40GbpsDWDM系統(tǒng)主流編碼淺析及光纖類型選擇

1、40gbps dwdm系統(tǒng)主流編碼淺析及光纖類型選擇摘要：40gbps dwdm系統(tǒng)即將進(jìn)入大規(guī)模商用階段，面對(duì)眾多40gbps編碼和不同光纖類型的選擇，本文試從系統(tǒng)的編碼和光纖應(yīng)用兩方面詳細(xì)分析了當(dāng)前主流40gbps編碼和光纖的特性。通過(guò)編碼和光纖各自之間的比對(duì)，最大發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)的的前擔(dān)下，提出了一些應(yīng)用場(chǎng)景建議，以便在40gbps dwdm系統(tǒng)建設(shè)中作為參考。關(guān)鍵字：dpsk;dqpsk;g.652;g.655;混纜1 引 言近年來(lái)由pon技術(shù)推動(dòng)了broadband、iptv、triple play、p2p等ip業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，3g業(yè)務(wù)也逐步興起，業(yè)務(wù)爆炸式的增長(zhǎng)對(duì)核心傳送網(wǎng)提出了更高的要

2、求。雖然40gbps埠路由器早在2006年就達(dá)到了商用水準(zhǔn)，但40gbps光傳輸技術(shù)，尤其是40gbps dwdm技術(shù)進(jìn)展緩慢，一直落後于40gbps路由器的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，一度成為制約網(wǎng)路發(fā)展的瓶頸。時(shí)至今日，40gbps dwdm技術(shù)也已突破了各道難關(guān)，並開(kāi)始進(jìn)入商用領(lǐng)域。40gbps dwdm難題的關(guān)鍵技術(shù)在於更先進(jìn)的編碼方式，以及更精確的色散補(bǔ)償和控制。目前40gbps dwdm編碼種類繁多，不同編碼在各項(xiàng)物理指標(biāo)上均有差異，此外光纖經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展也形成了複雜的體系，在以g.652和g.655為代表的主流光纖中也可細(xì)分出數(shù)個(gè)小類，其對(duì)40gbps dwdm系統(tǒng)的影響也各不相同。如何選擇適宜

3、的編碼技術(shù)和光纖類型，對(duì)於40gbps dwdm系統(tǒng)（注：若無(wú)詳細(xì)說(shuō)明，則均表示50ghz間隔系統(tǒng)，下同）建設(shè)有著重要的參考價(jià)值。2 主流40gbps dwdm編碼淺析2.1 40gbps dwdm系統(tǒng)受限因素以普通nrz編碼光信號(hào)為例，40gbps信號(hào)較10gbps信號(hào)速率提升4倍，光譜展寬4倍，因此其色散容限只有10gbps信號(hào)的1/16，pmd容限只有1/4；4倍速率的提升將導(dǎo)致6db osnr容限的提高。除此之外，40gbps信號(hào)受帶間和帶內(nèi)非線性影響更為嚴(yán)重。對(duì)於40gbps波分系統(tǒng)而言，光纖的色度色散可以通過(guò)dcf進(jìn)行粗補(bǔ)償，然後通過(guò)tdcm進(jìn)行每波道的精確補(bǔ)償，從而達(dá)到系統(tǒng)的色散

4、容限制之內(nèi)，並且目前自動(dòng)的單波道色散補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)用化，因此已經(jīng)不是影響40gbps dwdm系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。同時(shí)，由於光纖製造工藝的進(jìn)步，光纖的pmd係數(shù)均可小於等於0.1ps/ ，大大提高了40gbps dwdm系統(tǒng)的傳輸距離，並且pmd色散目前可通過(guò)pmdc進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的pmd容限。綜合來(lái)看，制約40gbps dwdm系統(tǒng)最關(guān)鍵的因素是osnr容限和光纖非線性效應(yīng)。依靠增加單波入纖光功率可以有效提高mpi-sm點(diǎn)osnr值，但過(guò)高的入纖光功率會(huì)帶來(lái)明顯的非線性效應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)所有波道開(kāi)滿時(shí)，這種非線性效應(yīng)也將越來(lái)越突出，造成系統(tǒng)崩潰。光纖非線性效應(yīng)難以補(bǔ)償和控制，只有儘量規(guī)避

5、，而規(guī)避的手段主要為降低入纖光功率和避開(kāi)零值色散波段。nrz碼譜結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)製和解調(diào)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在10gbps系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用，而在40gbps系統(tǒng)中，又需要進(jìn)一步增加光信號(hào)發(fā)射功率以滿足系統(tǒng)osnr的要求。所以當(dāng)傳輸通道數(shù)目較多並且傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，光纖非線性效應(yīng)將導(dǎo)致nrz碼光信號(hào)嚴(yán)重失真。正因?yàn)?0gbps nrz編碼有諸多缺陷，尤其是不能應(yīng)用於幹線傳輸，使其難以投入大規(guī)模商用，故而於近幾年內(nèi)出現(xiàn)了許多更為優(yōu)秀的40gbps編碼技術(shù)。2.2 40gbps調(diào)製碼型技術(shù)為有效解決40gbps光信號(hào)在傳輸中遇到的osnr、色散、pmd等受限因素，針對(duì)接收機(jī)不同的調(diào)製方式，出現(xiàn)了ook、psk、

6、pm三大類編碼技術(shù)，詳細(xì)分類表如下：大類ookpskpm小類1雙電平三電平dpskdqpskqpsk小類2nrz-ookrz-ooknrz-odbrz-odbrz-amidpskp-dpskrz-dqpskdp-qpsk其中ook類編碼以改善光信號(hào)強(qiáng)度為主，psk類編碼採(cǎi)用相位移動(dòng)或複用方式，pm類編碼既採(cǎi)用相位複用也採(cǎi)用偏振複用方式。雖然編碼種類繁多，但有相當(dāng)一部分編碼已經(jīng)逐漸退出主流地位，特別是在中國(guó)，40gbps dwdm 要實(shí)現(xiàn)50ghz波長(zhǎng)間隔和長(zhǎng)距離傳輸，nrz、odb、rz-ami等已經(jīng)漸入淘汰的邊緣。目前主流編碼類型或商用化程度較高的編碼主要集中在p-dpsk、rz-dqpsk

7、和dp-qpsk三種。從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，p-dpsk編碼技術(shù)複雜度較低，rz-dqpsk、dp-qpsk編碼技術(shù)複雜度較高，因而成本相對(duì)高昂。從線路速率來(lái)看，p-dpsk為40gbps，rz-dqpsk為20gbps，dp-qpsk為10gbps，因此rz-dqpsk和qpsk的色散和pmd容限指標(biāo)優(yōu)於dpsk。從osnr容限來(lái)看，在mpi-rm點(diǎn)每通路最小osnr：p-dpsk要求19db（含系統(tǒng)富裕度，後同），rz-dqpsk要求18.5db，dp-qpsk要求15.5db。2.3 40gbps dwdm系統(tǒng)編碼選擇考慮到dp-qpsk技術(shù)複雜度極高，成本也非常高昂，在當(dāng)前階段不建議採(cǎi)用基於

8、dp-qpsk編碼的40gbps dwdm系統(tǒng)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，dp-qpsk代表了未來(lái)高速dwdm系統(tǒng)發(fā)展的方向，同時(shí)也是100gbps dwdm系統(tǒng)的主流碼型。p-dpsk編碼是目前最具性價(jià)比的40gbps編碼技術(shù)，商用化程度高，與nrz編碼相比，可支援50ghz間隔dwdm系統(tǒng)，能有效支援中長(zhǎng)距和長(zhǎng)距dwdm系統(tǒng)的要求。此外p-dpsk編碼非常適宜40gbps波道和10gbps波道在同一系統(tǒng)中混傳，在osnr和光纖線路pmd達(dá)標(biāo)的情況下，可以在10gbps dwdm系統(tǒng)上直接載入40gbps otu，即可平滑升級(jí)至40gbps dwdm系統(tǒng)。rz-dqpsk編碼的pmd色散容限進(jìn)一步提高，

9、光信號(hào)頻譜頻寬較小，頻譜效率高，但與dp-qpsk類似，該編碼技術(shù)也較為複雜，成本偏高，且系統(tǒng)非線性效應(yīng)和不同速率的波道混傳能力需要進(jìn)一步驗(yàn)證。3 不同光纖類型在40gbps dwdm系統(tǒng)情況的研究40gbps dwdm系統(tǒng)的性能不僅取決於編碼技術(shù)，光纖類型的選取也十分重要，不適宜的光纖選擇甚至有可能影響系統(tǒng)的開(kāi)通。此外，在日常運(yùn)營(yíng)和維護(hù)中，不乏出現(xiàn)光纖中斷和改造等情況，時(shí)常需要進(jìn)行調(diào)纖、乃至混纜應(yīng)用。研究不同類型光纖對(duì)於40gbps系統(tǒng)的影響，也是在40gbps dwdm系統(tǒng)建設(shè)中的一個(gè)重要課題。3.1 光纖類型分析目前主要使用的光纖類型為g.652和g.655，g.652光纖分為abcd四

10、個(gè)子類，但色散值比較穩(wěn)定，1550nm波長(zhǎng)的色散基本上都不超過(guò)18ps/（nm&s226;km）；g.655雖然經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)定義有abc三個(gè)子類，但相對(duì)g.652光纖而言技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不十分成熟，具體表現(xiàn)在它的模場(chǎng)直徑和色散的標(biāo)準(zhǔn)訂得比較寬鬆，因此按不同生產(chǎn)廠家而區(qū)可分為數(shù)種不同的類型。比較有代表性的g.655光纖廠家有： laleent tw (true wave真波)和fwfall wave)光纖、康寧leaf (大有效面積光纖)、韓國(guó)三星公司和我國(guó)長(zhǎng)飛光纖公司的g655普通和大有效面積光纖等2。國(guó)內(nèi)較常見(jiàn)的g.655光纖為tw和leaf這兩種， g.652光纖不同廠商之間的替代性較好，因此本文重點(diǎn)分

11、析分別採(cǎi)用g.652d、g.655 tw、g.655 leaf光纖以及混纜對(duì)40gbps dwdm系統(tǒng)的影響。三種類型光纖的光學(xué)指標(biāo)如下（均只考慮1550nm窗口指標(biāo)，均為單模）：項(xiàng)目參數(shù)g.652dg.655 twg.655 leaf1550窗口衰耗0.210.210.21波長(zhǎng)衰耗 15251575nm相對(duì)1550nm0.050.050.05水峰值處衰減2.01.02.0衰減點(diǎn)不連續(xù)性0.10.10.1彎曲衰減32mm直徑1圈0.50.50.5(0.06)75mm直徑100圈0.050.050.05(0.0011)模場(chǎng)直徑10.40.58.40.6910(9.6)色散181.35.8(4.0

12、)16.0(4.0)偏振模(pmd)係數(shù)0.10.10.1截止波長(zhǎng)126012601470典型有效面積855572色散斜率0.0910.070.092(0.09)有效群折射率1.4671.469表2 主流光纖類型光學(xué)指標(biāo) 40gbps dwdm系統(tǒng)依然會(huì)面臨osnr、色散、pmd色散、非線性效應(yīng)受限的問(wèn)題，並且受pmd和非線性效應(yīng)影響更為明顯，但無(wú)論採(cǎi)用何種光纖，40gbps dwdm系統(tǒng)的osnr、色散、pmd容限指標(biāo)不會(huì)有變化，因此在比較不同光纖類型對(duì)40gbps dwdm系統(tǒng)的影響時(shí)，可從色散、色散斜率、pmd係數(shù)、衰耗係數(shù)等方面考慮。3.1.1 g.652d光纖從表2可知，g.652光

13、纖在衰耗係數(shù)、pmd色散係數(shù)方面較g.655光纖差別不大，但色散係數(shù)要高出很多，因此需要引入大量的dcf模組對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償。色散係數(shù)偏大既有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)在於可以有效降低非線性效應(yīng)中四波混頻效應(yīng)的影響。四波混頻對(duì)dwdm系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在：(1)產(chǎn)生新的波長(zhǎng)，使原有信號(hào)的光能量受到損失，影響系統(tǒng)的信噪比等性能；(2)如果產(chǎn)生的新波長(zhǎng)與原有某波長(zhǎng)相同或交疊，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_。四波混頻的產(chǎn)生要求要求各信號(hào)光的相位匹配，當(dāng)各信號(hào)光在光纖的零色散附近傳輸時(shí)，材料色散對(duì)相位失配的影響很小，因而較容易滿足相位匹配條件，容易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)3。由此可見(jiàn)g.652光纖色散位移較大，受四波混頻效應(yīng)影響

14、較小。色散係數(shù)偏大帶來(lái)的劣勢(shì)在於需要大量的dcf進(jìn)行補(bǔ)償，引入較多的dcf不僅給系統(tǒng)引入了更多衰耗，需要引入更多的edfa進(jìn)行補(bǔ)償，也引入了更多pmd，造成傳輸通道功率、背靠背osnr及傳輸通道osnr代價(jià)增大。但g.652光纖擁有最大的有效面積，可以提高光纖中sbs、srs、spm、xpm等非線性效應(yīng)的閾值，從而使系統(tǒng)具有更大的功率傳輸能力，可承受更高的單波入纖光功率，提高msi-pm點(diǎn)osnr，從而在一定程度上彌補(bǔ)了色散係數(shù)偏大帶來(lái)的缺陷。3.1.2 g.655 tw光纖g.655 tw光纖的特點(diǎn)在於零色散點(diǎn)位於1530nm以下短波長(zhǎng)區(qū)，在1549nm-1561nm的色散係數(shù)為2.0-3.

15、0ps/nmkm，擁有較低的色散和色散斜率和pmd係數(shù)，受spm、xpm等非線性效應(yīng)的影響小，但在波道密集的情況下受四波混頻影響明顯。g.655 tw光纖的另一個(gè)缺陷在於模場(chǎng)直徑短，有效面積較小。雖然g.655 tw在色散及色散斜率方面表現(xiàn)突出，但由於有效面積較小，要求入纖光功率極低，影響了mpi-sm點(diǎn)各波道的osnr，造成了傳輸距離的大幅下降。此外，有效面積小也會(huì)影響到混纜的使用，關(guān)於混纜應(yīng)用詳見(jiàn)後續(xù)的介紹。3.1.3 g.655 leaf光纖g.655 leaf光纖是綜合了g.652和g.655 tw兩者優(yōu)點(diǎn)的光纖，一方面具備了較低的色散係數(shù)，另一方面也擁有較大的有效面積。在1550nm

16、窗口，g.655 leaf光纖的色散約26ps，略高於tw光纖，低於g.652光纖，有效面積略低於g.652光纖，高於tw光纖。leaf光纖的截止波長(zhǎng)小於等於1470nm，因此只能工作在1550視窗，而不能工作在1310視窗。由於g.655 leaf光纖綜合g.652和g.655 tw光纖兩者的有點(diǎn)，其在使用方式上最為靈活，是較適合進(jìn)行混纜應(yīng)用的光纖類型。3.1.4 g.652+g.655混纜g.652和g.655光纖混合應(yīng)用不僅需要注意重新計(jì)算色散和色散斜率的問(wèn)題，還有一個(gè)不同光纖截止波長(zhǎng)不同的問(wèn)題，因此通常不提倡這二種光纖混合應(yīng)用的做法。但有時(shí)為了充分利用現(xiàn)有資源，運(yùn)營(yíng)商往往也要求採(cǎi)用二種

17、光纖混合的應(yīng)用方式。從衰耗方面考慮，不論g.652和g.655光纖以什麼樣的方式連接（活連接或熔接），連接損耗都會(huì)受到不同模場(chǎng)直徑產(chǎn)生的影響。理論上，模場(chǎng)直徑差異產(chǎn)生的附加連接損耗通過(guò)公式可計(jì)算出，但公式計(jì)算的接頭損耗是以雙向測(cè)試值代數(shù)和的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的。在實(shí)際傳輸中，光信號(hào)在從大有效面積光纖流向小有小面積光纖時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的衰耗，反之會(huì)產(chǎn)生較小的衰耗，在設(shè)計(jì)線路時(shí)應(yīng)以較大的衰耗為準(zhǔn)5。從色散方面考慮，凡是由g.652光纖組成的傳輸段，其1550nm波長(zhǎng)的色度色散可統(tǒng)一按18ps/（nm&s226;km）計(jì)算，對(duì)於g.655光纖則應(yīng)注意是tw型，還是leaf型，二者在色散係數(shù)上有一定的差距。在

18、混纜的情況下，推薦對(duì)光纖色散值和色散斜率進(jìn)行實(shí)測(cè)。從pmd方面考慮，雖然各種光纖的pmd係數(shù)相差不大，但熔接點(diǎn)的增多也會(huì)加大pmd值。此外由於不同光纖的截止波長(zhǎng)不同，需要注意如果存在leaf光纖的段落，原則上不能使用1310視窗開(kāi)通業(yè)務(wù)。3.2 不同光纖類型在40g dwdm系統(tǒng)中的應(yīng)用以往在考慮g.652光纖和g.655光纖時(shí)，傾向於採(cǎi)用g.655光纖的一個(gè)重要原因就是：儘管g.655光纖本身的價(jià)格比g.652高很多，但g.652需要大量的dcf，而dcf成本很高。這一觀點(diǎn)在目前來(lái)看已經(jīng)有些過(guò)時(shí)，因?yàn)閐cf的價(jià)格已經(jīng)比較低，在光復(fù)用段距離較長(zhǎng)的情況下，從綜合成本來(lái)看，採(cǎi)用g.652光纖整個(gè)平臺(tái)成本上反而會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。從非線性效應(yīng)方面分析，g.655光纖色散係數(shù)低，受spm、xpm效應(yīng)影響小，但在波道密集時(shí)受四波混頻效應(yīng)影響明顯，因此要求入纖光功率低；g.652光纖色散係數(shù)高，受四波混頻效應(yīng)影響小，並且g.652光纖有效面積最大，可承受較高的入纖光功率。此外，在建設(shè)光纖的成本中，敷設(shè)光纖的費(fèi)用所占比重巨大，要充分有效地利用光纖資源，就要求光纖的截止波長(zhǎng)不能過(guò)大，畢竟光纜中不是所有纖芯