善，基于100Gb/s技術的應用策略成為目前業界關注的焦點問題。綜合考慮目前40Gb/s和100Gb/s商用關系、100Gb/s關鍵技術差異、以及100Gb/s產業整體發展等諸多因素，未來100Gb/s部署時建議應考慮如下一些應用策略：

 

　　（1）推進100Gb/s和40Gb/s按需部署，協同發展

 

　　面對大容量業務的傳送需求，目前主要有40Gb/s和100Gb/s兩種高速傳輸技術選擇。40Gb/s網絡已規模商用，100Gb/s初具商用能力，兩者在未來實際部署時面臨競爭和協作，主要涉及到帶寬承載能力、部署成本、運維管理、技術發展趨向等方面。從帶寬承載能力上看，按照思科預測的互聯網流量年均28%左右的增長率估計，未來3-5年整體傳輸帶寬需求增長2-4倍左右，綜合考慮現有網絡規模10Gb/s遠大于40Gb/s的現狀，40Gb/s尚能滿足帶寬傳輸需求；對于部署成本而言，由于100Gb/s系統處于初期應用階段，整體價格明顯大于40Gb/s  2.5倍以上，但考慮到100Gb/s技術路線及產業鏈的趨同性，同時40Gb/s多種傳輸碼型導致整體價格很難顯著下降(雖然目前支持趨同100Gb/s路線的40Gb/s設備增多)，未來100Gb/s系統的價格優勢將逐步體現；在運維管理和技術發展趨向方面，基于單一傳輸碼型、單波長更大容量和無色散補償的100Gb/s系統無疑優勢明顯。國內運營商的研究機構認為，從技術上講，100G技術已經基本成熟，已步入規模應用的全新階段，從成本上講，100G OTU每比特傳送成本目前已達到40G OTU 0.8～1.5倍，比起11年接近2倍的價格水平有了顯著降低，因此，國內一些運營商正在考慮跨越40G直接部署100G。總而言之，預計未來100G將逐步主導高速傳輸市場。

 

　?。?）100Gb/s技術商用應循序漸進，推動100Gb/s網絡合理部署

 

　　100Gb/s技術雖然目前在實驗室進行了比較充分的測試驗證，而且測試驗證結果整體較好，但相對工程應用，實驗室短期測試尚不能完全驗證所有存在問題?？紤]到100Gb/s系統承載容量巨大（滿波8Tb/s），網絡的安全穩定性尤為重要，建議100Gb/s技術在具體部署時應循序漸進，在選擇一定規模試商用網絡較長期運行的基礎上，逐步驗證100Gb/s技術在規模商用前期存在的問題，逐步反饋并解決后逐步擴大商用規模，推動100Gb/s網絡合理部署，在進一步顯著提升傳送網傳輸容量的同時，盡可能保證傳輸系統的穩定性和可靠性。

　　（3）維持合理價格水平，促進產業健康發展

 

　　40Gb/s技術多傳輸碼型的產業格局和惡意的市場競爭等因素導致整體產業基本處于微利或虧本的狀態，在一定程度上嚴重阻礙了40Gb/s產業鏈的健康發展。100Gb/s技術雖然傳輸碼型趨同，但多家供應商并存的現狀也有可能導致100Gb/s設備在競標時的惡意價格競爭，如不及時遏制，100Gb/s產業應用將會重蹈40Gb/s技術的覆轍，整個高速傳輸產業的發展將會受到嚴重阻礙，而承載巨大信息容量的100Gb/s傳輸設備的在線生命周期將可能顯著縮短。為防止類似現象發展，建議運營商、設備商、器件模塊商、設計和研究機構等業務集體努力，維持100Gb/s新技術在商用時的合理價格水平，保持一定的盈利水平，維護并促進100Gb/s產業鏈健康穩定發展。

 

　　6 結論

　　100Gb/s關鍵技術涉及傳統光域、超高速電域數字信號處理等諸多方面，目前技術及設備發展基本成熟，同時CCSA、ITU-T、IEEE、OIF等相應國內外標準制定基本完善。在未來實際部署100Gb/s時，運營商應充分考慮自身現網情況，注重考慮100Gb/s技術與10Gb/s、40Gb/s技術共存和平滑演進、100Gb/s關鍵技術差異、以及100Gb/s產業整體發展等諸多因素，推進100Gb/s循序漸進地進行規模應用。