特約撰稿人 | 宋向東

日本骨干光纖傳輸系統(tǒng)邁向400Gbit/s時(shí)代

特約撰稿人 | 宋向東

為了實(shí)現(xiàn)高容量且低功耗的光纖傳輸，構(gòu)建靈活的網(wǎng)絡(luò)、探尋新的光傳輸系統(tǒng)解決方案勢(shì)在必行。超高速率、低能耗、兼?zhèn)潇`活性的400Gbit/s光纖網(wǎng)絡(luò)，就成為首選。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的普及，數(shù)據(jù)流量呈爆炸式成長(zhǎng)，為了滿足不斷飆升的通信需求,100Gbit/s相干光纖系統(tǒng)順勢(shì)產(chǎn)生。

100Gbit/s光纖傳輸系統(tǒng)全面商用

日本NTT、日本電氣、富士通、三菱電機(jī)株式會(huì)社公司等受日本總務(wù)省委托，研發(fā)出了100Gbit/s光纖傳輸系統(tǒng)。它可以用到WDM的骨干光纖網(wǎng)及海底光纜網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)也可用在超高速數(shù)據(jù)專線網(wǎng)中，為客戶提供超高速數(shù)據(jù)專線服務(wù)。

因100Gbit/s光通信系統(tǒng)必須使用數(shù)字相干光通信技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，這就要求對(duì)超高速信號(hào)進(jìn)行處理，因此超高速數(shù)字信號(hào)處理電路就成為必須的選擇。日本產(chǎn)官學(xué)聯(lián)合開發(fā)出的超高速光通信信號(hào)處理芯片,對(duì)光通信大容量化及日本光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

日本的大規(guī)模集成電路研發(fā)是通過聯(lián)合方式進(jìn)行的。首先，將100Gbit/s光通信系統(tǒng)的功能模塊劃分成“信號(hào)編碼糾錯(cuò)處理單元”、“多路復(fù)用單元”、“100Gbit/s光端機(jī)單元”、“色散補(bǔ)償單元”和”傳輸路徑評(píng)估單元”等，各個(gè)單元分別由參研單位獨(dú)立負(fù)責(zé)，分工進(jìn)行；其次，功能模塊之間主要信號(hào)耦合由NTT負(fù)責(zé)，在開發(fā)過程中如果功能模塊之間需要協(xié)作時(shí),也由NTT負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)；最后，在功能模塊間設(shè)置內(nèi)存(RAM),用檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢查,哪個(gè)模塊出現(xiàn)故障,就視為不合格。

大規(guī)模集成電路在國(guó)際電聯(lián)也是個(gè)大課題。如由ITU-T制訂的OTN標(biāo)準(zhǔn)與辦公室或家庭等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用的以太網(wǎng)不能很好匹配。但到2008年前后,100G OTN的標(biāo)準(zhǔn)化工作開始，最終決定采用創(chuàng)新的數(shù)字相干系統(tǒng)技術(shù)，OTN的下行接口配備了10G以太網(wǎng)接口，使10G以太網(wǎng)與10G OTN得以匹配。

目前應(yīng)用程序服務(wù)提供商和內(nèi)容提供商在東京、大阪、名古屋、橫濱、札幌、仙臺(tái)、京都、神戶、廣島、福岡等主要城市中，都在使用視頻、在線游戲、云計(jì)算等技術(shù)，以致于數(shù)據(jù)流激增，100Gbit/s的以太網(wǎng)出現(xiàn)適應(yīng)了數(shù)據(jù)流激增的形勢(shì)。據(jù)日本媒體報(bào)道，2013年1月23日,亞洲互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商N(yùn)TT Com公司在骨干光纖網(wǎng)上推出100Gbit/s以太網(wǎng)用戶界面，用于公司的互聯(lián)網(wǎng)超高速接入服務(wù)。當(dāng)最大速率不超過10Gbit/s時(shí)，為固定費(fèi)率；超過10Gbit/s時(shí),超過部分按信息量計(jì)費(fèi)。與傳統(tǒng)使用的多條10Gbit/s以太網(wǎng)電路服務(wù)相比，成本可節(jié)省約20%。目前日本的100Gbit/s光纖系統(tǒng)商用已經(jīng)相當(dāng)成熟。

400Gbit/s超高速光纖傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)推出

目前，日本市場(chǎng)上100Gbit/s光傳輸系統(tǒng)已經(jīng)開始商用，然而隨著大數(shù)據(jù)和M2M的普及，客戶對(duì)數(shù)據(jù)的多樣性需求增強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度要求不斷提高，對(duì)服務(wù)期待值不斷膨脹，將來要處理的數(shù)據(jù)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，并且網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量波動(dòng)變化巨大。為了應(yīng)對(duì)這些難題，就需讓光骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步超高速率化。然而，現(xiàn)在的光傳輸技術(shù)既需要超高速率化，又要確保光傳輸性能，必然是相當(dāng)困難的，并且隨著網(wǎng)絡(luò)中信息量增長(zhǎng)，電信設(shè)備的功率消耗也會(huì)顯著增加。為了實(shí)現(xiàn)高容量且低功耗的光纖傳輸，構(gòu)建靈活的網(wǎng)絡(luò)、探尋新的光傳輸系統(tǒng)解決方案勢(shì)在必行。超高速率、低能耗、兼?zhèn)潇`活性的400Gbit/s光纖網(wǎng)絡(luò)，就成為首選。

圖 400Gbit/s光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

NTT、NEC、富士通三家公司受日本總務(wù)省委托，分別從2009年開始研發(fā)“超高速光網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)”，于2010～2011年又研發(fā)“100Gbit/s數(shù)字相干光通信系統(tǒng)”，至2012年已將其商用。三家公司于2012年再次接受日本總務(wù)省委托，共同研發(fā)“超高速、低功耗的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”，最終在2014年10月推出了單信道400Gbit/s數(shù)字相干傳輸技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

單信道400Gbit/s的數(shù)字相干傳輸技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為3種情況：?jiǎn)涡诺浪俾?00Gbit/s～400Gbit/s，WDM采用60個(gè)信道，用4值的正交相移鍵控調(diào)制（QPSK）方式，在1萬km長(zhǎng)的光纖實(shí)驗(yàn)線路上，傳輸速率達(dá)到了12.4Tbit/s；采用8值的正交振幅調(diào)制（QAM）方式，在5600km長(zhǎng)的光纖實(shí)驗(yàn)線路上，傳輸速率達(dá)到了18.5Tbit/s；采用16值的正交振幅調(diào)制（QAM）方式，在2000km長(zhǎng)的光纖實(shí)驗(yàn)線路上，傳輸速率達(dá)到了24.8Tbit/s。

除了在100Gbit/s系統(tǒng)上采用4值正交相移鍵控調(diào)制（QPSK）外，為了擴(kuò)大容量還采用了8值正交振幅調(diào)制（QAM）和16值的正交振幅調(diào)制(QAM)，并由稱為副載波多路復(fù)用的奈奎斯特濾波的頻帶壓縮技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用。特別是，根據(jù)光傳輸路徑的性能、線路質(zhì)量,選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式，并采用了包含8值正交振幅調(diào)制（QAM）等在內(nèi)的電子電路算法。

400Gbit/s的數(shù)字相干傳輸技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過使用非線性光學(xué)效應(yīng)的補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)數(shù)字反向處理。此外，根據(jù)光纖中每個(gè)波長(zhǎng)傳播延遲不同，可以估算出在1萬km時(shí)光纖的波長(zhǎng)色散，并采取了高性能的MSSC-LDPC糾錯(cuò)碼技術(shù)延長(zhǎng)傳輸距離。綜合這些元素，在海底光傳輸模式下實(shí)驗(yàn)距離最大達(dá)到了1萬km，陸地光傳輸模式下實(shí)驗(yàn)距離最大達(dá)到了3000km。實(shí)驗(yàn)中一個(gè)波道傳輸速率最大可達(dá)400Gbit/s,如果在一根光纖中采用60高密度波分復(fù)用，則這根光纖就可實(shí)現(xiàn)24Tbit/s（400Gbit/s×60）的傳輸能力。

依據(jù)本次實(shí)驗(yàn)成果，結(jié)合色度色散、偏振模色散高性能的補(bǔ)償技術(shù)，可讓傳輸距離傳輸提高1倍以上、功耗削減一半，并通過自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，構(gòu)筑成靈活的網(wǎng)絡(luò)，具體如圖所示。