100GDWDM優(yōu)化OSNR的技術(shù)

　摘要：

　　本文討論了提升R點系統(tǒng)OSNR門限的三種方法以及在偏振復用相干檢測技術(shù)下Q裕度的調(diào)整范圍。首先，在不增加額外速率開銷的情況下，通過本振提升技術(shù)使得B2BOSNR與復雜算法SD-FEC性能接近。其次，基于100G技術(shù)天生對DGD和色度色散不敏感，可將Q 裕量從40G的3-3.5db 下降到2-2.5db，優(yōu)化后的100G ONSR門限完全與40G相同。第三，SD-FEC通過提升20%線路冗余可提升OSNR預算1.3 db，SD-FEC算法復雜對硬件實時處理的要求很高，軟判決和硬判決不是取代關(guān)系而是配合關(guān)系。最后，論證了芯片技術(shù)是商用SD-FEC的關(guān)鍵，阿爾卡特朗訊也在2012年Q1發(fā)布了基于400G技術(shù)的高性能處理芯片。

　　2009年以來40GDWDM已開始在中國規(guī)模部署，隨著寬帶中國、網(wǎng)絡(luò)提速等戰(zhàn)略的實施，發(fā)達省份的骨干傳輸帶寬資源已幾乎在這快速發(fā)展的3年中而消耗殆盡，部分運營商在第二平面建設(shè)方案是基于40G技術(shù)還是100GDWDM技術(shù)而舉棋不定。2010年6月IEEE、ITU-T、OIF分別關(guān)于100G接口、映射、傳送等標準的定稿加快了100G整個產(chǎn)業(yè)鏈成熟，2011年歐美運營商在云計算、IDC互聯(lián)、移動互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的驅(qū)動下規(guī)模部署100G技術(shù)，毫無疑問為100G的商用產(chǎn)生了多米諾骨牌效應。2012年Q1伊始，國內(nèi)三大運營商分別啟動詳細的實驗室和現(xiàn)網(wǎng)測試，業(yè)界也逐步將注意力從為什么建設(shè)100G轉(zhuǎn)移到怎么建設(shè)100G。OSNR，這個DWDM系統(tǒng)最典型也最復雜的指標，也繼PDM-DPSK碼型歸于統(tǒng)一之后成為新的熱點。

　　雖然從40G到100G速率提升2.5倍，頻譜效率要從0.8Bit/HZ上升到2Bit/HZ,但從工程設(shè)站的角度，具備機房條件的物理站址是不隨線路速率而變化的。在相同調(diào)制格式下100G要比40 G的OSNR門限要提升3.8-4DB，OIF建議通過統(tǒng)一100G碼型為PDM-QPSK并輔以四相位相干接收技術(shù)來解決這個問題。40G DWDM系統(tǒng)的國標根據(jù)不同的碼型OSNR門限分別在18或19DB，所以設(shè)備制造商也均按照這個數(shù)字來優(yōu)化各自的100G特性。與40G各種型來差分應用場景不同的是，統(tǒng)一碼型和統(tǒng)一調(diào)整方式的100G DWDM留給廠商進行各自優(yōu)化的空間并不大，只有接收側(cè)的AD高速數(shù)模轉(zhuǎn)換、DSP的軟件算法以及FEC編解碼深度。與工程設(shè)計相關(guān)的顯性指標，就體現(xiàn)在背靠背OSNR（BOL和EOL）、OSNR和系統(tǒng)代價、FEC糾錯能力、色度色散和偏振模色散補償值上。

　　一：B2BOSNR的優(yōu)化：

　　工程實踐往往和實驗室測試有較大差距。在建議的1dbm的發(fā)送功率下，第一代100G系統(tǒng)的B2B仿真數(shù)據(jù)維持15-16db.在7% 線路開銷的112Gbit/s PDM-QPSK相干系統(tǒng)中，在誤碼率為2E-3這個閾值下，B2B OSNR性能的離線數(shù)據(jù)最佳結(jié)果為14.78DB。也有廠商離線測試結(jié)果在15-16 db，可作為最裂數(shù)據(jù)。由于仿真系統(tǒng)一般采用計算機陣列的離線處理，一般認為商用系統(tǒng)上性能會比仿真結(jié)果大1.5DB。原因在于離線處理為獲取最佳的B2B OSNR性能而忽略考慮算法本身的復雜度，但是在線DWDM處理系統(tǒng)必須考慮算法復雜度限制，性能必然有所劣化。基于以上仿真結(jié)果，即使退而使用15-16db的指標，其與40G 系統(tǒng)的背靠背門限分別為13DB或14.5DB不小的差距，這個結(jié)果一度讓運營商在使用100G與否的決策上彷徨，也讓技術(shù)專家將注意力轉(zhuǎn)移到提升20%開銷但可提升B2B 門限約1-2 db的SD-FEC上來，認為其是商用系統(tǒng)不可偏離關(guān)鍵技術(shù)。

　　實際上PDM-DPSK和相干接受的基本原理在誕生之初就提供了優(yōu)化方案，即本地偏振光源性能“凈化度”的提升。如圖一右側(cè)示意圖所示，相干接收側(cè)使用一個高穩(wěn)定度的本地振蕩激光器，經(jīng)過偏振分束后與遠端輸入光信號進行90度混頻，90度混頻器輸出一個偏振態(tài)的兩路信號?；祛l器輸出光信號經(jīng)平衡接收光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電信號，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?；谝陨显恚醋员菊窆庠吹男旁氡纫h優(yōu)于輸入光信號的信噪比，我們能夠改變本地光源的“純度”，就可提升接收端光信噪比約2db的改善。同理，通過這樣的方法，就可以將B2B的OSNR從15-16db降低到13-13.5db。這個優(yōu)化的數(shù)據(jù)基本上可達到犧牲20%帶寬效率的SD-FEC的方案指標。

　　實際上，業(yè)界已有成熟的類似解決方案。阿爾卡特朗訊在2011年Q4發(fā)布了基于商用系統(tǒng)的增強OTU解決方案。并不開啟SD-FEC的情況下，在2012年Q1某國家級測試中已優(yōu)于以上關(guān)鍵指標。

二：Q余量與Rm側(cè)系統(tǒng)OSNR的優(yōu)化：

　　40GDWDM國標中定義的MPI-Rm參考點接收OSNR與背靠背OSNR 容限（EOL）值之間的差值要求為4.5～5db。關(guān)于背靠背OSNR容限的分析詳見第一部分，因此，這個OSNR裕度的多少將直接決定系統(tǒng)的OSNR門限。為便于分析，本節(jié)將系統(tǒng)富裕度分解為兩部分：1）通道OSNR 代價2db；2）系統(tǒng)OSNR 裕量2.5～3db。考慮到接收機的0.5db 的老化裕量，也即EOL和BOL的差值，因此第2部分實際系統(tǒng)OSNR 裕量（BOL）一般取值為3～3.5db，同樣的，對應的通道Q 裕量也對應的取值3～3.5db。

　　實際上目前第二代100G商用系統(tǒng)中，光通道OSNR代價已遠小于2db，例如阿爾卡特朗訊的平均通道代價只有1db，性能提升了100%。相對40G標準，基于偏振復用相干檢測的100G技術(shù)天生對DGD和色度色散不敏感，因此可將Q裕量從40G系統(tǒng)中的3-3.5db 下降到2-2.5db。因此，出于系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的保守設(shè)計，將通道代價節(jié)約的1db和Q裕量節(jié)約的1db，二者之利只取其一；Q裕量的變化實際上就是系統(tǒng)側(cè)的OSNR裕量，就可以降低1 db, 達到4-4.5 db。目前這個裕量的優(yōu)化已廣泛的被歐洲和北美運營商所接受。

　　通過這個方案優(yōu)化和適度的裕量放松，在不采用額外增加帶寬開銷的情況下（例如SD-FEC）下，100G系統(tǒng)的ONSR門限就可達到18.5db,完全可現(xiàn)有的40G系統(tǒng)在跨站設(shè)置上相同，甚至優(yōu)于某些特殊碼型的40G系統(tǒng)。下表一給出了按照這個方案優(yōu)化后的不同糾錯范圍下對應的Q值和Q裕量建議值。

三：FEC和SD-FEC的優(yōu)化技術(shù)

　　前向糾錯FEC技術(shù)是提高系統(tǒng)傳輸性能的傳統(tǒng)技術(shù)，也是通過優(yōu)化線路信號來優(yōu)化OSNR性能的一種有效途徑。其本質(zhì)是通過犧牲有效帶寬，以編碼冗余度（例如20%）以及對應的信號處理芯片的復雜度來換取更大的凈增益。一般認為FEC技術(shù)經(jīng)歷了三代的快速發(fā)展。

　　第一代的為滿足ITUTG.975規(guī)定的帶外FEC，采用RS(255,239)方式使用7%的開銷，凈編碼增益為6-7DB。這個方案廣泛適用于2004年前的2.5G 和10G DWDM。第二代FEC采用G.975.1標準，自2004年開始啟動正式商用，采用級聯(lián)編碼技術(shù)，增益可達到8-9db。當然編碼增益的提高同時也帶來了FEC算法復雜度增加。第二代 FEC技術(shù)也跟隨芯片技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段，一個為30萬門以上電路FPGA搭建時代，一個為百萬門規(guī)模的ASIC單一芯片時代。普遍認為，基于100G系統(tǒng)會迎來第三代FEC技術(shù)。具體實現(xiàn)方案既可以延續(xù)ITU-T G .975.1標準，但將原先的7%開銷比提升到20%開銷的實現(xiàn)高性能硬判決FEC，也即超強AFEC方案，這樣也可將編碼增益提升到10-11 db。這個利舊方案基于10G和40G WDM系統(tǒng)中規(guī)模應用的硬判決(HD-FEC)算法，十分成熟，易于工程大規(guī)模實施。方案之二就是有廠商提出的希望使用軟判決SD-FEC技術(shù)，例如Turbo 碼、LDPC 碼和TPC碼，通過20%甚至20%以上的開銷比，以獲得10-11db的編碼增益。

　　作為新實現(xiàn)方案，軟判決和對應的碼型毫無疑問成為業(yè)界當之無愧的重點。下表二引用了來標準機構(gòu)給出的軟判決和普通硬判決的凈增益對比?？梢钥吹介_銷（冗余度）不一樣，同樣是軟判決達到的效果也差距較大，編碼冗余度越大則能獲得更多的凈增益。OIF建議軟判決FEC開銷比小于20%，低于20%開銷比時凈增益隨著冗余度增加而增大，而超過后受錯誤平層影響而增益反而下降。在7%開銷時，軟判決復雜度遠超過硬判決，但復雜度換取的的增益卻十分有限，所以并不建議使用軟判決。因此，從這個對比表，可以直觀的看出并不是軟判決出現(xiàn)之后，硬判決將退出歷史舞臺，軟硬結(jié)合才是可行的方案。

　　報告說明了該實驗基于G.652光纖，按照10×100KM跨段來進行系統(tǒng)搭建，每個跨度平均衰耗為20.5db。系統(tǒng)采用40個符合PM-QPSK碼型的標準OUT來產(chǎn)生40個波長，其中39個為線路速率112G基于硬判決的56G的采樣速率波長；1個波長為采用128 Gbps速率的基于軟判決的65G 的波特率采樣通道的波長，這個波長工作在1552.52nm中央頻段，開通基于TPC編碼的軟判決SD-FEC。測試通道和其他39個鄰居波長使用相同的WSS系統(tǒng)，在每一個跨段輸出功率為+3 dbm。在傳送10個跨段后，在測試通道加載噪聲，并使用光譜分析儀（OSA）測量ONSR, OSA和誤碼儀顯示測試結(jié)果表明系統(tǒng)達到目標。雖然AT&T這個實驗室測試系統(tǒng)受成40nm ASCI熟套片數(shù)量的限制，只開通了SD-FEC的波，遠低于國內(nèi)40個波長的測試要求；系統(tǒng)的發(fā)射光功率也大于國內(nèi)標準的1-2db(這會改善ONSR性能)，但他畢竟為高性能芯片將SD-FEC帶入實踐商用做出了積極的嘗試。

　　為進一步解決高速率通道所帶來的系列問題，不僅僅是僅僅解決SD-FEC的錯誤平層和算法復雜度帶來的128G速率的提升，而是面向更具有挑戰(zhàn)性的400G甚至1T應用，阿爾卡特朗訊在2012年3月發(fā)布了業(yè)界首個基于400G速率技術(shù)的解決的ASIC芯片。如同下表二對比，這個芯片超越現(xiàn)有芯片技術(shù)200%以上，預計可在2012年Q4帶來整個業(yè)界SD-FEC解決方案的全面更新，行業(yè)內(nèi)的軟判決成熟套片的解決方案也將全面成熟。

　　在軟判決具體的碼型方案中，無論是LDPC碼還是TPC方案，均需要OTU上完成大量的硬件計算來支撐性能。為捕捉信號遠離介于0和1之外的信號而做出正確的判決，譯碼器的比特吞吐量也是硬判決的好幾倍。其在復雜度上也要考慮由于信道劣化特征，即0和1信號的隨機裂化而造成的噪聲概率分布的變化。所以，對應系統(tǒng)的算法復雜性大為增加。更重要的是，由于啟用軟判決后線路速度從7%開銷的112Gbit/s速度上升到基于20%開銷冗余的128Gbit/s后，對后級ADC器件的采樣率要求從56GHZ提升到65GHZ，DSP的計算能力也要從千萬門電路往數(shù)千萬門級大躍進，系統(tǒng)關(guān)鍵芯片的搭建也將從基于100G轉(zhuǎn)變?yōu)槌?00G甚至400G而設(shè)計。最后，由于速率的提高必然帶來譜寬的變化，這必然也會在非線性、濾波效應以及ROADM直通方面帶來連鎖影響，這些均在研究中。

　　結(jié)合上文第一部分的分析，基于20%開銷的128Gbit/s相干接收系統(tǒng)中，實驗室仿真結(jié)果比較樂觀， B2B OSNR在同樣誤碼率門限情況下為14.5 db 。雖然沒有達到第二代100G系統(tǒng)不采用軟判決技術(shù)的背靠背門限指標，但還是比第一代系統(tǒng)的仿真值提升了1.5-2 db。OFC 2010報道的國外某首個128Gbit/s速率PM-QPSK相干接收在線處理原型機的真實測試結(jié)果卻讓20%冗余度的SD-FEC技術(shù)蒙上陰影。其在2E-3誤碼率下的B2B OSNR門限居然裂化到17db，與離線仿真結(jié)果出現(xiàn)2.5-3 db的差距。究其原因，除了仿真系統(tǒng)和在線系統(tǒng)復雜度的差異之外，另一個重要的因素是在線實時芯片處理能力。這個首個128Gbit/s 在線處理原型機的DSP功能采用了大量的FPGA拼接而成，與不是基于112GBit/s系統(tǒng)常用的單ASCI芯片。業(yè)界認為，即使采用ASCI技術(shù)也需要65nm甚至40nm工藝的ASIC才能實現(xiàn)其高運算量和低功耗目標。所以，芯片技術(shù)成為軟件判決從紙上談兵走向商用系統(tǒng)與否的關(guān)鍵。

　　2012年Q1，AT&T實驗室發(fā)布了其業(yè)界首個40nm的技術(shù)的MSA收發(fā)器的系統(tǒng)測試結(jié)果，也是業(yè)界首個運營商測試的SD-FEC系統(tǒng)。PM-QPSK收發(fā)器示意圖如下圖二，其有4個8位、每秒65G采樣率ADC轉(zhuǎn)換通道的DSP引擎，在OTU接收端處理色度色散補償以及PMD補償和對應的載波信號恢復。同時，ASIC套片還包含SD-FEC發(fā)端編碼和接受端SD-FEC解碼。在具體的碼型算法上，試驗系統(tǒng)的SD-FEC采用的是基于Turbo乘積碼（TPC），相應的凈編碼增益11.1分貝。

　四：結(jié)論

　　2012年國內(nèi)100G的研討已從“Why為什么”建設(shè)深入到“How 怎么”建設(shè)100G上來。在既有碼型和固定發(fā)射功率的下，有兩種方法提升Rm點的系統(tǒng)OSNR門限。經(jīng)過本振技術(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)在不增加額外線路開銷的情況下，B2B OSNR已與復雜算法的SD-FEC性能接近。由于100G相對40G技術(shù)，基于偏振復用相干檢測天生對DGD和色度色散不敏感，因此可將Q 裕量從40G的3-3.5db 下降到2-2.5db，優(yōu)化后的100G的系統(tǒng)ONSR門限完全與40G相同，甚至優(yōu)于某些碼型的40G系統(tǒng)。SD-FEC 是第三代FEC技術(shù)發(fā)展的方向，在犧牲有效帶寬到20%冗余的情況下，可以提升OSNR預算1.3 db。由于SD-FEC本身的復雜對硬件實時處理的要求很高，軟判決和硬判決不是取代關(guān)系而是配合關(guān)系。目前，AT&T首次測試了針對128G 速率千萬門電路的40nm的芯片成熟性，阿爾卡特朗訊也在2012年Q1發(fā)布了基于400G技術(shù)的全新處理芯片。成熟套片技術(shù)的快速發(fā)展，必將大幅提升DWDM的網(wǎng)絡(luò)傳送容量以及網(wǎng)絡(luò)OSNR性能。

　　作者簡介：

　　郭中華，華中科技大學通信與系統(tǒng)碩士。在光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有10余年的工程設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、產(chǎn)品規(guī)劃與定義、整體解決方案的經(jīng)驗。2005年加入阿爾卡特，負責重大項目以及產(chǎn)品定義、跨領(lǐng)域的總體解決方案構(gòu)。曾任解決方案部副總監(jiān)以及光網(wǎng)絡(luò)首席架構(gòu)師?，F(xiàn)任阿爾卡特朗訊（上海貝爾）國內(nèi)銷售支持總部，光網(wǎng)絡(luò)總監(jiān)。