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超100G技术最新进展

图像视频、云计算、大数据、社交媒体以及移动数据的快速增长推动着互联网流量以每年30%的幅度增长。为满足带宽需求并降低每波特每赫兹的成本,传输网络需要更高的频谱效率和更高的传输速率。提高传输速率和频谱效率可以依靠更先进的基于数字信号处理的算法。目前商用的100G产品都是基于相干探测的单载波极化复用的QPSK调制码技术,频谱效率为2bit/s/Hz,传输容量为10Tbps。将来的光网络采用400G或更高速率的超100G信号,传输谱效率需要到达到4bit/s/Hz或更高,容量需要达到20Tbps以上。提升频谱效率主要依靠先进的调制码格式而提高传输速率主要依靠提高波特率。采用先进的数字信号处理技术则能进一步提升频谱效率延长传输距离。本文我们将简要介绍这些技术的研究进展,并介绍一个最高波特率的传输实验结果。

先进的调制码技术


  在单载波调制方面,高级调制格式具有更高的谱效率,能在一定的频谱带宽上实现更高的传输速率。相对于QPSK信号,16QAM每符号能够加载2倍的比特数,因而能够降低信号的波特率(相同速率),提高频谱效率和系统传输容量。高级调制格式的运用已经成为了下一代超100G的重要发展方向,中兴通讯在QPSK8QAM9QAM16QAM64QAM等调制格式上取得了一定的成果。值得注意的是,随着调制格式的提升,信号因为比特间欧氏距离小会导致接收机灵敏度下降,因而传输距离也随之下降。目前,实验室实现的基于QPSK信号的400G传输在标准单模光纤上和频谱效率达到4bit/s/Hz情况下,能传输的距离为3000km左右,适用于长距离骨干网;而16QAM实验室传输距离为1200km,更适用于城域网。因此,在考虑调制格式的同时,还应考虑传输距离、应用场景和适用范围。


  多载波调制格式主要指光正交频分复用(OFDM)调制。其中Discrete MultitoneDMT)是OFDM多载波调制的一种特例。由于DMT在频域调制中必须通过共轭对称来实现,因此频谱效率减少了一半。OFDM多载波调制码和单载波相比主要有以下优势:

●   资源的动态可配置性好。由于OFDM将整个信道划分为多个窄的子信道,因此每个子信道的调制格式和功率都可以动态分配。


  ●   对调制格式透明。由于采用频域均衡的方式,这种方案的优势在于信道均衡的方案在任何调制格式下保持不变。因此采用OFDM多载波方案时很容易将系统升级为高阶调制格式从而实现系统扩容,目前相干检测OFDM多载波方案中实现的最高阶调制格式为2048QAM2048ary quadrature amplitude modulation)。


  当然和单载波相比OFDM也有缺点:


  ●   OFDM信号的产生和接收必须采用模数转换器和数模转换器,这样很难控制成本;


  ●   OFDM信号的峰均功率比(PAPR)过高,限制信号在光纤中的传输距离;


  ●   频域均衡中的训练序列和导频会导致频谱效率的降低。


  因此单载波还是多载波的选择需要根据实际应用中的成本和兼容性等来选择。

不断提升的信号波特率


  超100G的实现,如400G1T信道上,另一个重要发展方向便是提升信号波特率。通过整体提升单信道波特率和电接口信号速率,来实现整体速率的提升。目前我们已经实现了多种400G传输方案,包括:通过4载波、每载波100G实现400G,每个信道的波特率保持28/32GBaud;通过2载波、每载波200G,实现400G,每个信道的波特率提升至56/64GBaud;或直接通过1个载波,实现基于100GBaud信号单载波的400G的产生与传输。


  在单载波信号调制方面,近年我们相继实现了基于4载波、2载波和单载波的400G长距离传输方案。通过4载波方案,实现了单模光纤传输距离最长的实验结果。2014年,我们实现了基于110GBaud的超Nyquist400G100GHz频率粒度的长距离传输。值得注意的是,通过提升信道波特率,一方面对光电子器件的带宽、处理速度以及容量提出了新的要求。尽管高速器件的成本短期较大,但从长远看,单载波400G方案能更易于产品集成,尺寸和功耗降也更低,随着高速器件规模扩大,成本也会相应降低。


  而目前实现的高波特率的相干OFDM多载波检测方案都是通过多个低波特率的OFDM多载波信号在光里面叠加出来的。单个实时的相干检测OFDM多载波信号的速率超过100Gbps首次被我们实现并在2014OFC中以Post Deadline Paper被报道。

先进数字信号处理算法


  通过相干光通信,能实现高灵敏度、长距离光传输。另一方面,相干光通信使得数字信号处理成为可能。在超100Gbps以上超高速光通信系统中,面临着一系列器件约束和链路的线性及非线性损伤限制问题。先进数字信号处理算法是解决以上问题的必要技术:通过数字信号处理,能实现多种信号损伤的均衡和补偿,从而实现高速信号的恢复。基本的数字信号处理算法包括:色散补偿、时钟恢复、信道均衡、载波频率估计和相位恢复。目前,在单载波方面,我们已经实现了QPSK8QAM16QAM64QAM等调制格式的完整算法。


  超100G光传输还面临一些新问题,主要包括高速信号所面临的带宽限制、高速信道的光纤的非线性损伤敏感等。对应这些新的问题,我们成功实现了一系列超100G新算法,包括前端和后端数字信号处理技术。前端信号处理主要是在发射端采用电或者光的方式对电信号进行处理。电的处理方式采用FPGA(现场可编程门阵列)和DAC(数模转换器)对前端信号进行预处理,电信号都经过电滤波来进行频谱的压缩,这些功能的实现得益于高采样率的DAC器件,所以这里的IQ信号将不再是传统的数字信号。后端处理算法,包括接收信号进行预滤波,通过将QPSK信号转变为9QAM信号,成功降低了因为信道带宽限制所带来的噪声增强,降低了符号间干扰,抵抗强滤波效应。我们还实现了多种非线性处理方案,包括多信道联合非线性处理、基于变长步长的低复杂度光纤非线性补偿技术,从而实现更长距离的光传输。


  在OFDM多载波相干检测的方案中,为了实现长距离的传输,必须降低OFDM信号的PAPR。在众多降低OFDM信号PAPR的方案中,采用DFT-spreadDiscrete Fourier transform spread)技术是一种比较可行的方案。这种方案虽然会引入额外的计算开销,但能够有效降低OFDM信号的PAPR,而且还能够保证信号子载波中均匀分配信噪比。这种特性可以保证OFDM信号在器件带宽不足时能有效抵抗高频的衰减导致的性能下降。在信道估计中,光纤信道中的噪声会影响信道估计的准确度。为了提高信道估计的准确度,可以在时域中发多个训练序列并平均的方法来消除光纤信道中的噪声。但是这种方案会导致频谱效率的降低。频域内的滑动平均(ISFA)通过频域内相邻信道响应平均的方式来消除信道估计中光纤信道中的噪声的影响,这种方案在提高系统的性能的同时不会导致频谱效率的降低,是一种可行的方案。在400G的传输方案中,可以选用4个光波分别传输100GbpsQPSK-OFDM信号或者2个光波分别传输200Gbps16QAM-OFDM信号。对于这两种调制格式的信号,带宽均为32GHz。离线实验测试实现4个光波传输的400G QPSK-OFDMquad phase shift keying-OFDM)信号和2个光波传输的400G 16QAM-OFDM信号成功传输4200km1260km标准单模光纤。

最高波特率的信号传输


  目前,我们已经实现了一系列400G传输方案:采用后端数字信号处理实现512Gbps4×128Gbps)超Nyquist信号的2400km传输;采用前端数字信号处理实现512Gbps4×128Gbps)超Nyquist信号的2975km传输;通过采用后端数字信号处理实现480Gbps2×240Gbps)超Nyquist信号传输5000km(拉曼放大)和25ROADM


  在超100G信号传输方面有不少传输方面的世界纪录。20143月,在美国旧金山举行的一年一度的世界光纤通信(OFC)会议上,我们宣读了在400G高速传输领域创造的一项世界纪录的论文:我们在实验中采用频谱压缩的专利技术将20个波分信道的440Gbps单载波极化复用的QPSK信号在频谱效率提升到4bit/s/Hz极限情况下,成功实现了3600km长距离单模光纤的传输。单载波每信道和单一接收是未来400G及以上高速光传输的追求目标之一,该系统平台的单载波波特率创纪录的达到了110Gbaud,其结果被OFC以最为引人瞩目的PDPPose Deadline Paper)方式接收并发布。


  不同于双载波调制和双接收机16QAM400G传输系统,单载波传输具有收发结构简单、易于运营与维护的特点,是业内最希望使用的调制码信号。我们此次试验,使用中兴通讯专利技术实现的20个波分信道的440Gbps单载波极化复用的QPSK信号,是目前技术最成熟、灵敏度最高的调制方案,试验中成功实现了36跨段,每段100km,共3600km的长距离传输,证明了单载波400G在将来的长距离光纤传输系统中部署的可行性。该系统单载波达到业内最高波特率110Gbaud,成功承载于标准的100GHz ITU-T信道间隔,并使用单一相干接收机接收。

  更高速率和更高频谱效率是超100G发展趋势。我们对实现这一目标的各种先进技术的发展趋势进行了介绍。虽然由于器件性能特别是带宽方面的限制实现单载波400G1T信号传输还很困难,但我们相信在不久的将来随着器件性能的成熟,这一目标应该能够实现。

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