40Gbit/s高速光传输技术的应用与挑战

　 1 、40Gbit/s高速光传输的技术发展与应用现状

　　 1.1 40Gbit/s传输的业务背景

　　 40Gbit/s传输技术的出现和发展与以Internet为代表的电信网络业务与技术的蓬勃发展是分不开的，特别是最近几年Internet流量的爆炸性增长直接推动了40Gbit/s传输需求的出现和网络应用。

　　 从运营商角度出发，建设40Gbit/s高速光传输系统的业务驱动力主要有两个：一是骨干IP网络核心路由器的高速互联需求;二是某些大型金融机构、科研机构和政府部门用于其超级计算机或数据中心互联的40Gbit/s高速电路租用需求。对于国内运营商来说，目前的需求均属于第一种类型，第二种类型需求集中在北美、欧洲等发达国家和地区。

　　 中国电信的ChinaNet的规模和容量在全球骨干IP网络中已达到数一数二的位置，中国联通(原中国网通)的骨干IP网络也位列全球超大型IP网络之列，因此这两家运营商在国内最早出现对40Gbit/s高速光传输技术的需求，也最早建设商用40Gbit/s WDM传输系统。目前，40Gbit/s网络建设集中在骨干网，未来还将向城域网延伸。

　 　1.2 40Gbit/s传输的技术路线

　 　虽然早期业界曾提出采用4个10Gbit/s波道传输40Gbit/s信号的反向复用(IMUX，Inverse Multiplexing)解决方案，华为、爱立信(前马可尼)等厂商还推出了成熟的商用设备。但是随着需求和技术的发展，最终人们还是选择了单波道提速的路线，正如当年2.5Gbit/s WDM系统提速到10Gbit/s WDM系统一样，40Gbit/s WDM传输技术成为40Gbit/s传输的主流解决方案。

　　 从10Gbit/s到40Gbit/s，信号速率提高了4倍，但是技术难度的增长却远远不止4倍。40Gbit/s信号苛刻的传输性能要求使得沿用10Gbit/s传输技术完成40Gbit/s信号的长距离传输成为一项不可能完成的任务。我们假设都采用传统的NRZ码型：40Gbit/s信号的ONSR(光信噪比)要求比10Gbit/s信号高6dB，但是由于非线性效应的影响，入纤功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信号的OSNR受限距离大约只有10Gbit/s信号的1/6;更严重的，40Gbit/s信号的色度色散和偏振模色散(PMD)受限距离只有10Gbit/s信号的1/16。因此，40Gbit/s WDM传输需要一系列新技术来实现与10Gbit/s WDM传输大致相当的无电中继传输距离。其中先进调制码型是40Gbit/s WDM传输使能技术中最突出的代表，下面进行重点介绍。

　　 调制码型是40Gbit/s WDM传输技术中最精彩的部分，也是最丰富的部分，目前已商用的码型达到近10种。根据其技术特点，可以简单归成3类：

　 　(1)相位辅助的强度调制码型：其特点是信号通过强度调制方式传递，使用普通的直接检测技术，但是引入特定的相位调整手段来改善传输性能;代表性码型包括CSRZ(载波抑制归零码)、DRZ(差分归零码)和ODB/PSBT(光双二进制码/相位整型二进制传输码)。

　 　(2)强度辅助的相位调制码型：其特点是信号通过相位调制方式传递，使用差分或者相干等接收技术，具有较好的传输性能，同时引入NRZ，RZ等强度调制手段来达到改善传输性能、使用50GHz间隔等目的;代表性码型包括RZ-DPSK(归零-差分相移键控码)，NRZ-DPSK(非归零-差分相移键控码)和RZ-DQPSK(归零-差分四相相移键控码)，目前在现网应用较多的P-DPSK(部分差分相移键控码)也是一种特殊的NRZ-DPSK码，其特点是通过控制差分的幅度，抵消滤波效应带来的影响，从而以较小的代价实现50GHz间隔传输。

　　 (3)偏振复用调制码型：其特点是利用相互正交的两个偏振态来传递不同的信息，提高系统频谱使用率，降低单信道的信号速率，每个偏振信道的调制方式可以是上述调制码型的任意一种;目前在40Gbit/s WDM传输系统中实现商用的偏振复用调制码型只有北电的DP-QPSK(双极性四相相移键控码)。

　　 先进调制码型在40Gbit/s WDM传输系统中发挥的作用是全方位的，例如：延长传输距离，目前40Gbit/s WDM系统无电中继传输距离已经超过了1000km甚至1500km;满足50GHz间隔传输，提高频谱利用率;提高PMD容限，降低对光缆PMD性能的要求，扩大现网适用范围。表1列举了目前在国内传输设备市场较活跃的厂商40Gbit/s WDM传输设备采用的码型技术特点和应用场景。

　 　表1 40Gbit/s WDM系统常用码型比较表

　 　除了调制码型以外，可调色散补偿技术(用于弥补40Gbit/s信号色散容限过低的限制)、高速芯片技术(40Gbit/s FEC，Framer，SerDes等核心芯片)、高速调制/解调技术等也是40Gbit/s WDM传输系统的重要使能技术。

　 　1.3 40Gbit/s传输设备的发展与应用

　　 在40Gbit/s应用方面，传输设备的滞后实际上成为前些年40Gbit/s无法广泛应用的瓶颈因素。Cisco，Juniper等主流路由器厂商早在2006年就推出了商用40Gbit/s POS板卡，但是40Gbit/s WDM传输设备的普及是在2007年以后。特别是到了2008年，主流传输设备厂商都已发布了40Gbit/s WDM传输设备，在国内较活跃的厂商有华为、烽火、中兴、北电、上海贝尔、爱立信等。

　　 目前，主流厂商40Gbit/s WDM传输设备已经系列化，既有支持中短距离传输的ODB/PSBT等码型，也有支持中长距离传输的DPSK码型，甚至更复杂的DQPSK，DP-QPSK等码型，设备的适用性得到了极大提高。主流电信运营商也已广泛认可40Gbit/s WDM传输技术和设备的成熟性，按照业内知名咨询公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行业报告中的统计，截至2008年，全球已经有超过30个运营商部署了40Gbit/s传输网络，其中就包括中国电信和中国联通(原中国网通)。在该报告中，Ovum公司认为40Gbit/s传输技术已经进入“普及应用阶段(Generalized Deployment Phase)”，将迎来健康持续的发展期。

　　 中国电信是国内最早关注40Gbit/s传输的电信运营商。早在2004年，中国电信就开始了40Gbit/s传输技术研究工作，与国家科技部“八六三”计划合作，于2005年建成“上海—杭州40Gbit/s WDM实验传输系统”并运行至今，这是国内第一个，在国际上也属于较早的40Gbit/s现网实验传输系统。此后在多年持续跟踪研究40Gbit/s传输技术与设备的基础上，2008年中国电信建设了国内第一个商用40Gbit/s WDM传输系统，即“上海—无锡80×40Gbit/s WDM系统”，同时于2008年下半年进行了多厂商参加的40Gbit/s WDM传输设备及系统验证性测试，有力地推动了国内40Gbit/s传输产业的发展。从2009年开始，中国电信将根据其业务发展情况，按步骤推进骨干40Gbit/s传输网络的规模部署，首批建设的40Gbit/s WDM传输网络覆盖了长三角、珠三角等业务发展良好、40Gbit/s应用需求迫切的地区。中国联通(含原中国网通)也于2008年开始建设第一个商用40Gbit/s WDM传输网络，覆盖了华北地区的主要城市。

　　 随着产业链日渐成熟，40Gbit/s传输相关技术标准工作也日趋完善。ITU-T，OIF和国内的CCSA都制定并发布了一系列技术标准，有效促进了40Gbit/s传输设备的现网应用。

　　 2 40Gbit/s高速光传输技术面临的挑战

　　 虽然40Gbit/s高速光传输技术已经步入了规模商用阶段，但是为了应对复杂的现网应用环境和未来业务发展的进一步需求，40Gbit/s传输技术还面临着一些挑战。这些挑战有技术领域的，例如现网光纤PMD对40Gbit/s传输的限制;也有成本方面的，例如持续降低40Gbit/s WDM传输系统的成本，实现单比特×公里传输成本低于10Gbit/s WDM系统;还有下一代100Gbit/s传输技术的发展带来的挑战等。本章将对这些挑战进行详细分析，从中形成对40Gbit/s高速传输技术的未来发展方向和前景。