近年来随着互联网的发展，互联网用户数、互联网应用种类、网络带宽等都呈现出爆炸式的增长，对社会和人们的生活产生了巨大的影响。互联网应用的点到点技术、在线视频、社交网络、移动互连的发展正在不断吞噬网络带宽。同时，随着云计算时代的来临，以超级数据中心为核心的云网络，对带宽的需求也十分迫切。
IEEE 802.3在 2011年3月成立了带宽评估工作组通过详实的网络带宽需求和端口速率趋势分析，探索Beyond 100G时代互联网交换中心、高性能计算(HPC)设备中心和数据中心及新兴业务需求和网络流量发展趋势（见图1）。评估结果表明预计到2015/2016年，网络流量将增加10倍，到2020年网络流量将增加100倍。
图1 带宽/容量需求增长
IEEE报告也预计2013/2015年路由器线卡容量需求将分别达到400Gb/s和1Tb/s（见图2）， 从而对骨干传输网络提出400G乃至Tbit/s速率需求。
图2 Tbit以太网发展趋势
IEEE 802.3因此成立高速以太网工作组（Industry Connection Consensus Group），引领业界对超100G速率（400G/1T）的讨论并制定标准规划。2012年9月，IEEE在日内瓦举行全体成员会议，在包括华为在内的整个产业链联合推动下，IEEE成员单位在达成共识选择400G速率开发下一代高速以太网。在2013年3月，IEEE美国会议正式开启了400GE的标准化进程。当前华为，ALU，Ciena等光传输主流设备供应商都已经展开了400G光传输系统的产品开发，预期在2015年400G系统将会实现初步的商用部署。但正如前文中对流量增长的描述，400G速率仍然不能满足带宽的持续增长需求，在400GE之后，以太网速率会进一步演进到Tbit/s量级是业界的共识，但具体是1TE、1.6TE、4TE目前还没有定论。综合来看，400GE之后最有可能的是1.6TE（低于4倍递增缺乏竞争力，10倍递增技术实现上存在巨大难度，4倍可能是最佳的选择）。考虑OTN以及FEC开销之后，波分侧的线路速率将达到2T。
400G/2T光传输技术面对的挑战
WDM(Wavelength Division Multiplexing)光传输系统的核心价值是以尽量低的成本提供尽量大的带宽。频谱效率(spectral efficiency)是衡量光纤传输容量的参数，其定义为传输的有效比特率和占据光谱带宽的比值. 10G和40G WDM的SE分别是0.2和0.8，单光纤总容量分别是800G和3.2T； 100G WDM系统提供了8T (C band SE=2)的传输容量，目前已有商用部署；400G WDM系统能提供16T到20T(C band SE=4~5)的传输容量，预期在2015年开始有商用部署；对2T WDM系统，需要提供约30T~40T(C band SE=8)的传输容量，并尽可能实现1000km的无电中继传输距离，以最大程度降低系统传输成本。但是当前光纤网络的传输容量已经逼近信道的香农极限，如图3所示：
图3 光传输系统的香农极限（OSNR： optical signal noise radio）
香农理论决定系统的频谱效率越高(容量越大)，信号无误码传输的需要的光信噪比OSNR就越高，过高的OSNR需求会导致光传输距离的急剧减少。而且在WDM系统中，还有光纤信道特有的非线性效应，非线性效应通过对信号功率的限制进而限制了OSNR，进一步压缩了提升频谱效率的技术空间。针对400G/2T速率，如何实现高频谱效率(大容量)和长距离兼得的传输系统，并维持低成本的趋势，是未来光传输系统面临的最大挑战。
400G技术方案
综合考虑系统容量、传输距离、系统成本和平滑演进等关键因素，400G线路传输可行的候选技术方案有：
四光子载波方案，基于PDM-QPSK 或 PDM-eOFDM(QPSK)方式；
双光子载波方案，基于PDM-QPSK/16QAM 或 PDM- eOFDM (QPSK/16QAM)方式；
单光载波方案，基于PDM-16/32/64QAM 或 PDM-eOFDM(16/32/64QAM)方式；
无论是单光载波方案还是电域多子载波的eOFDM (electronical Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 方案，从光电模块硬件实现方式上两者没有区别，都是使用偏振复用PDM (Polarization Division Multiplexing)和IQ调制，调制格式都采用QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)和QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。下面介绍一下三个技术方案：
四光子载波的PDM-QPSK或PDM-eOFDM(QPSK)方式：
图4 4SC-PDM-QPSK 或 4sc-PDM-eOFDM(QPSK)方案
如图4所示，本方案采用四光子载波方案，每个子载波都采用QPSK或eOFDM(QPSK)调制。该方案和现有的100G技术方案类似。四个光载波间隔可为37.5GHz，总共占据150GHz光谱谱宽，无法兼容现有的50GHz grid系统而需要flex grid；使用多光子载波和flex grid的(4x100G)优点在于能接近现有100G的传输距离，并通过频谱间隔压缩的方法获得一定的容量增加，按照ITU最新定义的12.5GHz颗粒grid标准，整个C波段能实现约33％的容量提升。
双光子载波的PDM-QPSK/16QAM或PDM-eOFDM(QPSK/16QAM)方式：
图5 2SC-PDM-QPSK/16QAM 或 2SC-PDM-eOFDM(QPSK/16QAM)方案
如图5所示，本方案采用双光子载波方案，每个子载波都可采用PDM-QPSK/16QAM或PDM-eOFDM(QPSK/16QAM)调制格式。由于只需要两套光电器件。
对QPSK格式，考虑FEC开销电符号速率约60Gbaud，至少占用75GHz的光谱宽度，需要超过100G采样速率的ADC/DAC器件，系统容量和传输距离接近4光子载波的PDM-QPSK，方案可行性依赖光电器件的带宽进度；
对16QAM调制格式，可保持现有的光电器件带宽不变而直接提升速率，因此该方案的所需的光电器件与100G的器件要求基本相似。由于高阶调制方式的星座点更加密集，需要系统对相位噪声有较强的容限，因此需要采用更复杂的相噪补偿技术。同时为了延长传输距离，需要维持较高的入纤功率才能保证系统OSNR。而系统的最佳入纤功率受限于光纤非线性，所以非线性补偿技术对400G传输系统意义重大。16QAM方案相对现有100G波分系统容量提升一倍，但是OSNR需求相对100G系统高6.7dB，因此要实现16QAM的长距离传输需要使用新型低噪声光放大器或新型的低损耗光纤。
单载波PDM-16/32/64QAM 或PDM-eOFDM(16/32/64QAM)：
图6 1SC-PDM-16/32/64QAM 或 1SC-PDM-eOFDM(16/32/64QAM)方案
如图6所示，本方案采用波分系统传统的单光载波技术方案，可在50GHz/100GHz间隔内实现400G信号传输，最大程度的兼容的现有波分系统规格。为实现单光载波的400G速率传输，调制格式可以选取从16QAM到64QAM的不同阶数；对16QAM调制，需要能支撑60Gbaud速率的光电器件，ADC/DAC的采样率将超过100G sample/s，光谱宽度约100GHz；对32QAM或64QAM调制格式，光电器件需要支撑40Gbaud电信号传输；ADC/DAC采样速率约为80G sample/s， 光谱宽度满足50GHz；基于前述参数可知该方案对激光器线宽，ADC/ DAC的采样速率，有效量化分辨率(ENOB)，DSP/FEC的规模和功耗都提出了更高的要求；由于过于密集的星座图导致OSNR需求急剧增加和非线性性能的急剧劣化，传输距离相对双载波16QAM方案会进一步缩短，对应的好处是可基于单光载波实现50GHz/100GHz间隔的400G系统，容量相对当前100G提升2到4倍；考虑到未来光传输系统可能采用新型低损耗、低非线性光纤和新型低噪声的光放大器，这样的单载波方案仍可以实现1000km的传输距离。
2T技术方案
由于400G系统实现了SE=4的频谱效率，未来的2T系统至少需要频谱效率增加一倍到SE=8，才能满足日益正常的容量需求， 但是谱效率的增加又意味着传输距离的进一步减少，在需要长距离传输的场景，为减少中继成本，2T系统需要根据传输距离调整频谱效率。对长距离需求，可以通过配置低阶调制格式，实现低SE传输，对短距离系统，可以通过配置高阶调制格式，实现高SE传输。因此2T系统需要具备Flex Transceiver 功能，即自适应的配置频谱效率以适配传输网络不同的距离需求。对2T光传输，只能使用多个子载波的聚合的模式(carrier aggregation)，无法再兼容50GHz和100GHz固定间隔DWDM系统，因此需要Flex ROADM技术；此外，对于高频谱效率的2T系统，由于采用高阶调制格式，导致传输距离严重受限，需要采用新型光放大器和新型光纤才能实现上千公里的无电中继传输距离。这些都是2T波分系统要面对的技术挑战。
Flex Transceiver
Flex Transceive可以通过在发射端和接收端的DSP处理，用一套硬件、软件控制提供多种编码调制/FEC模式，实现频谱效率和传输距离的灵活适配，应用于多种场景。
为实现高频谱效率，可以考虑时域hybrid 32/64QAM结合电域Nyqusit shaping的调制方式，也可以考虑频域hybrid 32/64QAM结合电域OFDM复用的调制方式。为实现长距离传输，可以考虑时域hybrid QPSK/8QAM结合电域Nyqusit shaping的调制方式，也可以考虑频域hybrid QPSK/8QAM结合电域OFDM复用的调制方式。
Flex Transceiver的灵活特性可以通过控制子载波数目、子载波波特率、子载波的调制格式和oDSP功能模块/FEC类型与开销等实现；可基于e-OFDM、e-Nyquist WDM等载波复用技术实现载波数目的按需配置；可基于时钟自适应的ADC/DAC时钟恢复技术实现从低到高的多个符号速率调整；可基于动态星座图映射和多电平IQ调制实现xPSK和xQAM多种调制格式的任意组合及切换；Flex Transceiver的发射端DSP可进行信道预失真、调制器带宽预补偿、光纤非线性预补偿以及光谱预整形的综合处理来提升光系统的传输性能；接收端DSP可以在电域补偿光纤线路中的色散、WSS光滤波损伤、非线性损伤，快速进行偏振跟踪与偏振态延时补偿、激光器频差补偿和载波相位恢复等。同时基于自适应FEC来实现硬判决、软判决、软&硬混合判决译码、实现从低到高FEC开销的自动配置与前后级联，实现根据网络时延需求和功耗需求配置FEC译码参数。Flex Transceiver还具备ASIC芯片的动态功耗管理功能，在满足网络部署实际需求的情况下，可基于网络链路的实际需求打开或者关闭功能模块，并配置算法参数，以此调整芯片运行功耗，最大程度减少能耗需求，实现绿色网络。
Flex ROADM
在传统DWDM技术中，各种分合波器件如Mux、Demux、WSS、ROADM等都是基于固定的带宽栅格（Grid）定义，如50GHz/100GHz；而在Flex Terabits光网络中，为了支持新型超高速数据传输并提高网络资源利用率，系统根据各信号需要的频谱分配不同的带宽（如37.5GHZ、50GHZ、75GHZ、100GHZ、125GHZ等），并以一个较为精细的步长（如12.5GHZ、6.25GHZ等）进行间隔调整。因此，在Flex Terabits光网络中，所有的分合波器件与模块（含WSS、ROADM）需要能够进行动态带宽分配，其分配的带宽不再根据现有的ITU-T DWDM标准中定义的固定栅格，而是根据动态带宽数据传输的需求来调整和分配。
新型光放大器与新型光纤
超100G高速光传输系统主要受功率/损耗和OSNR限制，考虑到长距离传输需求，先进的二阶、三阶拉曼放大器，以及新型光纤等成为业界的关注点。
相比传统商用的掺铒光纤放大器（EDFA），拉曼光放大器（Raman OA）和相位敏感型放大器 （PSA）具有更低的噪声指数，是未来通信系统中低噪声放大的重要光放技术。PSA的小信号增益大，噪声小，并可以实现相位再生，这些特性使得PSA对于未来的1T+系统较有吸引力。但是PSA的应用仍然面临很多困难，比如偏振敏感、多波长工作困难，带宽受限，伴随四波混频等问题。相比PSA，Raman OA技术则成熟很多，并已经在商用DWDM系统中使用。而现阶段分布式Raman OA和EDFA相结合的Hybrid光放大器正受到业界重点关注，它具有比Raman OA更高的增益，比EDFA更低的噪声指数，结合二者各自的优点同时又平衡了相应的缺点。
但是，目前商用的拉曼放大器在增益、安全、OAM、成本等方面，仍然不如EDFA，因此研究开发满足Tbit/s量级传输的新型高增益、低成本、安全的高阶拉曼放大器势在必行。
现有网络大多基于G.652/655 单模光纤，为了适应诸如Terabit高速传输系统，研究者正致力开发具有大有效面积/低非线性、低损耗、扩展传输窗口等特性的新型光纤，以改进非线性容限并降低损耗，这样可以提高系统的入纤功率，继而延长传输距离。举例而言，基于低折射率包层掺杂或光子晶体结构的纯硅纤芯光纤（PSCF），相比单模光纤具有更低的传输损耗，实验证明抗非线性性能也优异。除了折射率引导光纤之外，还有空芯光子带隙光纤、多模多核光纤等也是业界目前研究的热点，目前还在学术研究阶段。
作者：张红（中讯邮电咨询设计院有限公司）
(审核编辑: 智汇李)
