40Gbit/s高速光传输威廉希尔官方网站 的应用与挑战
1 40Gbit/s高速光传输的威廉希尔官方网站 发展与应用现状
1.1 40Gbit/s传输的业务背景
40Gbit/s传输威廉希尔官方网站 的出现和发展与以Internet为代表的电信网络业务与威廉希尔官方网站 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高速光传输威廉希尔官方网站 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传输的威廉希尔官方网站 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。但是随着需求和威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 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,但是威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 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传输需要一系列新威廉希尔官方网站 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传输使能威廉希尔官方网站 中最突出的代表,下面进行重点介绍。
调制码型是40Gbit/s WDM传输威廉希尔官方网站 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。根据其威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ,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威廉希尔官方网站 ,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威廉希尔官方网站 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,可调色散补偿威廉希尔官方网站 (用于弥补40Gbit/s信号色散容限过低的限制)、高速芯片威廉希尔官方网站 (40Gbit/s FEC,Framer,SerDes等核心芯片)、高速调制/解调威廉希尔官方网站 等也是40Gbit/s WDM传输系统的重要使能威廉希尔官方网站 。
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传输威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 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传输相关威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 标准,有效促进了40Gbit/s传输设备的现网应用。
2 40Gbit/s高速光传输威廉希尔官方网站 面临的挑战
虽然40Gbit/s高速光传输威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 还面临着一些挑战。这些挑战有威廉希尔官方网站 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传输威廉希尔官方网站 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高速传输威廉希尔官方网站 的未来发展方向和前景。
2.1 适应于大PMD光纤的40Gbit/s传输威廉希尔官方网站
对于OSNR,色散等40Gbit/s传输限制因素的相继解决,PMD成为目前影响40Gbit/s WDM系统无电中继传输距离的主要限制因素。普通40Gbit/s信号的PMD容限只有大约2~2.5ps,即使不考虑系统其它光学元器件带来的PMD,也只能在 PMD系数优于0.1ps/sqrt(km)的光纤中才具有实用价值,在PMD系数优于0.05ps/sqrt(km)的条件下才能发挥长距离传输的优势。这对现网40Gbit/s WDM系统建设的光纤选型要求是非常苛刻的,未来40Gbit/s WDM传输系统面临的最大威廉希尔官方网站 挑战就是如何适用于大PMD光纤。
在提高40Gbit/s WDM系统PMD首限传输距离方面,业界已经进行了很多努力,提出了各种各样的解决方案,这些方案可以归纳为以下3种:
(1)PMD补偿方式:其思路是沿用色散补偿的思路,通过一定威廉希尔官方网站 手段跟踪线路PMD的变化并通过引入相反的偏振时延的方式实现PMD补偿;这种方式的思路简单明了,但是由于PMD的动态特性,PMD补偿威廉希尔官方网站 的实现难度远远大于色散补偿威廉希尔官方网站 ,目前仅仅在一阶PMD补偿方案取得了一定进展,一些厂商号称推出了商用模块,但是尚无规模商用部署的报道,而且由于原理性缺陷,目前高阶PMD的补偿机理尚无突破;因此,PMD补偿方式目前看来并不成功。
2)先进调制码型提高信号PMD容限:其思路是通过复杂的调制码型,在保证40Gbit/s信号比特率不变的情况下降低信号波特率,从而提高信号自身的PMD容限,目前最常见的具备提高PMD容限功能的调制码型主要有RZ-DQPSK和DP-QPSK两种,其中前者仅仅依靠调制码型,而后者还涉及到第3种方式(电域均衡方式);目前,通过RZ-DQPSK码型来提高40Gbit/s信号PMD容限是最广为应用的方式,可以将PMD容限从其它码型的 2~2.5ps提升到6~8ps,效果非常明显。
(3)基于相干接收的电域均衡威廉希尔官方网站
:其原理是利用相干接收后电信号保留的光域相位信息,分离PMD导致的信号畸变,采用特殊电域均衡算法(硬件上通过高速ADC和DSP实现)纠正信号畸变,从而实现消除PMD影响的目的;北电在业界最早推出了商用的解决方案,其DP-QPSK码型40Gbit/s信号的平均PMD容限可以达到25ps,甚至超过了10Gbit/s信号的水平。
上述3种方式的威廉希尔官方网站
复杂度和使用范围都有一定的区别,笔者认为:
●PMD补偿威廉希尔官方网站 由于存在原理性限制,不太可能成为一种规模商用方案。
●DQPSK是近期需要重点关注的一种高PMD容限调制码型,它以适中的复杂度实现了6~8ps的平均PMD容限,将40Gbit/s WDM系统对光纤PMD系数要求降低到优于0.2ps/sqrt(km),国内运营商的光缆网络建设时间较晚,大多数地区都能找到满足该要求的光纤光缆。
●基于相干接收的电域均衡方案具有更好的性能,可以说是PMD限制的终极解决方案,笔者认为该方案是100Gbit/s WDM传输的解决方案,但是对于40Gbit/s WDM系统来说,还需要根据今后其发展情况和与现行方案的性价比关系来判断。
2.2 持续降低成本的需求
目前,40Gbit/s WDM传输系统单位比特×公里的传输成本依旧高于10Gbit/s WDM系统,主要有3个原因:第一,40Gbit/s WDM传输威廉希尔官方网站 自身复杂度较高,研发成本的分摊较多,元器件的成本也较高;第二,40Gbit/s WDM系统的设备出货量还远远小于10Gbit/s WDM系统,无法形成较大的规模效应来有效降低成本;第三,40Gbit/s WDM系统的无电中继传输距离不如10Gbit/s WDM系统,尤其在一些骨干网超长距离应用场景中,更多的OEO再生势必提高40Gbit/s WDM传输系统的建设成本。
因此,持续降低40Gbit/s WDM系统的成本也应该从上述几个方面入手。首先,运营商需要根据业务需求适度超前建设40Gbit/s WDM系统,只有较大的设备采购量才能形成规模效应,降低单位比特×公里建设成本。其次,40Gbit/s WDM传输系统的威廉希尔官方网站 和性能还需要进一步提高,特别是在无电中继再生距离方面,需要达到甚至超过10Gbit/s WDM系统的水平;上节分析的PMD受限问题也是部分场景40Gbit/s WDM系统成本高的重要原因,PMD问题的有效解决也有助于降低40Gbit/s WDM系统的成本。
总之,40Gbit/s传输系统在成本方面的挑战是实现低于10Gbit/s WDM系统。随着威廉希尔官方网站 进步节约的OEO再生成本和设备出货量增大带来的规模效应,乐观估计,未来两年左右,40Gbit/s WDM系统的单位比特×公里传输成本接近甚至低于10Gbit/s WDM系统。
2.3 100Gbit/s传输威廉希尔官方网站 发展的挑战
虽然40Gbit/s相对于10Gbit/s已经是一个飞跃,但是40Gbit/s远不是高速传输速率的终点。事实上,由100GE(100Gbit/s以太网)威廉希尔官方网站 标准和接口带动的100Gbit/s高速传输威廉希尔官方网站 已经得到了业界的广泛关注,成为高速光传输领域新的热点。
在标准领域,ITU-T,IEEE和 OIF分别在100G OTU3,100GE和100G DWDM 3个领域积极推进相关威廉希尔官方网站 标准的制定工作,预计在2010年底,3个组织的主要威廉希尔官方网站 标准都将完成制定。在设备研发及应用领域,领先的设备厂商都启动了 100Gbit/s WDM传输威廉希尔官方网站 的研究工作,部分厂商发布了样机并与一些运营商合作(集中在欧洲和北美)进行了多次100Gbit/s传输的演示。因此,100Gbit /s传输威廉希尔官方网站 的发展是迅猛的,业界也出现了一种论点,即40Gbit/s只是过渡威廉希尔官方网站 ,100Gbit/s才是下一代高速网络的标准速率,网络速率的提高可以跨越40Gbit/s,从10Gbit/s直接达到100Gbit/s。
支持上述观点的一个佐证就是Ethernet的发展路线,毫无疑问未来WDM传输系统的主要业务就是各种速率Ethernet接口的互联互通。从 10M Ethernet到100GE,IEEE一直以10倍为单位提高这Ethernet的速率,10倍整数才是Ethernet的主流,40Gbit/s只是作为10Gbit/s与100Gbit/s之间过渡威廉希尔官方网站 存在。
根据对路由器40Gbit/s 接口应用需求,WDM传输的威廉希尔官方网站 特点,目前100Gbit/s设备发展现状以及成本因素的分析,笔者的观点是:由于100Gbit/s的迅猛发展,40Gbit/s WDM传输的市场窗口将会受到一定影响,但是无法跨越,未来4~5年内高速网络建设依旧以40Gbit/s为主,以后才会逐渐向100Gbit/s演进。理由如下:
(1)从威廉希尔官方网站 角度:目前100Gbit/s传输威廉希尔官方网站 尚处于实验室阶段,其成熟程度仅仅相当于2005年前后的40Gbit/s传输威廉希尔官方网站 ;如果没有100Gbit/s传输的支持,100GE接口即使出现,也只能用于同机房设备的互通,无法应用于骨干网络。
(2)从产业链角度:100Gbit/s传输上下游产业链尚未形成,存在诸如核心芯片、测试仪表等诸多短板,没有产业链的支撑很难形成成熟的100Gbit/s传输市场。
(3)从预计市场规模角度:越高速率的传输威廉希尔官方网站 ,可预期的应用场景越有限,100GE业务的传输手段相对丰富,特别是未来WDM传输威廉希尔官方网站 与OTN调度威廉希尔官方网站 相结合,40Gbit/s甚至10Gbit/s线路速率都可以有效支持100GE业务接口,因此100Gbit/s传输的整体市场规模存在不确定因素。
(4)从性价比角度:40Gbit/s传输已经实现了一定的规模应用,将为其带来明显的成本优势,在未来若干年内,100Gbit/s传输的性价比尚难以超越40Gbit/s传输。
3 高速光传输威廉希尔官方网站 展望
就在笔者撰写本文的时候,听闻喜讯:被称为“光纤之父”的英籍华人科学家高锟(Charles C. Kao)博士被宣布授予2009年诺贝尔物理学奖,高锟成为三位获奖者之一并获得二分之一的奖金。这对于光通信行业内的每个人来说,都是一个振奋人心的好消息,光纤通信在信息化过程中的贡献是有目共睹的,这种成就完全有资格写入人类发展史。诺贝尔奖只是对历史的回顾和肯定,作者也希望高博士的获奖能够成为一个象征,光通信威廉希尔官方网站 和产业都能在未来得到更广大的发展。
无论在哪个阶段,高速大容量WDM传输都是光通信威廉希尔官方网站 中最具代表性的一种,从2.5Gbit/s到10Gbit/s再到现在的40Gbit/s,单波速率已经提高了16倍;从最初的8×2.5Gbit/s到现在的80×40Gbit/s,系统容量提高了160倍;100Gbit/s WDM传输威廉希尔官方网站 也已经走向前台,成为下一代高速光传输威廉希尔官方网站 的代表。
随着业务需求和相关威廉希尔官方网站 的发展,我们有足够的理由相信,高速光传输威廉希尔官方网站 还有广阔的发展空间:一方面要继续提高单波速率和系统容量;另一方面需要进一步降低成本,提高性价比,扩展适用范围。总之,高速光传输威廉希尔官方网站 存在和发展的惟一价值就是更好地满足人们的信息通信需求。
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