100G光纤传输关键技术发展现状

摘要:100G传输技术被公认为是下一代骨干网络技术,近几年来掀起世界范围内的研究、测试热潮。但在正式商用化之前,还面临着很多技术上的挑战,其依然是一个正在发展中的技术。本文通过总结、分析,简要介绍了100G传输关键技术目前的发展情况。

关键词:100G 码型调制 接口 封装映射 光电器件

中图分类号:TN96 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0035-02

近年来,随着固定宽带和移动宽带的高速发展,人们对带宽的需求越来越大,相关机构预测的结果是:未来几年我国干线网络流量年增长率将达到60%～70%,5年后干线网络带宽要求将是目前的10～15倍,骨干传输网总带宽将从现在的64Tb/s增加到120～155Tb/s,甚至达到200Tb/s,现有网络正面临着越来越大的带宽压力。为解决这一矛盾,同时也为兼顾经济性,网络平滑升级至40Gbps/100Gbps是最佳的方式。2008年,基于40Gbps速率的WDM系统,已经开始规模化商用,由于发展迅速,40G容量已经难以满足需求,众多网络运营商和设备制造商纷纷将目光投向了100GbpsWDM系统。

1 关键技术进展

100G传输需要解决四项关键技术,分别是:码型调制技术、接口技术、封装映射技术以及关键光电器件技术[1]。2010年6月17日,IEEE正式批准了IEEE802.3ba40G/100G以太网标准,定义了物理编码子层(PCS)、媒体介入控制层(MAC)、物理介质介入子层(PMA)、物理介质相关子层(PMD)、转发错误纠正(FEC),各模块及连接线口总线以及片间总线、片内总线。其中40G主要面向数据中心,100G主要用于网络汇聚和骨干网。与此同时多个光通信标准组织也在积极制定相关规范,目前除100GE接口技术、100GE封装映射技术已经由IEEE、ITU、OIF制定了相关规范,技术趋于成熟,其余部分还有待完善。

1.1 码型调制技术的发展现状

目前100G线路传输技术主要由两种方案:多波束传输方案和单波束传输方案[2]。

多波束传输方案,是指将100G信号反向复用为多波长的10Gbps/40GbpsOTU2/OTU3信号。该方案的优点是在现有条件下实现,无需对现存的10G/40GDWDM网络进行改动(码型仍然使用ODB/DRZ/ERZ-DQPSK),且可以使用现有的光电器件传输,不会对现有的10G/40G信号产生影响;但是在波长利用率、波长管理、波间时延方面还存在问题,故此方案只用于过渡期,不能成为最终方案。

单波束传输方案可以使得业务和波长一一对应,这样可以简化网络管理。随着各型器件的不断发展以及运营商成本不断降低,这一方案将会成为发展的主要方向,因此目前讨论的100G传输多指100G单波束传输。

随着100G信号传输时比特速率的增加和传输距离的延长,波分长距离传输系统面临一系列物理限制因素的挑战,主要包括[3]以下几点。

(1)OSNR要求增高。

(2)色散容限降低。

(3)非线性效益增强。

(4)PDM效益的增加等。

为避免这些物理效应的危害,通常需要使用更加高级的码型调制技术,主要包括以下措施。

(1)采用相位调制格式。二进制差分相位调制(DPSK)相较于二进制启闭键控(OOK)在OSNR方面需求可以降低3d,另外由于相移键控调制(PSK)是一种恒包络调制,有利于降低比特图形的非线性效应,因而在40G传输中广泛使用PSK调制。

(2)采用多进制调制。在40G传输中,使用正交四位调制(QPSK)可以满足在40Gbps比特率不变的条件下将波特率降低,有效降低光谱带宽,以支持50GHz间隔的WDM传输,此时PDM容量增加到6ps～8ps,这样就满足了长距离传输的需求。

(3)采用RZ技术。相较于NRZ-OOK技术,RZ码型可以降低系统的OSNR要求、增强了抵抗非线性效应的能力、增强了抵抗PDM效应,另外,带啁啾的RZ码型可以补偿非线性效应产生的相位畸变,因此啁啾归零码差分正交四相位调制码型(CRZ-DQPSK)成为了40G系统中最主要的码型。

(4)采用偏振复用(PDM)方案。由于100G系统比特率至少高达112Gbps,若直接使用QPSK调制,对光电器件的工艺提出了很高的要求,而采用PDM方案,则可以利用光的两个独立偏振态各自承载56Gbps业务信息,系统的波特率将降低到28Gbps,这样现有40G系统的光电器件就能用于100G系统,有利于降低功耗和成本。

(5)采用光相干检测接收和DSP技术。光相干检测技术可探测并同时获知光场的偏振、幅度和相位信息,在了解这些信息后,可以调用数字信号处理(DSP)的方法消除色散和PMD导致的畸变和干扰,以此恢复码元信息的纯净度。

PDM-QPSK技术在成熟度和复杂度之间取得了最佳平衡,且可以很好的支持相干接收和DSP技术,三者相互配合,已成为100G传输的最主流的配置方案。

(6)采用FEC技术。在100G系统中,使用了第三代前向纠错技术(FEC),这一代FEC技术普遍采用低密度奇偶校验码(LDPC)、Turbo乘积码(TPC码),可以提供11db的净编码增益,可以降低OSNR的要求。此技术在IEEE802.3ba40G/100G以太网标准中已做定义。

100G系统在进行数据传输时,需要将以上多种技术进行融合,以能保证传输的稳定性与可靠性。其中涉及到的多种新型光/电器件,如高速成帧器、Mux/Demux、CDR、28Gbps高速双偏振QPSK调制器、双偏振相干接收装置、56GS/s高速ADC以及DSP芯片/均衡算法、40nm工艺的ASIC等,这些都在被逐渐攻克,产业链日趋成熟。

1.2 接口技术的发展现状

在技术规范的制定过程中,几个光通信标准组织侧重点各不相同:IEEE主要制定客户端的网络接口和以太网相关映射标准,包括10×10G、4×25G两种接口;ITU-T主要制定运营商网络相关标注,包括制定ODU4/OTU4的规范,以及40GE/100GE映射到OTN以及DWDM帧结构的方式;OIF则主要制定电接口标准[4]。

物理接口的可靠性和监控、保护是100GE接口技术主要解决的问题。其关键技术主要包含物理层通道(PHY)汇聚技术、多光纤通道及波分复用(WDM)技术[5]。接口支持全双工操作,保留了802.3MAC以太网帧格式,定义了多种物理介质接口规范,具体如下[6]。

(1)100m并行多模光纤接口。

10×10GE短距离互联MMFLAN接口,采用并行的10根光纤(10.3125Gbps/s通道)或者10个C/DWDM传输(40G使用4根光纤),使用轮询机制进行数据分配获得100G/40G速率,但是相关器件存在着封装密度大和功耗控制问题需要解决。

(2)10km单模光纤接口。

4×25GE中短距离互联SMFLAN接口,采用4波WDM方式在同一根光纤上传输。此接口设计的物理层技术与现有的器件和模块不兼容,25Gbit/s串行并行转换电路(SERDES)技术和非制冷激光器件的技术需要突破,另外还要开发合适的编码调制技术和封装技术(由CFP多源协议(MSA)进行规定)。

(3)10m铜线铜缆接口和1m系统背板连接接口。

此接口主要用于电接口的短距离互联和内部互联,其中1m背板连接接口目前在100GE系统上尚无定义。

(4)40km传输用接口。

铜缆介质有关接口(MDI)采用SFF-8436和SFF-8462的标准定义。

标准明确定义了通过虚拟通道的方法解决适配不同物理通道或者光波长的问题,物理层编码采用64B/66B。标准还定义了MAC、PHY间的片间总线使用XLAUI(40Gbit/s)、CAUI(100Gbit/s),片内总线使用XLGMII(40Gbit/s)、CGMII(100Gbit/s)。

虽然标准给出了100Gbit/s接口的定义,但是目前还面临很多问题,上文中虽然已对其中的部分做了阐述,但接口对应的相关芯片方面还存在以下问题。

(1)虽然在MAC层没有障碍,但是在专用集成电路(ASIC)设计制造出来前,PMA业务接口、电接口规范要求的每个通道工作在10.3125Gbit/s的速率实现起来却有问题,这是因为目前只有少数公司有实力可以使初期使用的基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的MAC支持到10.3125Gbit/s。在之前的实验评估阶段,是通过8/20个5.15625Gbit/s通道转换到4/10个10.3125Gbit/s通道的过渡方法来解决的。

(2)接口配套的包处理器。

这方面目前还没有一个通用的方案,尚处于评估阶段。主要的问题是面对串行高速总线接口高带宽、接口转换导致和多片的堆砌时,单芯片面积和功耗都难以控制。

(3)分组交换系统(交换网和交换网接口芯片、流量管理芯片)。

新线卡背板接口带宽最大200Gbit/s、背板SERDES总线速率需支持到10.3125Gbit/s,这对设计、工艺、材料、总线长度都有苛刻要求;此外还需要满足虚拟队列(VoQ)、层次化服务质量(HQoS)等管理特性,系统的设计难度又提高不少;还有一点就是大功率以及随之带来的高发热量等等问题。

以上这些问题,都是在大规模的应用之前,必须要着手解决的。

1.3 封装映射技术的发展现状

ITU-TQ11济州岛中间会议达成了40G/100G以太网接口的OUT映射定义:40GE映射到OPU3,传输编码1024B/1027B;100GE映射到ODU4/OTU4,比特率为111.809973Gbit/s。对100Gbit/s以太网而言,虚拟级联技术可以实现适配,但是效率不高,因此使用串行密集波分复用技术(DWDM),将10×10GE/4×25GE通过ODU4适配到111.809973Gbit/s的OTU4中,以提高效率。

传统的DWDM系统被认为是点到点的技术,在业务的调度与组网技术方面存在者不足。随着上层IP业务的迅速发展,要求底层传输平台更加灵活和智能,此时OTN技术的优势将会体现出来。OTN技术是在WDM和SDH/MSTP的基础上发展起来的,既结合WDM大容量传送的特性,又引入了SDH/MSTP的交叉概念,因此拥有类似于SDH/MSTP的完善的OAM能力:在光端OTN可以实现大颗粒的处理,在电层,OTN通过使用异步的映射和复用,把SDH/SONET的可运营、可管理能力应用到了WDM系统中,形成了一个以大颗粒宽带业务传送为特性的大容量调度的网络。因此OTN成为了100G网络中最有竞争力的一种技术。

在适配到OTN时,除了是可以映射到OTU4中,还可以反向复用到OTU2/3中,主要由ODU2e-10v反向复用和ODU2-11v/ODU3-3v反向复用两种方案,采用GMP方法予以实现。这一方案在ITU-TQ11会议上已经明确并使之标准化。

另外还有一种方案,是将100GE的高速串行信号反向复用为10G/25G的低速并行信号[7],通过Multi-linePCS层汇聚后再映射到OTN,或者比特透明独立映射的方式实现。

1.4 关键光电器件的发展现状

上文中已经提到,100GE传输将采用高级码型调制、偏振复用、光相干检测接收/电处理、新一代前向纠错等新技术,这些都需要高速光电器件才能实现,预计今年这些器件将会走向成熟。

为保证高速率数字信号的顺利传输,光模块和高速DSP是重中之重,前者用于信号的调制,后者则对相干电接受至关重要,只有这样,才能提高接收灵敏度、加大传输距离。

所幸现在各运营商、设备商都在积极投入其中,一系列更加强大的、新型的光电器件都已进入开发、测试阶段,比如光子集成技术(PIC),就将传统的光通信器件和子系统由分离的激光器、调制器、控制单元、滤波器和波导等集成在一块基片上,从而减小了体积和复杂度。随着研究的不断深入,关键光电器件将不再成为瓶颈性的问题,从而为大规模的实现100G以太网创造了条件。

2 结语

100Gbit/s以太网以其美好的应用前景,正吸引着越来越多的人投身其中,虽然还有很多技术问题尚待解决,但是随着标准的不断制定与完善、各大公司持续的研究投入下,在商用之路上已经加速发展[8]。

在这个过程中,也有着巨大的机遇。十二五期间,我国提出了更高的宽带战略目标,可以预见在不久的将来高速光纤将全面普及,在全球经济持续低迷的情况下,这无疑是对通信产业注入了一针强心剂。虽然我国在100G技术上的起步较晚,但是并没有落后于国际。自去年12月开始,中国电信、中国移动、中国联通三家运营商已经或者即将开展测试,华为、中兴、烽火等众多设备制造商也已经制造出相关设备参与其中[9]。

因此我们有理由相信,100G光纤传输的大规模部署,将在近几年实现,让我们拭目以待。

参考文献

[1] 100G传输技术新进展[J].华为技术.

[2] 张海懿.100G光传送技术新进展[J].卫星电视与宽带多媒体,2011,9.

[3] 100G波分复用传输的关键技术及发展趋势[J].华为技术.

[4] 汤瑞,赵文玉,吴庆伟,等.40G/100G标准化现状及发展趋势[J].邮电设计技术.

[5] 张远望.100G以太网技术和应用[J].中兴通信技术,2009,5.

[6] 100G传输时代来临[J].华为技术.

[7] 姚民.100GE接口的实现及在城域网部署[J].IP领域,2012,20.

[8] 李园.下一代40/100GDWDM最新进展[J].通信世界,2010,3.

[9] 张海懿,赵文玉.100G光传送技术渐入佳境[J].中兴通信技术,2011,3.