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电子器件在光网络中的新角色
作者: 发布时间:2010-03-17 09:12:10 来源:《《光波通信》2010年2/3月

作者:Saeid Aramideh,CoreOptics公司

随着运营商寻求将网络演进到40Gbps和100Gbps,人们必须找到一种高性价比的方法来处理导致信号损伤的各种因素,以满足长距离传输需求。

从用户到长途干线网络对更多带宽不断增长的需求是将现有数据率从10Gbps升级到40Gbps甚至100Gbps的原动力。运营商正寻求一些创新的手段来实现一种无需彻底改造、并仍能使用现有光纤的升级方法。

然而,在将密集波分(DWDM)网络从10Gbps升级到40Gbps或更高速率前,必须首先解决信号损伤问题,主要是色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)。这需要在核心网络部署智能电子器件来实现在现有光学架构下大幅提升带宽的需求。

40Gbps或更高速率7Q2光波通信
拟议的光传输系统将单波40Gbps的技术分为两大类。第一类采用幅度调制,典型的是双二进制或开关键控。这些调制格式基本上包括非归零码(NRZ)和归零码(RZ),一个符号间隔是一个比特,其波特率和比特率相同。

第二类是相移键控,将信息加载在光学相位中,如差分相移键控(DPSK)或差分四相相移键控(DQPSK)。这两种方法都使用了差分机制,通过信号的相位变化来传输信息。

在现有网络中从10Gbps升级到40Gbps的过程中,一种先进的调制机制显示了优越的性能,该机制采用带相干检测的四相相移键控(QPSK)。这种带相干检测的偏振复用四相相移键控(CP-QPSK)的调制格式可以无缝工作在10Gbps和40Gbps混传的波分链路上。

40Gbps的CP-QPSK由三种基本技术构成。首先是偏振复用,或双复用,将一个传输信号分解成相同频率但彼此90º正交偏振的两个信号,每个偏振方向上每符号允许携带一比特信息,有效的将两者结合,则可以将每个符号调制上两个比特的信息。

其次,QPSK调制支持每间隔或符号传输两比特信息,因为符号可以存在于四个不同的相位之一。将上述两种调制技术结合,就可以实现一个符号传输4个比特的信息,这将符号速率(波特率)降低为10Gbps,大大减轻了对光电子器件的带宽需求。

第三个技术是在接收机使用带数字信号处理(DSP)的相干检测。DSP通过模数转换(ADC)、时钟恢复、均衡、载波相位估计(CPE)和恢复,从四路模拟的光学信号中重组出所传输的数据流。图1和图2分别显示了QPSK调制中偏振复用和相干检测的内部机制。

图1中,发射端采用先进的集成可调谐激光器(ITLA),支持全C波段50GHz波长间隔的波长调谐。ITLA的输出注入到一个偏振分束器(PBS)中,分为两路正交偏振信号。这些信号再注入到QPSK调制器的输入端,此时,两个马赫-曾德干涉仪(MZI)产生四路不同偏振、同相、正交的数据流,每路支持10Gbps的数据率。然后将所有输出再通过一个PBS重组成一个偏振复用的信号。为了便于实现,所有这些部分都集成到了一个马赫-曾德调制器中。

7Q2光波通信
图1:40Gbps CP-QPSK发射端的基本机制。

在接收侧(如图2所示),四路偏振混合的10Gbps信号通过一个PBS注入到两个90º偏振光学混合器(与本地光源)中,从而光学混合器将光学信号的完整的幅度、相位和偏振信息发送给四个光电二极管。最后,四个检测器输出的电信号送给多用途的DSP中,在最终的SFI-5电接口前,实现模数转换、载波恢复、均衡、差分解码和G.709帧结构检测来恢复4x10Gbps的信号。

7Q2光波通信
图2:40Gbps CP-QPSK接收端的基本机制。

不同技术的比较7Q2光波通信
40Gbps相位调制也存在着一些其它的选项,其中有两种已经在市场上获得了一定的成功,它们是DPSK和RZ-DQPSK。

前面提到,DPSK只支持两个可能的相位状态或者说每个符号一个比特。DPSK信号的两个不同的相位只能是0°和180°,在二进制角度,可以编码成0或者1;因此,DPSK的波特率和比特率是相同的,都是40Gbps。

RZ-DQPSK有四种可能的相位状态使得可以将两个比特编码到一个符号上,因此,在40Gbps应用场合,其波特率是比特率的一半,为20Gbps。这在没有链路工程改造的前提下,从现有10Gbps网络迁移到40Gbps网络时,阻碍了10Gbps和40Gbps的混合传输。

如前所述,CP-QPSK由包含偏振复用在内的多种技术组成,其波特率降到10Gbps。这使得运营商可以重用现有的10Gbps光纤基础设施,分阶段迁移到40Gbps。此外,低的波特率和额外的相干检测技术也使得系统具有很窄的信号光谱,更好的OSNR灵敏度和更高的色散和偏振模色散容限。

表1比较了40Gbps不同相位调制技术之间的光学性能。直接检测技术,如NRZ、光学双二进制(ODB)、RZ-DQPSK和DPSK等,都在一定的系统性能水平上,比如6~25ps的差分群速度时延(DGD)容限和70~150ps/nm的色散容限。然而相干检测技术则大大提升了这两类信号损伤的容限(DGD容限:>100ps;CD容限:>35,000ps/nm)。通过使用模数转换ADC和集成的均衡器,以及最新的电子信号处理技术的相干检测,获得了更好的系统性能。

7Q2光波通信
表1 光学性能比较。

这个数据对于应用了可重构光上下复用器(ROADM)网络的运营商来说尤为重要。相干检测调制是这些配置唯一的选择,目前,还没有合适的DPSK信号能支持多个ROADM级联的应用,而这是下一代光网络的要求。在基于ROADM的链路中,对于光学滤波器级联的容忍能力是实现低误码率(BER)的重要因素。信号在传输过程中,通过一系列级联的ROADM后,光学信号的通带会变窄。但由于较低的符号速率和相干检测所带来的其它功能,它的更窄光谱能够克服这个问题。

CP-QPSK另外的一个重要属性是低时延。时延在数据网络中是一个重要的指标,尤其是在为金融机构服务的关键数据传输链路中。网络中的物理媒质,主要是光纤,是光时延的主要贡献者,还包括色散/色散斜率补偿模块(DCM)和ROADM。

40Gbps的CP-QPSK有其固有的先进调制机制和相干检测技术,CD容限远好于大多数10Gbps技术。而相比于光纤,DSP引擎所带来的时延更是可以忽略。因此,从纯粹的网络水平看,40Gbps的CP-QPSK相比于其它技术提供了最低的时延,如:相比40Gbps的DPSK和RZ-DQPSK,相干检测无需在线路板卡提供可调色散补偿,并有足够大的CD容限可以让网络设计者直接去除DCM,这两者都降低了时延,同时也降低了固定资产开支。

光子技术和电子技术的成本比较7Q2光波通信
相干检测也大大节省了资本支出(CAPEX)。一个网络的成本模型比较了DPSK、RZ-DQPSK和CP-QPSK的材料成本。这个通用的传输链路模型包含了终端/再生枢纽节点、双向线路放大器节点和支路枢纽节点(用于光上下复用(OADM))

我们采用了三种链路场景来比较使用前向编码纠错情况下的三种不同技术的43Gbps光收发机的性能。场景一:低PMD光纤,平均DGD在0~3ps之间;场景二:高PMD光纤,平均DGD在7~30ps(对于DPSK和RZ-DQPSK,都要用到光学PMD设备);场景三:链路参数和场景二一致,但50%的枢纽节点是OADM节点。以上三种场景都假定为直线的点对点的连接,并使用了在线的DCM补偿,C波段满88波道配置。

网络的参考模型是基于美国的一个典型的一级运营商,包含30个枢纽节点和40条点对点链路,总容量为150Tbps(见图3)。这个参考模型是由J. M. Simmons在他的研究“确定长距离网络的最优光可达距离”中设计的。所有的业务接口为43Gbps,并且业务汇聚设备和保护系统的成本可忽略。

7Q2光波通信
图3:网络参考模型,由J. M. Simmons设计,基于美国一个一级运营商的典型网络,包含30个枢纽节点和40条点对点链路,总容量超过150Tbps。

场景一采用低PMD光纤(平均DGD在0~3ps),对于所有系统传输距离/平均枢纽节点距离比(SR/<H-H>),与CP-QPSK相比,DPSK可以节省16%的网络成本,而相比RZ-DQPSK则可以节省36%的网络成本;场景二采用高PMD光纤(平均DGD在7~30ps),更能节省网络成本,对于所有的SR/<H-H>比,CP-QPSK相比DPSK节省39%的网络成本,而相比RZ-DQPSK能节省50%的网络成本。

在最后一个场景(基于OADM节点,高PMD光纤,平均DGD在7~30ps)的成本比较中,仍旧是CP-QPSK占优。在这个场景中,所有的OADM节点都有50%的容量要进行上下,并且所有枢纽节点的一半也有OADM功能。这里需要指出的是,OADM的通道是无需再生的。另外,假定OADM滤波器的成本是终端滤波器的一半。比较结果显示:对于所有的SR/<H-H>比,CP-QPSK比DPSK节省40%的网络成本,比RZ-DQPSK节省51%的网络成本。

表2显示了30个枢纽节点、40条链路网络模型下,三个场景不同技术的绝对成本比较。总而言之,CP-QPSK相比直接检测技术,网络的CAPEX能节省16%~51%。

7Q2光波通信
表2 绝对成本比较。

总结7Q2光波通信
目前,所有网络的核心组成部分,如ROADM、光开关、滤波器、放大器等,都是为10Gbps网络设计的。而针对由更高带宽速率需求推动的至少40Gbps的新网络,许多运营商已经在考虑合适的迁移路径。这里面有许多重要的因素等待这些运营商斟酌,但降低升级费用和CAPEX位于名单前列。

升级到40Gbps过程中,相干检测和偏振复用DQPSK技术在成本节约和光学性能方面都要优于直接检测技术。而到100Gbps的时候,相干技术是唯一的选择。使用相干电子技术将降低复杂性和成本,并可用现有的10Gbps网络支持40Gbps传输,同时也是升级到100Gbps的可行方案。凭借其灵活性和通过DSP获得的增强功能,相干检测技术为运营商提供了满足目前和未来带宽需求的网络基石。

  
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