100GDWDM系统关键技术及实现原理.doc

100G DWDM系统关键技术及实现原理刘志宁 张华锋重庆市电信规划设计院，400041liu_zhining；zhanghuafeng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。关键字：100G DWDM PM-QPSK 相干接收 DSP算法1 背景介绍通信网络中高速率业务的不断发展，对现有的城域网络及省际、国际骨干通信网络的传输带宽提出了更高、更迫切的要求。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。近年来大量研究表明，相位调制及相干接收时最具前景的100G光传输方式，其中，采用相干接收技术的PM-QPSK传输系统最被业界认可，信道中的各种损伤，如色散，PMD，载波的频率和相位偏移等，都可以通过PM-QPSK系统接收机利用数字信号处理（DSP）技术在电域中进行灵活的补偿并进行信号重构。因此，PM-QPSK结合相干检测提供了最优化的解决方案,这被大多数的系统供应商选择为100G传输方案。2 100G系统关键技术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个相位来表示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。下图为PM-QPSK编码方式示意图：图1 PM-QPSK编码示意图2.2 SD-FECFEC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。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。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。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实现基本原理3.1 100G线路侧模块发送端基本原理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。下图为100Gb/s线路侧光模块发送端的原理框图。图2 100Gb/s线路测试光模块发射机原理框图如图所示，可调谐激光器（ITLA）输出的连续光送入QPSK调制器（Modulator），在调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。3.2 模块接收侧基本原理如图3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。图3 100Gb/s线路侧光模块接收机原理框图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 DSP算法基本原理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。图4数字信号处理单元功能框图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2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。5 100G技术应用现状及发展趋势5.1 100G技术应用现状100G技术是融合了PM-QPSK、相干接收、超强FEC等多种关键技术的新型高速传输技术。虽然100G技术提出的时间较短，但是从该技术的提出到接近设备成熟可谓异常迅速。100G技术的源头是100GE业务，100GE技术的相关标准已由美国电气和电子工程师协会(IEEE)、国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)和光互联论坛(OIF)等进行开发。2010年IEEE802.3ba对100GE完成了规范，而ITU-T在2009年底就为100GE业务承载定义了OTU4，同时OIF规范了业务的100G 长距模块的实现以及100G互连互通接口规范。得益于IEEE、ITU-T、OIF等标准组织几乎同步推进并发布100G相关标准，100G市场被业界一致看好，普遍认为100G是一个具有10年以上长寿命的产品。随着100G相关标准的相继发布，2011年国际主流设备商先后推出了100G DWDM骨干传输解决方案。为了解决干线传输带宽压力，全球领先运营商积极推进100G商用化进程。典型如华为在KPN的100Gb/s部署、阿朗在法国Completel的100Gb/s升级、香港新世界电信的100G部署等。2011年中国电信启动了100G DWDM设备研究性测试，在此基础上完成了国内100G DWDM设备技术要求(标准)，中国移动近期正在进行100G DWDM设备的测试，预计今年中国电信和中国移动都会启动100G DWDM现网部署。5.2 100G技术发展趋势100Gb/s技术的关键特征决定了其是未来几年高速传输带宽的主流提供技术。从100Gb/s后续发展趋势来看，2012年将是100Gb/s长距传输的测试验证年，2013年将是100Gb/s技术现网试验年，2014年在体积和功耗进一步降低后将逐步推动规模商用，而更高速率的400Gb/s或1Tb/s将重新成为高速传输应用技术新的关注焦点。6结论经过光通信界的共同努力，100G DWDM技术已基本成熟，主流光网络设备商都适时推出了100G长距离光传输解决方案，国内外运营商已启动了商用测试的步伐，我们将迎来100G DWDM时代。参考文献1崔平、赵文玉等.100Gbs光收发模块技术发展研究.中国通信标准化学会研究报告.(2011.11)2李智宇.100Gb/s PM-QPSK相干接收机载波频偏估计和相位恢复算法的研究.北京邮电大学硕士研究生学位论文（2010.1）3100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document (2009.6)4OIF-FEC-100G-01.0.100G Forward Error Correction White Paper(2010.5)5Draft CFP MSA Management Interface Specification V2.0r07(2011.6)6张海懿.100G光传送时代渐行渐近.人民邮电报.(2010.11)7ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Nework(OTN).2009.作者简介：刘志宁，毕业于重庆邮电大学，现就职于重庆市电信规划设计院有限公司，现主要从事于WDM、OTN、SDH、MSTP、ASON系统的工程设计的相关工作。张华锋，毕业于电子科技大学，就职于重庆市电信规划设计院有限公司，主要从事通信网络规划研究工作。