200Gbps混合調制碼型的光性能評估與應用

  ICC訊 近年來(lái)，虛擬現實(shí)、高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給信息通信系統帶來(lái)了一系列新的挑戰。5G時(shí)代的到來(lái)，就是為了對信息通信這個(gè)“社會(huì )生態(tài)系統的信息主動(dòng)脈”進(jìn)行一次全面升級。5G通信對以WDM光傳輸系統為核心技術(shù)的光傳送網(wǎng)也提出了前所未有的挑戰。為了實(shí)現高帶寬、高速率的光網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，對光通信傳輸系統的研發(fā)重點(diǎn)也逐漸由主流的100G開(kāi)始轉向超100G(B100G)容量的系統場(chǎng)景。

  當前100G OTN/WDM已大規模商用，B100G OTN/WDM的部署也逐步開(kāi)始。從網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)部署方便和既有投資保護角度考慮，如何在現有100G長(cháng)距場(chǎng)景下擴容升級200G/400G，將成為各廠(chǎng)商B100G OTN/WDM解決方案的核心競爭力。當前B100G線(xiàn)路側光模塊技術(shù)已呈現差異化發(fā)展，各種不同的調制編碼技術(shù)最終體現為各指標性能的優(yōu)劣，如OSNR容限、光譜帶寬等。而這些光模塊性能差異直接影響著(zhù)光模塊OSNR容限、信號最佳入纖功率與ROADM穿通性能等。

  混合調制技術(shù)在時(shí)域上將不同QAM調制格式信息按任意比例混合，具備實(shí)現簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，是下一代光網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)的熱門(mén)技術(shù)。在業(yè)務(wù)速率固定的情況下，可以通過(guò)調整混合比例改變業(yè)務(wù)信號帶寬，以適應不同的傳輸信道條件。相比常規調制技術(shù)，混合調制借助小粒度的譜效靈活控制，并輔以入纖功率的合理適配，可實(shí)現特定條件下200G穿通能力和傳輸距離與傳輸容量的最佳平衡。

  200G常規調制方案

  以高階調制技術(shù)為例，200Gbps光傳輸系統有多種實(shí)現方式，如PM-QPSK、PM-8QAM、PM-16QAM。不同調制碼型對應的200Gbps業(yè)務(wù)性能和應用場(chǎng)景如表1所示。

表1 200G調制碼型性能

  200G混合調制方案

  當前主流編碼調制整形方案均通過(guò)選擇更適配的調制方式和編碼方式來(lái)傳輸有效信息，以實(shí)現最佳的傳輸性能。目前200G混合調制為業(yè)內最為先進(jìn)的編碼整形技術(shù)之一，其基本原理如圖1所示。

圖1 混合調制編碼整形技術(shù)

  當前OTN/WDM各廠(chǎng)商的B100G高性能長(cháng)距相干光模塊均支持多種業(yè)務(wù)速率，多種調制方式和多種開(kāi)銷(xiāo)的FEC編碼方式。在特定業(yè)務(wù)速率下，采用低階調制碼型則可獲得更強的噪聲容忍度或更長(cháng)的傳輸距離，采用高階調制碼型可獲得更高的頻譜效率和更強ROADM組網(wǎng)穿通能力。即對于特定的光系統鏈路，選擇不同調制碼型或不同混合比例的調制方式，光模塊的OSNR門(mén)限、系統濾波代價(jià)、非線(xiàn)性代價(jià)等都會(huì )有所差異。因此混合調制技術(shù)需要通過(guò)人工選擇或SDON自動(dòng)調節算法，選擇合適的調制碼型組合和混合比例，以最大化提升光鏈路性能。

  光傳輸損傷與性能評估

  200G WDM產(chǎn)品的規劃設計需要有準確的光系統損傷評估能力。光傳輸損傷評估主要包含系統鏈路傳輸OSNR、光纖非線(xiàn)性代價(jià)、光濾波代價(jià)。在光模塊B2B性能基礎上，依據設備商的OA(光放大器)等光器件特性以及客戶(hù)系統余量需求，來(lái)完成光鏈路系統的可行性判定。

  -傳輸OSNR評估

  系統傳輸后OSNR與光纖跨段損耗、信號入纖功率、EDFA噪聲系數以及傳輸跨段數相關(guān)，對于標準等跨段WDM傳輸系統場(chǎng)景，此時(shí)系統傳輸后OSNR可以通過(guò)58公式計算得到。

  -非線(xiàn)性損傷評估

  光纖中的非線(xiàn)性損傷主要包括自相位調制(SPM，Self Phase Modulation)、交叉相位調制(XPM，Cross Phase Modulation)、四波混頻(FWM，Four Wave Mixing)三類(lèi)非線(xiàn)性折射效應(即克爾非線(xiàn)性效應)以及包括受激布里淵散射(SBS，Stimulated Brillouin Scattering)和受激拉曼散射(SRS，Stimulated Raman Scattering)在內的受激散射效應。

  通過(guò)利用微擾理論得到的GN/EGN模型對非線(xiàn)性損傷進(jìn)行近似解析分析。GN/EGN模型的非線(xiàn)性噪聲評估方法借助于窄帶寬頻率成分四波混頻理論，將信道內SPM、信道間XPM、FWM等都當做不同頻率處的四波混頻來(lái)對待。該方法通過(guò)頻域積分處理得到非線(xiàn)性噪聲干擾量并將其近似為Gaussian噪聲近似，從而可簡(jiǎn)化非線(xiàn)性噪聲對系統性能的定量分析，相關(guān)研究報道該模型取得了較高的評估準確性。

  -光濾波損傷評估

  現階段ROADM架構網(wǎng)絡(luò )得到大規模商業(yè)部署，以滿(mǎn)足DWDM網(wǎng)絡(luò )管理和調度靈活性要求，其中WSS(Wavelength Selective Switch)模塊是實(shí)現ROADM網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)的關(guān)鍵器件。當前業(yè)內主流采用的WSS器件頻率間隔為12.5GHz或6.25GHz，使得具有更高頻譜效率的準奈奎斯特WDM的傳輸方案變?yōu)榭赡?。而在多個(gè)ROADM站點(diǎn)級聯(lián)的業(yè)務(wù)穿通場(chǎng)景，ROADM站點(diǎn)中的上下路單元中WSS模塊以及直通方向的WSS模塊均會(huì )對光信號產(chǎn)生光濾波損傷。尤其在準奈奎斯特WDM傳輸場(chǎng)景下，信號光譜帶寬接近WSS通道帶寬會(huì )導致接收機性能會(huì )嚴重劣化。

  光濾波損傷主要影響影響接收端接收機時(shí)鐘同步算法。時(shí)鐘同步算法核心為反饋式全數字時(shí)鐘鎖相環(huán)，主要由插值濾波器、定時(shí)誤差檢測器、環(huán)路濾波器和控制單元組成。

  無(wú)濾波場(chǎng)景下，當出現時(shí)延偏差時(shí)接收端信號時(shí)鐘就會(huì )反饋誤差，反向調整插值的偏移方向和趨勢來(lái)調節和校準信號樣值位置。有濾波場(chǎng)景下，若光譜在高頻部分存在明顯損失，會(huì )導致圖2中的重疊區域丟失，則鑒相檢測系數為零，此接收機將無(wú)法同步以準確接收光信號。故在ROADM級聯(lián)光傳輸系統中，為保證業(yè)務(wù)長(cháng)期運行的可靠性有必要對鏈路中的光濾波器件的數量以及帶寬進(jìn)行有效獲取或檢測，并適配出合理的業(yè)務(wù)光信號帶寬，以減小系統中光濾波效應導致的性能代價(jià)。

圖2 光譜形狀對鑒相檢測的影響

  200Gbps高性能混合調制的光傳輸性能評估

  200Gbps高性能混合調制的光傳輸性能主要從光模塊B2B性能、系統非線(xiàn)性代價(jià)與濾波代價(jià)方面進(jìn)行評估。

  200Gbps高性能混合調制碼型的調制譜效、波特率以及通道間隔的對應關(guān)系如表2所示。

  結合WDM系統光路配置要求，200Gbps不同混合調制碼型下的系統最大傳輸跨段與ROADM站點(diǎn)穿通數目如表3所示。

表2 混合調制碼型的調制譜效、波特率以及通道間隔關(guān)系

表3 200G混合調制的最大傳輸跨段與ROADM站點(diǎn)穿通能力表

  200Gbps高性能混合調制提供了一種頻譜效率與傳輸性能相平衡的技術(shù)方案，在業(yè)務(wù)新建與動(dòng)態(tài)恢復中，基于混合調制技術(shù)以及相關(guān)光性能評估模型，可根據光傳輸鏈路信道條件選擇最佳的調制組合與混合比例，以最小性能代價(jià)或者最大系統余量提升傳輸的可靠性。綜上所述，混合調制技術(shù)具備靈活的信道適應能力，將在下一代大容量動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò )的升級擴容中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  作者：中興通訊 尚文東，施鵠