来自 互联网 2019-06-15 14:25 的文章
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光网络T级别时代的发展

  近日,华为在全球最大的光通信展OFC上发布了40T波分系统,C波段实现20个2T bit/s光通道同时传输信息,即单根光纤实现40Tbit/s的容量,可以支持1000万人同时点播高清视频。这是高速光通信领域近年来最大的技术成果之一,预示着光网络T级别时代的来临。

  近年来随着互联网的发展,互联网用户数、互联网应用量等都呈现出爆炸式的增长。互联网应用的P2P技术、在线视频、社交网络、移动互联的发展正在不断吞噬网络资源。同时,随着云计算时代的来临,以超级数据中心为核心的云网络,对带宽的需求也十分迫切。

  电气和电子工程师协会IEEE 802.3 2011年3月全会成立了带宽评估工作组(BWA),探索Beyond 100G时代的新兴业务需求和网络流量发展趋势。评估结果预计2013年和2015年以太网带宽需求将分别达到400Gb/s与1Tb/s,从而对骨干网络提出了Tb/s级别的传输需求。

  然而,光网络向T级别发展面临着不小挑战。当前光纤网络的传输容量已经逼近信道的香农极限。

  香农理论决定系统的频谱效率越高(容量越大),信号无误码传输需要的信噪比就越大,过大的信噪比会导致光传输距离大幅缩短。而且在WDM(波分复用)系统中,还有光纤信道特有的非线性效应,非线性效应通过对信号功率的限制进而限制了信噪比,进一步压缩了提升频谱效率的技术空间。

  针对Tb/s速率,如何实现高频谱效率(大容量)和长距离兼得的传输系统,并维持低成本的发展趋势,是Tb/s传输系统面临的最大挑战。

  波分光传输的最大价值是帮助客户以尽量低的成本提供尽量大的带宽,100G WDM系统提供了8T的传输容量,净频谱效率等于2,目前已进入规模部署阶段;400G WDM系统预期会提供16T到20T的传输容量,净频谱效率在4~5,预期在2015到2016年开始商用部署;对Tb/s WDM系统,至少需要提供约40T的传输容量,净频谱效率达到8~10,并尽可能实现超过1000公里的无电中继传输距离,以最大限度地降低系统传输成本。

  鱼和熊掌可以兼得吗?在400GE之后,以太网速率会演进到Tb/s是业界的共识,但是具体是1Tb/s、1.6Tt/s或2Tt/s目前还未有定论。业界对于Tbit/s传输技术的研究也有多项成果发表,在多载波、高阶调制、信号损伤补偿等技术方面均取得一些进展,但是在提升频谱效率(即提升容量)的基础上,如何保持长距传输,以及如何解决针对未来客户速率、业务带宽存在多种变化的情况,提供一个传输成本和带宽效率综合最佳的解决方案,仍然是一个待解的难题。

  针对高速光传输技术的发展趋势以及潜在的客户需求,华为推出Flex 2T光传输技术方案,以可变速率、可变带宽、可变传输距离和容量为主要特色,配合可变OTN功能,可以灵活承载不同速率的客户业务,在一定程度上实现了光传输速率和路由器速率的解耦,同时独有的Flex ODSP技术、最新一代软判决技术、灵活光收发机和ASIC芯片技术,可以最大可能地降低每比特的传输成本,对超大容量传输提供最佳的带宽效率。

  Flex ODSP以及混合调制技术。当光传输告别模拟调制/解调,进入相干技术时代后,光数字信号处理(ODSP)变得尤为重要。通过一系列算法对光信号进行处理,就可实现数字式的解调和数据恢复。这些算法处理可在一片定制的超大规模集成电路(ASIC)中实现,在很大程度上决定了传输性能。在进入Tb/s时代后,进一步引入了全程数字化调制/解调技术。此外,一些预处理算法,可以进一步提升传输性能。

  按照前述香农极限的分析,如果单纯采用高阶调制码型增大系统的传输容量,就需要更高的信噪比,会缩短传输距离。如果单纯地提高入纤功率,又会增大非线性效应。根据业界已经发表的文献,采用32QAM以上高阶调制码型,在SMF+EDFA的链路上只能传输几百公里。而某些“英雄实验”中采用的特殊新型光纤,目前还不具备商用的可行性。在Flex 2T的ODSP算法中,采用了一系列创新技术,在大幅提升系统容量(即频谱效率)的同时,也能实现长距传输。

  首先是多带电正交频分复用(Multi-Band eOFDM)和频域混合正交幅度调制(Hybrid QAM)融合的技术,OFDM多子载波正交复用可以成倍提高频谱效率,同时每个子载波又可分别设计不同的调制码型。在一个统一控制平台下,收发端适配到一个最佳码型组合以及最佳组合比例,在实现既定高频谱效率的基础上又保证系统低OSNR的要求,不会削弱传输性能。以40Tb/s系统为例,使用混合32/64QAM调制,可以将系统的频谱效率提升至10bit/s/Hz,C波段的传输容量达40Tb/s.将来在控制平台作用下,还可根据客户实际需求和应用场景平滑地进行各种调整,适配各种传输容量和距离。

  其次针对光传输系统的非线性问题,Flex ODSP算法还特别设计了非线性抑制模块,显著提高入纤功率约2dB,有效增加了链路预算,消除SPM、XPM等非线性效应影响,延长了传输距离。

  混合多级编码调制的新一代FEC技术。针对Flex传输特性,华为对FEC前向纠错技术也进行了创新研究。采用混合多级编码的算法相对前一代的软判决算法,性能有了进一步提升,同时算法复杂度还可进一步降低。针对传输信道的特点,通过混合编码方案充分发挥每一级码字的最大纠错能力,提升系统的纠错前误码门限,进而给系统带来额外的OSNR增益,延长了传输距离。图中展示了采用混合多级编码调制FEC和前一代LDPC软判决技术的对比。在不增加开销的情况下,新一代FEC技术较LDPC软判决技术又可以提升0.4dB以上的增益,非常接近编码理论极限,相当于提升了10%以上的传输距离,使得32QAM以上的高阶调制也能长距传输。和Flex ODSP算法结合后,总体实现C波段40Tb/s,1000km以上传输。

  Flex TRx收发机技术。速率、带宽灵活可变光收发机是Flex 2T传输的硬件平台,主要特点是全数字化调制/解调,统一的硬件架构设计,全程联动的自动化控制技术。Flex TRx具备了传输速率和带宽可控、调制格式可控以及自适应适配传输等创新功能。

  灵活可变光收发机能产生包含多个光载波的超级通道(super-channel),每个通道的光载波都可以调制可变符号速率和可变调制码型的信号。超级通道的总传输能力由通道总数目、调制码型以及符号速率共同决定。因此,全程自动化控制超级通道以及各通道的高速光学调制/解调,让各种光学部件紧密联动以保证各种应用场景下的最佳传输性能,是Flex TRx的技术难点。在本收发射机中,采用了华为创新的自动控制算法,可以良好地适配各种调制方式的变化。

  在华为以及全球领先运营商等产业链各方的积极配合下,Flex 2T技术的生态系统已经逐渐成熟,市场前景十分广阔。

  2012年年底,华为和领先运营商沃达丰合作,在其德国骨干网上构建了全球首个2T传输的现网实验局,基于普通单模光纤和EDFA组成的无电中继链路,验证了PDM-QPSK和PDM-16QAM调制码型等几种技术方案,分别取得最长3325km现网传输和最高频谱效率6.4bit/s/Hz、1440km现网传输的业界纪录,证实了Flex 2T技术的可能性。

  2013年3月,在刚刚结束的第38届OFC会议上,华为展示了最新的Flex 2T样机以及完整的解决方案,采用了一系列创新技术,突破性地实现了频谱效率达10bit/s/Hz,C波段容量达40Tb/s,在普通单模光纤和EDFA组成的链路上传输1000km以上。同时还实现了调制码型从QPSK、16QAM、32QAM到64QAM的动态调整和任意组合,业务容量和传输距离可以根据应用场景灵活配置,有效支撑动态光网络的理念。

  2012年9月日内瓦会议上,在包括华为在内的整个产业链联合推动下,IEEE成员基本达成共识选择400GE作为100GE之后的下一代以太网速率,从而正式开启400GE的标准化进程。随着路由器/以太网的线卡速率以及网络带宽增长到Tb/s量级,Tb/s带宽信号的承载和传输成为400G之后下一代传送技术要面对的挑战。在ITU-T标准会议上,华为明确地提出了未来Flex光传送网的发展方向。Flex 2T技术的研究和验证结果表明,基于现有铺设的商用光纤网络,仍可挖掘出巨大潜力。同时,静态的与模拟的光层技术也将朝着动态、灵活光传送方向发展。

  在光通信2.5G/10G时代,全球市场被欧美厂商所主导,而如今在100G时代,华为凭借领先的软判决和OTN引领了全球100G的商用化进程。我们有理由相信在超100G时代,“中国技术”将为全球光通信行业作出更大的贡献。

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