挑戰香農理論極限

 

    近年來隨著互聯網的發展，互聯網用戶數、互聯網應用量等都呈現出爆炸式的增長。互聯網應用的P2P技術、在線視頻、社交網絡、移動互聯的發展正在不斷吞噬網絡資源。同時，隨著云計算時代的來臨，以超級數據中心為核心的云網絡，對帶寬的需求也十分迫切。

 

    電氣和電子工程師協會IEEE802.32011年3月全會成立了帶寬評估工作組（BWA），探索Beyond100G時代的新興業務需求和網絡流量發展趨勢。評估結果預計2013年和2015年以太網帶寬需求將分別達到400Gb/s和1Tb/s, 從而對骨干網絡提出了Tb/s級別的傳輸需求。

 

    然而，光網絡向T級別發展面臨著不小挑戰。當前光纖網絡的傳輸容量已經逼近信道的香農極限。

 

    香農理論決定系統的頻譜效率越高(容量越大)，信號無誤碼傳輸需要的信噪比就越大，過大的信噪比會導致光傳輸距離大幅縮短。而且在WDM（波分復用）系統中，還有光纖信道特有的非線性效應，非線性效應通過對信號功率的限制進而限制了信噪比，進一步壓縮了提升頻譜效率的技術空間。

 

    光傳輸系統的香農極限

 

    針對Tb/s速率，如何實現高頻譜效率(大容量)和長距離兼得的傳輸系統，并維持低成本的發展趨勢，是Tb/s傳輸系統面臨的最大挑戰。

 

    波分光傳輸的最大價值是給客戶以盡量低的成本提供盡量大的帶寬，100G WDM系統提供了8T的傳輸容量,凈頻譜效率等于2，目前已進入規模部署階段；400G WDM系統預期會提供16T到20T的傳輸容量，凈頻譜效率在4~5左右，預期在2015到2016年開始商用部署；對Tb/s WDM系統，至少需要提供約40T的傳輸容量，凈頻譜效率達到8~10，并盡可能實現超過1000公里的無電中繼傳輸距離，以最大程度降低系統傳輸成本。

 

    魚和熊掌何以兼得

 

    魚和熊掌可以兼得嗎？在400GE之后，以太網速率會演進到Tb/s是業界的共識，但是具體是1Tb/s、1.6Tt/s甚至2Tt/s目前還未有定論。業界對于Tbit/s傳輸技術的研究也有多項成果發表，在多載波、高階調制、信號損傷補償等技術方面均取得一些進展，但是在提升頻譜效率（即提升容量）的基礎上，如何保持長距傳輸，以及如何解決針對未來客戶速率、業務帶寬存在多種變化的情況，提供一個傳輸成本和帶寬效率綜合最佳的解決方案，仍然是一個待解的難題。

 

    針對高速光傳輸技術的發展趨勢以及潛在的客戶需求，華為推出Flex 2T光傳輸技術方案，以可變速率、可變帶寬、可變傳輸距離和容量為主要特色，配合可變OTN功能，可以靈活承載不同速率的客戶業務，在一定程度上實現了光傳輸速率和路由器速率的解耦，同時獨有的Flex ODSP技術、最新一代軟判決技術、靈活光收發機和ASIC芯片技術，可以最大可能地降低每比特的傳輸成本，對超大容量傳輸提供最佳的帶寬效率。

 

    Flex 2T具有以下三種核心技術：

 

    ——FlexODSP以及混合調制技術。當光傳輸告別模擬調制/解調，進入相干技術時代后，光數字信號處理（ODSP）變得尤為重要。通過一系列算法對光信號進行處理，就可實現數字式的解調和數據恢復。這些算法處理可在一片定制的超大規模集成電路（ASIC）中實現，在很大程度上決定了傳輸性能。在進入Tb/s時代后，進一步引入了全程數字化調制/解調技術。此外，一些預處理算法，可以進一步提升傳輸性能。

 

    按照前述香農極限的分析，如果單純采用高階調制碼型增大系統的傳輸容量，就需要更高的信噪比，會犧牲一定傳輸距離。如果單純地提高入纖功率，又會增大非線性效應。根據業界已經發表的文獻，采用32QAM以上高階調制碼型，在SMF+EDFA的鏈路上只能傳輸幾百公里。而某些“英雄實驗”中采用的特殊新型光纖，目前還不具備商用的可行性。在Flex2T的ODSP算法中，采用了一系列創新技術，在大幅提升系統容量（即頻譜效率）的同時，也能實現長距傳輸。

 

    首先是多帶電正交頻分復用（Multi-BandeOFDM）和頻域混合正交幅度調制（HybridQAM）融合的技術，OFDM多子載波正交復用可以成倍提高頻譜效率，同時每個子載波又可分別設計不同調制碼型。在一個統一控制平臺下，收發端適配到一個最佳碼型組合以及最佳組合比例，在實現既定高頻譜效率的基礎上又保證系統低OSNR的要求，不會削弱傳輸性能。以40Tb/s系統為例，使用混合32/64QAM調制，可以將系統的頻譜效率提升至10bit/s/Hz，C波段的傳輸容量達40Tb/s。將來在控制平臺作用下，還可根據客戶實際需求和應用場景平滑地進行各種調整，適配各種傳輸容量和距離。

 

    其次針對光傳輸系統的非線性問題，FlexODSP算法還特別設計了非線性抑制模塊，顯著提高入纖功率約2dB，有效增加了鏈路預算，消除SPM、XPM等非線性效應影響，延長了傳輸距離。

 

    ——混合多級編碼調制的新一代FEC技術。針對Flex傳輸特性，華為對FEC前向糾錯技術也進行了創新研究。采用混合多級編碼的算法相對前一代的軟判決算法，性能有了進一步提升，同時算法復雜度還可進一步降低。針對傳輸信道特點，通過混合編碼方案充分發揮每一級碼字的最大糾錯能力，提升系統的糾前誤碼門限，進而給系統帶來額外的OSNR增益，延長了傳輸距離。下圖展示了采用混合多級編碼調制FEC和前一代LDPC軟判決技術的對比。在不增加開銷的情況下，新一代FEC技術較LDPC軟判決技術又可以提升0.4dB以上的增益，非常接近編碼理論極限，相當于提升10%以上的傳輸距離，使得32QAM以上的高階調制也能長距傳輸。和FlexODSP算法結合后，總體實現C波段40Tb/s，1000km以上傳輸。

 

    混合多級編碼調制的新一代FEC技術

 

    ——FlexTRx收發機技術。速率、帶寬靈活可變光收發機是Flex2T傳輸的硬件平臺，主要特點是全數字化調制/解調，統一的硬件架構設計，全程聯動的自動化控制技術。FlexTRx具備了傳輸速率和帶寬可控，調制格式可控以及自適應適配傳輸等創新功能。

 

    靈活可變光收發機能產生包含多個光載波的超級通道（super-channel），每個通道的光載波都可以調制可變符號速率和可變調制碼型的信號。超級通道的總傳輸能力由通道總數目、調制碼型以及符號速率共同決定。因此，全程自動化控制超級通道以及各通道的高速光學調制/解調，讓各種光學部件緊密聯動以保證各種應用場景下的最佳傳輸性能，是FlexTRx的技術難點。在本收發射機中，采用了華為創新的自動控制算法，可以良好地適配各種調制方式的變化。

 

    Flex2T生態系統逐漸成熟

 

    在華為以及全球領先運營商等產業鏈各方的積極配合下，Flex 2T技術的生態系統已經逐漸成熟，市場前景十分廣闊。

 

    2012年年底，華為和領先運營商沃達豐合作，在其德國骨干網上構建了全球首個2T傳輸的現網實驗局，基于普通單模光纖和EDFA組成的無電中繼鏈路，驗證了PDM-QPSK和PDM-16QAM調制碼型等幾種技術方案，分別取得最長3325km現網傳輸和最高頻譜效率6.4bit/s/Hz、1440km現網傳輸的業界記錄，證實了Flex 2T技術的可能性。

 

    2013年3月，在剛剛結束的第38屆OFC會議上，華為展示了最新的Flex 2T樣機以及完整的解決方案，采用了一系列創新技術，突破性地實現了頻譜效率10bit/s/Hz，C波段容量40Tb/s，在普通單模光纖和EDFA組成的鏈路上1000km以上傳輸。同時還實現了調制碼型從QPSK、16QAM、32QAM到64QAM的動態調整和任意組合，業務容量和傳輸距離的可以根據應用場景靈活配置，有效支撐動態光網絡的理念。

 

    2012年9月日內瓦會議上，在包括華為在內的整個產業鏈聯合推動下，IEEE成員單位基本達成共識選擇400GE作為100GE之后的下一代以太網速率，從而正式開啟400GE的標準化進程。隨著路由器/以太網的線卡速率以及網絡帶寬增長到Tb/s量級，Tb/s帶寬信號的承載和傳輸成為400G之后下一代傳送技術要面對的挑戰。在ITU-T標準會議上，華為明確地提出了未來Flex光傳送網的發展方向。Flex 2T技術的研究和驗證結果表明，基于現有鋪設的商用光纖網絡，仍可挖掘出巨大潛力。同時，靜態的、模擬的光層技術也將朝著動態、靈活光傳送方向發展。

 

    在光通信2.5G/10G時代，全球市場被歐美廠商所主導，而如今在100G時代，華為憑借領先的軟判決和OTN引領了全球100G的商用化進程。我們有理由相信在超100G時代，“中國技術”將為全球光通信行業作出更大的貢獻。