4.2 100Gbit/s OTN技术

随着云计算、物联网、新型互联网等未来宽带传送需求的强力驱动，100Gbit/s已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近两年国内发展更为迅速。从100Gbit/s标准化进展来看，国内标准化组织中国通信标准化协会（CCSA）、国际电信联盟（ITU-T）、国际电气电子工程师学会（IEEE）、光互联论坛（OIF）等均得了明显进展。100Gbit/s技术和标准最新进展进一步推动了100Gbit/s技术步入商用化的进程，如何合理部署100Gbit/s成为业界关注的焦点。

4.2.1 100Gbit/s标准化现状

100Gbit/s技术的国内标准化工作主要由CCSA的传送网与接入网工作委员会（TC6）的传送网工作组（WG1）和光器件工作组（WG4）来制定。最近取得的主要标准进展包括：WG1完成了“N×100Gbit/s光波分复用（WDM）系统技术要求”的报批稿，以及“N×100Gbit/s光波分复用（WDM）系统测试方法”（报批稿），同时WG4已开始开展100Gbit/s光模块及组件的标准参数研究。其中“N×100Gbit/s 光波分复用（WDM）系统技术要求”中主要规范了N×22dB传输模型在G.655和G.652光纤上的关键传输参数规范，同时考虑了系统技术实现的差异性，采用背靠背OSNR容限、系统传输距离规则、FEC纠错前误码率等多种参数量化，目前规范的最远传输能力达到18×22dB（18×80km，适用 G.652光纤）和16×22dB（16×80km，适用G.655光纤）。

100Gbit/s的国际标准主要由ITU-T、IEEE和OIF等标准组织制定。其中ITU-T的SG15主要负责光传送网及接入网的标准化工作，其中 Q6 主要负责物理层传输标准的规范工作，Q11主要负责逻辑层传送标准的规范工作。目前针对100Gbit/s的标准化工作主要在G.682、G.sup39、G.709等标准中规范，其中G.682标准2013年已经明确提出进行100Gbit/s参数的规范，而G.sup39逐步引入100Gbit/s技术涉及的一些工程参数考虑，同时G.709的ODUk容器已经支持基于100Gbit/s速率的ODU4。

IEEE 802.3主要负责以太网物理层规范的制定，目前相关规范标准已经制成完成。其中，802.3ba主要研究和规范基于40GE和100GE的物理层规范；802.3bj主要研究和规范100Gbit/s背板和铜缆标准；802.3bm主要研究和规范基于25Gbit/s速率的低功耗和高集成度单模和多模光接口参数。

OIF的PLL主要负责高速模块及器件的规范制定工作，目前已经完成了100Gbit/s长距传输模块、相干接收机等实现协议（IA），目前正在进行第二代的 100Gbit/s 长距传输模块和相干接收机的IA、基于城域应用（中距离）的100Gbit/s DWDM传输框架，以及基于28G的甚短距离传输的通用电接口（CEI-VSR）等IA的制定工作。

从100Gbit/s标准化整体进展来看，目前100Gbit/s标准基本完善，正在进行进一步提升集成度、降低功耗等相关标准的规范制定过程之中，预计到 2015 年左右新一代的 100Gbit/s标准化工作也将完成。

4.2.2 100Gbit/s产业链发展状况

纵观现有的100Gbit/s产业格局，现在已经形成了包括路由器、传输、测试仪表、芯片、光模块在内的端到端的产业链，每个环节都有 3 家以上的公司提供主要产品，且整个产业阵营仍在逐步壮大当中。

思科指出，40GE/100GE的接口标准化及成本降低优势将替代POS成为高速接口的主流选择，思科现已推出了CRS-3核心路由器以及多样化的边缘100Gbit/s路由器。而阿尔卡特朗讯也加大了在核心路由器领域的研发，并率先推出了7950XRS核心路由器，同时其400Gbit/s网络处理器也确保了其在100Gbit/s IP领域的重要地位。

在系统设备商中，华为、中兴、上海贝尔、烽火等厂商都重点参与了国内运营商的100Gbit/s系统测试，同时一些领先厂商也承担了多个 100Gbit/s 的现网建设，具备了丰富的 100Gbit/s应用部署经验。

芯片及光模块方面，Broadcom、高通等厂商都加大了100Gbit/s芯片的研发力度，100Gbit/s的通用芯片已逐步实现流片，而器件及光模块的市场需求也呈现出井喷，JDSU等器件厂商都已加大了产能投入。

虽然在测试领域，部分性能测试仍未完善，然而EXFO、思博伦、IXIA、JDSU等测试厂商都推出了100Gbit/s的相关测试仪表，同时亦加大了对于OSNR等技术指标测试的投入力度。

4.2.3 100Gbit/s OTN关键技术

和40Gbit/s技术类似，除了支持现有通路间隔（如100GHz、50GHz）和尽量提高频谱利用率之外，100Gbit/s的关键技术主要体现在调制编码与复用、色度色散容限、偏振模色散容限、OSNR容限、非线性效应容限、FEC等多个方面。

1.调制编码与复用

从实现方式来看，100Gbit/s的调制格式和复用方式相对40Gbit/s而言类型更为丰富，除了基于偏振复用结合多相位调制的调制方式，如偏振复用—（差分）四相相移键控（PDM-（D）QPSK）之外，还包括更多级相位和幅度调制的调制码型，如 8/16 相相移键控（8PSK/16PSK）、16/32/64 级正交幅度调制（16QAM/32QAM/64QAM）等，以及基于低速子波复用的正交频分复用（OFDM）等。这些编码同时也可以和偏振复用技术结合，组合类型非常丰富。另外，从调制编码的解调来看，目前主要可采用两种方式——直接解调和相干解调，其中相干解调主要采用数字信号处理（DSP）技术来实现，这就显著降低了相干通信中对激光器特性的要求。

综合目前系统性能要求、相应功能的实现复杂性和性价比等多种因素考虑，目前对于100Gbit/s传输商用设备，业界一般选择的长距传输码型为采用相干接收的PDM-（D）QPSK。另外，由于模/数转换器（DAC）和DSP芯片等处理技术涉及超高速电路处理技术，多个厂商于2011年后半年才普遍实现基于100Gbit/s信号的实时相干接收处理（阿尔卡特朗讯公司研发实时处理芯片产品提前实现了1～2年）。

2.色度色散容限

100Gbit/s技术的色度色散容限主要依赖于两种途径解决：一是采用多级调制降低波特率，从而等效提高色散容限；二是采用数字（电）域的信号处理进行色散均衡，而 40Gbit/s 技术根据调制码型可以选择多种方式解决（也包含 100Gbit/s 技术采用的方式），典型的如采用传统色散补偿结合可调色散的方式。传统逐段进行色散补偿的方式在 100Gbit/s 基于 DSP 进行色散均衡的系统中并不需要，而且在线路中逐段引入色散补偿将给系统性能造成一定的影响，如图4-3所示。

3.偏振模色散容限

对于PMD容限，和CD容限提高的解决思路类似，100Gbit/s技术主要采用多级调制、或者多级调制结合电域的信号处理进行PMD均衡，如采用PM-（D）QPSK直接检测，差分群时延（DGD）最大值（@1dB OSNR代价）可达到10ps左右，而采用相干检测时可达到75ps左右。对于采用其他调制格式的，如OFDM、16QAM、32QAM等，则支持的差分群时延值更高（由于波特率或子波速率很低）。考虑到实际光纤网络光纤链路的PMD特性（实际应用系统PMD值一般均小于小于75ps），100Gbit/s信号采用PM-QPSK和相干接收技术以后，采用线路直接进行PMD补偿的必要性已不复存在。

4.OSNR容限

OSNR容限是100Gbit/s技术的另外一关键参数。对于相同的调制格式，100Gbit/s相对于40Gbit/s的OSNR容限要求要提升4dB左右，这对于系统实际研发而言挑战性很大。目前采用不同调制格式的OSNR容限差异较大，但相同的调制格式另外采用相干接收后可显著提升OSNR容限1～2dB。几种比较典型的码型OSNR容限与频谱效率之间的关系如图4-4所示。另外，具体容限值由于不同文献可能采用不同的参考定义和具体物理来实现，因而其相对值仅有参考意义。

5.非线性效应容限

100Gbit/s由于采用了多级的相位（幅度）结合偏振复用的调制方式，其非线性效应不但包括自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）等效应，同时也包括偏振态变化的非线性效应（光纤双折射效应引起）。另外，由于100Gbit/s速率相对于40Gbit/s而言，在采用相同调制格式时，比特率和波特率均上升2.5倍，其对于非线性效应的容忍特性与40Gbit/s有所差异，如图4-5所示。另外，对于不同相邻通路的速率的XPM效应，100Gbit/s相对于40Gbit/s而言非线性容限要高一些，如图4-6所示。

6.FEC

FEC技术引入到高速传输系统后可显著增加系统传输距离，但编码增益与增加FEC开销后所带来的代价两者之间需要平衡，同时FEC技术还需要考虑到现有芯片实现技术的可行性和兼容性等因素。由于具体实现软硬件技术差异、市场竞争需要等多种因素，目前对于100Gbit/s技术仅在域间接口规范采用基于ITU-T G.709的RS（255，239）编码，对于其他更复杂且编码增益更高的编码，目前不同国内外研发机构正在研究，ITU-T和OIF等标准组织也正在进一步地讨论规范化的可能性。

4.2.4 100Gbit/s OTN组网应用

数据业务和宽带业务的爆发式增长，消耗了大量带宽，承载网面临着严峻的挑战，现有的10/40Gbit/s波分系统将不能满足骨干网对大量数据传输的需求。由于调制模式不统一等问题的限制，40Gbit/s系统的成本下降缓慢，40Gbit/s产业链的发展状况也不尽如人意。而随着100Gbit/s标准的完备和100Gbit/s技术的逐步成熟，业界普遍更看好100Gbit/s系统的发展前景，认为其在未来将得到广泛的部署和应用，并且会像 10Gbit/s 系统那样，具备较长的生命周期。

相对于10Gbit/s、40Gbit/s线路速率而言，100Gbit/s线路速率能更好地解决运营商日益面临的业务流量及网络带宽持续增长的压力。如图4-7所示，100Gbit/s WDM/OTN系统通常部署在干线网络以及大型本地网或城域网的核心层，用于核心路由器之间的接口互联、大型数据中心间的数据交互、城域网络业务流量汇聚和长距离传输，以及海缆通信系统的大容量长距离传输。100Gbit/s WDM/OTN系统所具备的大容量、长距离传送特性有利于传送网络的层次进一步扁平化。

（1）核心路由器之间的接口互联

随着全IP化的进展，骨干网络数据流量主要为核心路由器产生，一般采用IP over WDM的方式来完成核心路由器之间的长距离互联。目前核心路由器已支持 IEEE 定义的 10GE、40GE、100GE接口。现网中核心路由器主要采用10GE接口与WDM设备互联实现长距离传输。随着100Gbit/s WDM/OTN技术的成熟，核心路由器可直接采用100GE接口与WDM/OTN设备连接，或将此前已大规模部署的10GE接口采用10×10GE汇聚到100Gbit/s的方式进行承载。采用100Gbit/s WDM/OTN设备进行核心路由器业务的传输不仅可提供数据业务普遍需要的大容量高带宽，而且可进一步降低客户侧接口数量，满足数据业务带宽高速持续增长的需求。

（2）大型数据中心间的数据交互

近年来互联网、云计算等业务蓬勃兴起，此类业务不仅对带宽的实时要求较高而且对传输时延较为敏感，一般采用数据中心来支持内容的分发。数据中心将数量众多的服务器集中在一起来满足用户需求，采用100Gbit/s传输可满足数据中心互联的海量带宽需求，而且可减少接口数量、降低机房占地面积、设备功耗。由于100Gbit/s WDM/OTN设备采用相干接收技术，无需配置色散补偿模块，有效降低了传输时延，可以为金融、政府、医疗等对时延较为敏感的用户提供低时延解决方案。

（3）城域网络业务流量汇聚及长距离传输

随着LTE网络的部署，以及移动宽带业务、IPTV、视频点播、大客户专线业务的开展，城域网络的带宽压力日趋增长。就移动回传网络而言，LTE 时代不仅基站数量众多而且单基站出口带宽高达1Gbit/s，固网宽带用户的带宽也将由10Mbit/s逐步升级至100Mbit/s甚至更高，城域网络的接入、汇聚层单环容量会迅速提升至10Gbit/s、40Gbit/s。接入、汇聚层节点数量及带宽的攀升促使了在城域核心层需要部署 100Gbit/s WDM/OTN 设备来进行大带宽业务的流量汇聚并与长途传输设备接口。

（4）海缆通信系统的大容量长距离传输

由于海缆传输的投资成本较高，用户希望采用单波提速的方式来提升系统传送容量。目前全球已建设的海缆系统包括10Gbit/s和部分40Gbit/s WDM系统。100Gbit/s WDM系统不仅可在C波段提供80×100Gbit/s的传输容量而且由于采用PM-QPSK编码、相干接收、SD-FEC软判决等先进的技术，在传输距离、B2B OSNR容限、CD和PMD容限等关键项目上均具有较好的指标。采用100Gbit/s WDM系统既提高了海缆传输系统的容量又降低了系统运营维护成本，普遍受到提供海缆传输业务运营商的青睐。

而随着 100Gbit/s 时代即将到来，100Gbit/s 传输和现网如何兼容成为业界关注的焦点问题，需要考虑评估几个主要影响因素，包括系统的OSNR容限、CD/PMD容限和非线性影响。

第一，相干100Gbit/s（PDM-QPSK）和非相干10/40Gbit/s既有系统混传。众所周知，具备相干接收端的100Gbit/s解决方案可以给网络带来诸多好处，比如节省DCM模块，光层规划更加简单等，然而和原有的系统特别是10Gbit/s非相干混传时，原系统的DCM模块对相干系统会带来多少影响一直是一个顾虑。实验室测试表明，非相干系统对相干系统额外的OSNR上的代价不高于0.5dB，影响较小，且相干100Gbit/s的入纤光功率可达到1～2dBm，和现有的10Gbit/s系统接近，只需OSNR参数能同时满足100Gbit/s和10Gbit/s的设计要求，即可实现兼容混传。

第二，相干100Gbit/s和相干40Gbit/s系统的混传。对于40Gbit/s相干系统，目前业界有两种主流编码技术，一种采用 2 相位调制 PDM-BPSK，码速率为 21.5Gbit/s，入纤功率和100Gbit/s相干、10Gbit/s系统接近，是最容易平滑混传的解决方案；另一种40Gbit/s相干采用4相位调制PDM-QPSK，码速率为11.25Gbit/s，抗非线性较弱，入纤功率较低，和100Gbit/s相干兼容混传代价较大，在混传场景时需要慎重设计。

第三，非相干100Gbit/s（OPFDM）和非相干10/40Gbit/s混传。非相干100Gbit/s的光层设计参数和既有10/40Gbit/s系统接近，影响代价较小，只要在OSNR同时满足设计的前提下即可实现混传。