40G DWDM技术及应用

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　　宽带业务的快速发展，催生了核心路由器40G业务端口的出现，迫切需要解决40G的传输问题。在我国经济发达的珠三角、长三角、环渤海经济带城域网核心节点之间已经采用了并行多个10G端口的捆绑方式，但这种方式给运维、管理带来了难度，开销庞大、端口效率不高，电信运营商的数据部门有较强的配置40G数据端口的意愿，40G应用已迫在眉睫。而40G传输面临一系列关键技术的突破以及工程应用问题的解决。本文点评了40G的核心技术，简要分析了40G工程应用中需要关注的问题。
一、40G DWDM关键技术
　　在10G超长传输技术基础上，40G要走向实用还需新的技术突破，主要有新型光调制技术、动态色散补偿技术以及偏振模式色散补偿等。
　　1. 码型调制技术
　　40G要走向实用化，新型光调制格式是关键。笔者认为目前以及未来几年可以预见并可望实用的光调制码型有：NRZ、ODB、DPSK、DQPSK/RZ-DQPSK以及PM-QPSK。
　　非归零（NRZ）码型用高光功率表示“1”码，接近于零的低光功率表示“0”码，相连的“1”码之间光功率保持高水平。NRZ可以采用EA或MZ做光调制器，光发送和接收单元都比较简单。但在40Gbps系统中，NRZ的OSNR容限以及传输的非线性限制了系统的波长间隔和无电中继传输距离，其仅适用于作为40G客户侧接口或100GHz波长间隔的城域传输接口。
　　光双二进制（ODB）码型是三电平光调制格式，用接近于零的低光功率表示“0”码，用高光功率表示“1”码，但相邻“1”码相位可能相差π，从而有效压缩了光谱宽度。ODB有多种实现方案，业界关注较多的有2种：
　　相位整形光双二进制（PSBT）码型，采用5阶Bessel低通滤波器实现2电平到3电平变换，这样奇数个“0”两边的“1”相位相差π，偶数个“0” 两边的“1”相位相同。其优势为频谱带宽窄，色散容限高，能适用于50G波长间隔的DWDM系统。劣势是眼图不好，OSNR容限接近NRZ码型。
　　传号交替反转（AMI）码型，“0”码用零电平表示，相邻“1”码交替用“＋1”和“－1”，即相邻“1”码相位相差为π，并且对“1”进行了归零。优势是用于100GHz间隔系统可以显示归零码对OSNR明显的改善效果，较PSBT会有2dB左右改善。其劣势是光通道带宽不能太窄，只能用于100GHz间隔以上DWDM系统。
　　差分相移键控（DPSK）码型是将数据承载于临近光脉冲的差分相位上，即前后两个信号脉冲的光载波相位相同则表示是数字码“1”，相反则表示是数字码“0”。DPSK的频谱能量集中，频谱效率高，可以改进色散容限、非线性容限。DPSK光接收端需要光解调器，采用平衡检测OSNR容限可以比NRZ改进约3dB。特别是光解调器的两臂设置合适的延时量，可以以较小的光通道滤波损伤达到支持50GHz波长间隔DWDM系统的能力，因此DPSK是目前技术成熟、性价比最好的支持50GHz波长间隔的骨干网DWDM系统解决方案，用于100GHz波长间隔系统更有优势。
　　差分正交相移键控DQPSK码型实际上是两路DPSK调制信号相差半个时钟周期叠加。DQPSK的频谱带宽只有DPSK的一半，可以很好地支持50GHz间隔的40Gbps DWDM传输，拥有良好的PMD和色散容限。目前研究较多的是RZ-DQPSK，它结合了RZ和DQPSK的优点，具有良好的非线性抑制能力和高的色散与PMD容限。但实现方案比较复杂，目前集成度低是其商用的主要障碍，性能上与10G NRZ混传可能会受到严重损伤。
　　偏振复用正交相移键控PM-QPSK码型实际上是两路偏振态正交的QPSK调制信号叠加，这样其单个调制信号的速率就变成了10G bps。因此在性能上是与目前10G DWDM系统最接近的一种40G调制格式，但其实现方案在现有技术水平下过于复杂，集成度低，特别是工程中的可用性需要验证。
　　2. 动态色散补偿（TDC）技术
　　TDC技术是目前40G较成熟的光调制格式，色散容限都在±200ps/nm之内，考虑到色散补偿模块补偿精度及色散斜率补偿与光纤的失配、环境温度变化对色散的影响以及线路维护可能造成色散变化等，40G长距离传输系统动态色散补偿是必配的。
　　动态色散补偿技术长远来说，我们看好电色散补偿（EDC）方法。但目前光的色散补偿技术较成熟，主要有光纤啁啾Bragg光栅（FBG）技术、GT Etlon标准具技术、虚成像相移阵列技术等实现方式，光纤光栅（FBG）相比较而言最成熟。
　　动态色散补偿应自动优化色散补偿量，而整个链路的残余色散量无法在线监测，目前基本依据接收点纠错前的误码率来闭环调整，而误码引起的原因很多，所以必须采用有效的优化控制算法。
　　3. 偏振模色散补偿（PMD）技术
　　光纤链路PMD主要影响因素是光纤、色散补偿模块和光放大器，其他器件数量少，对链路PMD影响较小。较成熟的40G光调制格式，如按器件/模块厂商提供的典型参数设计，无PMD补偿时传输距离500km可能就是一个坎。
　　目前关于PMD补偿系统的研究在光域、电域和光电域结合等多个方面同时展开。主要依赖测得的偏振度（DOP）、电域特定信号谱功率、电域全部信号谱功率、误码率（BER）、眼图监控信号以及电域中的横向滤波器和阈值电流技术等来调节PMD补偿量。但目前能应用于实际工程的PMD补偿器极少，而且效果需要工程检验。
二、工程应用应关注的问题
　　40G DWDM系统与10G DWDM系统相比，在工程应用中应重点关注以下问题：
　　1. 系统的PMD问题
　　40G系统的PMD不但要关注光缆，还要考虑站点内大量的掺铒光纤放大器（EDFA）和色散补偿光纤（DCF）。而光缆的PMD与光纤质量、成缆工艺水平、施工维护水平等密切相关，必须依赖实测数据，理论假设或按标准给的参数对工程设计没有太多实用意义。
　　PMD具有统计特性，最大群时延（DGD）超过容限并不意味着系统就会瘫痪，只是表示短期（如每年2分钟）PMD引起的代价可能会大于1dB，会占有系统的裕量。
　　2. 40G与10G混传问题
　　10G NRZ与40 GDPSK/DQPSK混传时，邻近10G NRZ比特序列导致的幅度随机起伏会引起DPSK、DQPSK的相位随机变化，从而对40Gbps的DPSK、DQPSK带来比纯40Gbps系统更大的传输损伤。由于DPSK是两相位，DQPSK是四相位，这种XPM导致的相位扰动对DQPSK可能是致命的。所以在工程设计中，建议10G与40G波长最好不要间插配置，建议分别配置在相邻的波带。
　　3. 40G客户侧接口问题
　　目前40G客户侧接口通常配置1550nm波长的40G NRZ接口，对G.652光纤客户侧色散容限只有2km，对G.655光纤客户侧色散容限接近10km，因此数据中心与传输机房之间的40G接口必须考虑其色散限制。有以下解决思路：
　　（1）配置1310nm波长的客户侧接口，ITU-T最新已建议将波长限制在G.652光纤零色散波长附近的1307~1317nm，色散受限距离可望达40km；
　　（2）配置1550nm波长的40G PSBT接口，G.652可达10km，G.655光纤接近40km。
　　4. 40G业务保护问题
　　40G DWDM系统相比10G系统每个波长通道上增加了多个动态调整的部件，如动态色散补偿、DPSK解调器的相位锁定、可能需配置的PMD补偿模块等，这些参数的调整需要纠错前的误码率，并且会互相影响，需要多重循环才能完成一次优化，与50ms保护倒换时间相差很远。目前40G只支持客户侧的1+1保护。