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什么是OTN OSN9800相干线路传输技术

发布时间:2019-04-23 18:26:01浏览次数:资料来源:www.szdingwei.net

随着波分超长距离骨干网的线路速率从2.5G升级到10G,从10G升级到40G,波分传输技术一直面临着一系列的物理限制因素的挑战,在线路速率再次从40G升级到100G过程中,这些物理限制因素仍然存在,由此产生的传输损伤也更为严重。华为公司采用相干传输技术可以有效克服各种物理效应对传输系统的危害,实现高速信号的可靠传输。本节将介绍相干传输中的关键技术挑战,以及为克服这些挑战而采用的相干传输关键调制码型和接收技术。


相干传输基本原理及关键技术

OptiX OSN 9800相干传输采用ePDM-QPSK、ePDM-BPSK等调制码型和相干接收等关键先进技术,克服了高速传输系统对于OSNR要求,CD容限,PMD容限及非线性等方面的传输物理效应的挑战,为传输网络提供了大容量、超大带宽的100G、40G相干传输系统的解决方案。本节针对相干传输及关键技术的基本原理进行介绍。

华为100G相干通信的基本原理及信号处理过程如图1所示。发送端采用ePDM-QPSK调制,接收端采用相干接收技术。

相干传输发送和接收过程为:

  1. 用偏振分束器,将激光分成x、y两个垂直的偏振方向。
  2. 分别对x、y偏振方向上的光信号进行QPSK调制。112Gbit/s信号码流经过“串行-并行”转换,变成4路28Gbit/s信号。
  3. 偏振合波器将X、Y两个偏振方向上已经调制好的光信号合路到一根光纤上传输。
  4. 接收端将接收到的信号分离到X、Y两个垂直的偏振方向上。
  5. 相干接收,将X、Y两个偏振方向上的光信号转变为电流/电压信号。
  6. ADC(Analog to Digital Converter)高精度模拟-数字转换,将电流/电压信号变成0101...数字码流。
  7. DSP(Digital Signal Processing)高速数字处理,去除色散、噪声、非线性等干扰因素,还原从发送端的发出的100G信号。

说明:

40G与100G信号相干通信的基本原理基本相同,不同点在于40G信号相干通信发送端采用ePDM-BPSK调制。

相干传输系统涉及如下几种关键技术:


ePDM-QPSK调制技术

ePDM-QPSK(enhanced Polarization Division Multiplexing-Quadrature Phase Shift Keying)调制,即偏振复用四相移键控调制,其首先利用光的正交偏振特性,将一束光分为X/Y两个方向的偏振分量,然后在光的X/Y两个偏振分量上分别进行QPSK调制的技术。

客户侧接入的112G bit/s业务信号经过串-并转换,分成四路并行的28G bit/s速率信号。其中两路信号加载在X分量分成的两束光信号上进行调制,另外两路信号加载在Y分量分成的两束光信号上进行调制。

两路28G bit/s的二进制信号的“0”,“1”信息码元分别调制后使得第一束光的相位只有0和π两种取值,第二束光的相位只有π/2和3π/2两种取值,然后再将这两束光合并在一起,则该束光在每一个时刻的相位只有4种可能的取值,分别为π/4,3π/4,5π/4,7π/4,这四个相位取值分别对应二进制信息码元的00,01,11,10。最终在X分量这束光的内部实际上采用了两个子通道,每个通道的波特率是28G bit/s,而总的线路速率为56G bit/s。

说明:

习惯上将第一路光称为“inphase”分量,或I channel;第二路光称为“quadrature”分量,或Q channel。

图2 ePDM-QPSK调制原理
由此可见,PDM+QPSK调制方式可以大大降低电层处理的速率:
  • 通过PDM,把1个光信号分离成2个偏振方向,再把信号调制到这两个偏振方向上。相当于对数据做了“1分为2”的处理,速率降低一半;
  • 通过QPSK,一个相位就表示2个数字bit,也相当于对数据做了“1分为2”的处理,速率降低一半;
  • 以上,112G的信号,实际上,处理时的数据波特率仅为100÷2÷2=28G Baud。
QPSK的本质是通过在光场相位上选取4个可能的取值,使得在不降低线路速率的基础上,将光信号的波特率降低一半。这种方式使得50GHz间隔,100G线路速率的多波长ULH传输成为可能。光谱带宽的降低还会带来其他重要的优势,如降低OSNR要求和光纤非线性危害,提高色散容限、PMD容限等。

ePDM-QPSK是100G波分传送的最佳解决方案。


ePDM-BPSK调制技术

ePDM-BPSK(enhanced Polarization Division Multiplexing-Binary Phase Shift Keying)调制,即偏振复用二相移键控调制,是在ePDM-QPSK技术基础上,将QPSK的四个相位0、π/2、π、3π/2缩减为0、π两个相位,如图3所示。

图3 ePDM-BPSK调制原理

ePDM-BPSK技术采用两个相位进行数据传送,抗干扰的能力强,OSNR容限好,可以实现更长的传送距离。

ePDM-BPSK是40G波分传送的最佳解决方案。

相干接收技术

两束满足相干条件的光称为相干光。相干条件(Coherent Condition)指这两束光在相遇区域:
  • ①振动方向相同;
  • ②振动频率相同;
  • ③相位相同或相位差保持恒定。
两束相干的光在相遇的区域内会产生干涉现象。

相干系统采用相干接收技术,利用与发送端激光器相同频率的本振激光器与接收光信号进行相干,再通过同步电路处理,使接收端的相位保持与发送端相同(同相),从而形成相干条件,从接收信号中恢复幅度、相位及偏振状态信息。除此之外,相干接收的好处还在于可提供比非相干系统更高的OSNR,这对提升40G/100G传输距离是非常有优势的。

图4 相干接收原理

高速模拟数字转换(ADC)和数字信号处理(DSP)技术

相干通信技术本身无法提高色散容限,但是华为相干传输系统接收端利用高速模拟数字转换(ADC)采样后,通过高速数字信号处理(DSP)算法将PMD、CD做补偿处理,可大幅提升PMD、CD容限。高速ADC、DSP(算法)都是相干通信关键技术。
说明:

传统的DCM补偿是采用和光纤色散系数相反的负色散光纤来补偿,本质上是光学的方法;而相干技术通过DSP来消除CD/PMD,是采用电信号的技术来解决色散带来的信号畸变和时延问题。

和直接解调和差分解调方式相比,相干检测所使用的本地激光器的功率要远大于输入光信号的光功率,所以光信噪比可以极大地改善。再加上相干检测技术充分利用强大的DSP来处理极化模复用信号,可以通过后续的数字信号处理补偿并进行信号重构,可以还原被传输的信号的特性(极化模,幅度,相位),大幅度消除光纤带来的传输损伤,如无需线路色散补偿就可以容忍几万ps/nm的CD。

高性能FEC算法

华为相干传输系统采用高性能的硬判决FEC(如:HFEC)、二代硬判决FEC(如:HFEC2)、软判决FEC(如:SDFEC)和二代软判决FEC(如:SDFEC2)技术,提升系统OSNR容限。

  • 华为的硬判决FEC、二代硬判决FEC技术,净编码增益已经接近当前HFEC技术的纠错极限。
  • 华为的软判决FEC技术,相对传统的硬判决FEC方案进一步提升了净编码增益。除了同样具有极低的时延特性外,还可获得更高的集成度和更低的功耗。可以更好支撑100G高速光传输系统的应用需求。
  • 华为的二代软判决FEC技术,基于卷积码的高级LDPC编/解码技术,以及独特的级联流水架构,从而大大降低了实现复杂度。相对于软判决FEC方案提升了净编码增益,且具有更高的集成度和更低的时延。
说明:

使用不同速率、码型、FEC类型的单板不能对接。

速率、码型、FEC类型不同,FEC开销比例也不一样,如表1所示为常见速率、码型、FEC类型组合对应的FEC开销比例。

表1 常见速率、码型、FEC类型组合对应的FEC开销比例

速率+码型

FEC类型

FEC开销比例

100G QPSK

SDFEC2

25%

100G QPSK (wDCM)a

SDFEC2

25%

100G QPSK

SDFEC

20%

200G QPSK

SDFEC

11%

200G 16QAM

SDFEC

25%

a:100G QPSK (wDCM)和100G QPSK为两种不同的码型,如光模块扩展C波段-可调波长-ePDM-QPSK(SDFEC2,LH,T5G)-100G CFP和扩展C波段-可调波长-ePDM-QPSK (SDFEC2, wDCM, LH, T62) -100G CFP,使用这两种不同码型的单板之间也不可以对接。



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