IDC数据中心互联需求分析
高带宽、长距离、高可靠性是大型数据中心IDC互联最核心的需求。大型数据中心采用同城备份和异地灾备来提高整个网络的可靠性,这对底层OTN承载网络提出极高要求。由于IDC间业务需要实时/定期备份,这就要求IDC间或者IDC园区内的10GE/100GE业务传输时延尽可能低。异地灾备、上下层IDC间的业务需要跨省市传输,传输网络应具备长距传输能力。灾备中心的目的就是确保IDC业务安全,因此要求传输网络必须极其健壮。
总之,实现IDC互联要求底层OTN承载网络具备大容量交叉、低时延长距离传输能力、可靠保护倒换能力。
从2010年起100G相关关键技术(100G PM-QPSK调制技术、相干接收及DSP技术和SD-FEC技术、100G OTN技术)均已经成熟。100G OTN技术能够平滑适应IDC交换机/路由器端口n×10GE/100GE的高速化趋势,系统容量比原有10G系统大幅提升,可以解决IDC高速增长的互联带宽需求,并能实现超低时延长距传输和业务的可靠保护。因此,目前各大互联网企业及运营商均选择100G OTN组网实现大型IDC中心的互联(见图1)。
从大型IDC中心高速路由器输出接口演进看,业界基本达成的共识是400G速率无法跨越,预计高速路由器400G商用需求在2015年后会出现,1T需求将在2018年后出现。当前OTN业界研究热点转向超100G传输。本文对当前400G客户侧互联技术、超100G线路光传输、超100G OTN技术作简要总结。
IDC与超100G OTN客户侧光互联技术
光电器件受限于器件电处理能力,无法使用单通道实现400G业务互联,因此400GE客户业务肯定采用多通道并行技术。并行通道数目过多会导致光模块的体积过大,通道间串扰增加限制并行通道数量,因此在可行的光电带宽下采用高阶调制技术提升单通道速率,减少通道数量,成为400GE光互联方案的重要研究方向。IEEE正在制定的下一代100GE标准,表1对潜在的400G客户侧互联方案进行总结。
总之,25G符号速率技术上比较成熟,更高的符号速率是研究热点;NRZ调制目前技术就能支持,具有技术延续性;PAM4和DMT技术被看好。
超100G线路传输技术
超100G调制技术
从使用角度,400G系统需要具备和当前100G系统相同的传输距离,这样400G WDM系统需要采用新型调制技术,提高频谱效率。通过对潜在400G调制技术在频谱效率、传输距离和实现难易、制造成本等对比分析,业界最看好PM-QPSK和PM-16QAM调制技术(见表2)。
单载波PM-16QAM调制的400G系统只适合约400km的城域应用场合(800km的实验室传输距离,在工程应用传输距离约减半),无法满足干线传输应用;另外,单载波PM-16QAM最大挑战是对电器件(DAC、ADC等)要求极高,器件不成熟或者商用成本高;因此短期单载波PM-16QAM调制的400G系统还无法商用。
采用双载波PM-16QAM调制对器件带宽要求减半,然而双载波PM-16QAM方案OSNR容限提升有限,实验室传输距离约1000km。PM-QPSK更适合长距传输,为了提高频谱效率,可以使用全光正交频分复用(CO OFDM)和奈奎斯特波长复用(Nyquist WDM)等多子载波复用技术。由于全光正交频分复用可实现性较差,下面重点介绍奈奎斯特子波长复用。
采用Nyquist WDM子波长复用,在发送端各子载波可以独立调制、预加重,理论上子载波间频谱不交叠,所以接收端可以用光滤波器将各子载波分开,独立处理各个子载波,因此对器件要求较低,各子载波独立使得设备容易开发实现,工程应用也更灵活。但实际工程时,Nyquist WDM只能用准Nyquist WDM来实现,因为光脉冲只能四阶超高斯或工程上用的窄带滤波器滤成准矩形,不可避免地存在ISI(码间干扰)和ICI(子载波干扰)引起的损伤,光接收端相干处理算法要完成损伤补偿,所以OSNR性能的劣化程度取决于补偿技术水平。
基于当前的研究结果和高速电器件发展情况,采用Nyquist WDM子载波复用的PM-QPSK调制和PM-16QAM调制方式是业界看好的400G中长距解决方案。
4×100G PM-QPSK调制技术
本方案采用4光子载波方案,每个光子载波都采用PM-QPSK调制。该方案和现有的100G技术方案类似,对于多个光子波长,可以采用基于单光源的多子载波生成技术。4个光子载波(通常采用Nyquist复用)间隔在30GHz左右,总共占据125GHz光谱谱宽,Super-Nyquist复用技术的子载波间隔在25GHz左右,总共占据100GHz光谱谱宽;这样无法兼容现有的50GHz grid系统而需要flex grid;本400G调制方案优点在于能实现接近现有100G的传输距离,而单纤传输容量增加近一倍。另一方面由于在固定C波段内增加光子载波数目,整个波分系统的线性串扰和非线性效应会相应增加,导致传输距离相对100G系统有一定的性能劣化,这对接收端DSP(数字信号处理)要求更高,需要采用相应的损伤补偿算法,增加了DSP芯片的复杂度。
Nyquist 4×100G PM-QPSK 4光载波系统按照现有器件水平,需要4套PM-QPSK光电收发器件,从工程实用角度必须采用光子集成技术有效地减少器件的体积、功耗和成本。
因此该方案的商用取决于光电集成技术进展和接收端DSP对ISI(码间干扰)及串扰处理技术。
2×200G PM-16QAM调制技术
该方案采用双载波,每个载波采用16QAM调制格式。该方案所需的光电器件与100G的器件要求基本相似(要求驱动器线性特性好以实现多电平信号)。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,对接收端DSP处理要求更高。2×200G PM-16QAM调制相对现有100G PM-QPSK调制的波分系统容量提升约2倍,但是OSNR需求相对100G系统高约7dB,因此该调制格式主要用于中短距离的城域网。为了延长传输距离,需要提高入纤功率,更大的入纤功率需要在接收机或发射机加入数字非线性补偿模块,所以非线性补偿技术对16QAM的400G传输系统意义重大。
支持调制格式和速率软件定义的光转发单元
在传统密集波分复用网络,光收发单元使用固定的调制格式和载波数量。前文提到,超100G网络使用高频谱效率的高阶调制技术将增加OSNR代价,从而减少传输距离,因此,在增加频谱效率和延长传输距离间寻找平衡。近年,伴随着高速DSP处理技术、ASIC芯片技术发展、光子集成(PIC)技术和高速光电器件的发展,调制格式可变、调制速率可变的相干光收发器技术即将成为现实。超100G系统中,软件定义SDO(Software Defined Optics)的光转发单元可以根据传输条件(如数据速率,传输距离等)软件调整OTU的调制格式、传输速率、载波数量,以选择最佳的光线路调制格式。
Flex ROADM
传统DWDM网络的合分波及ROADM等单元是依照固定栅格设计的,使用固定带宽(如50G& 100G)的信道传输光信号;超100G将打破这些传统,以便高频谱效率的400G调制信号能够自由选择调制格式和多子载波复用技术。图2是最新的ITU-T G.694.1建议基于12.5GHz的灵活栅格方案。该方案频带标准中心频率是192.1+n×0.00625THz,频带宽度是12.5GHz×m;灵活栅格方案能够兼容现有固定通道间隔(C band 50GHz)系统,保护已有投资。这样100G PM-QPSK @32 G波特率信号可以放入37.5G频带(信号两侧含保护频带)中,2×200G PM-16QAM@32 G波特率信号可以放入75G的频带(信号两侧含保护频带)中。保护频带主要是解决2×200G PM-16QAM和4×100G PM-QPSK信号通过Flex ROADM时的滤波器损伤问题。
灵活栅格技术与传统的50GHz通道相比在频谱分配上使用更细的粒度,更适用于传输400G/1T信号。相应的灵活栅格的ROADM在传统ROADM波长无关(colorless)、方向无关(directionless)和任何无关(contentionless)要求基础上增加栅格无关(gridless)特点,即GCDC。基于灵活栅格的WSS技术、灵活栅格ROADM可调整信道中心频率和带宽,从而使动态频谱管理成为可能。
超100G OTN技术
超100G OTN技术是业界当前研究热点,目前业界比较倾向于超100G OTN的帧格式采用类似SDH的字节间插的方式将n个OTU4间插而来,即OTUCn的帧结构为4行n×4080列,其中,OPUCn帧为4行n×3808列,ODUCn帧为4行n×3824列(n只能取特定的值,如4、10等)。
在OTUCn帧中,用S(a,b,c)来表示帧中每个字节的位置,其中,a表示字节在帧结构中的行号,b表示字节在帧结构中的组列号(1~4080),c表示字节在帧结构中的套接号(1~n)。
关于OTUCn接口,根据目前提案,OTUCn帧还是倾向于采用OTU4类似接口方式,即将OTUCn分成n个OTUC,之后一个OTUC分成20个逻辑通道,物理接口为OTLCn.4n或者OTLCn.10n。为了区分出是哪个OTUC,需要采用第一个OA1来标识OTUC ID。
在客户发送侧,首先将OTUCn按照字节间插的原理分成n个OTUC,每个OTUC增加GFEC,之后OTUC分成20个逻辑链路,每5个或者2个逻辑链路按照bit间插放到OTLCn.4n/10n上传输。
小结
100G OTN系统由于良好的高可靠长距离大容量传输特性,目前在运营商及各大互联网IDC中心互联组网中获得规模应用。随着高速路由器光接口向400G演进,超100G相关技术是业界的研究热点。在超100G线路传输技术方面,采用Nyquist WDM子载波复用的PM-QPSK调制和PM-16QAM调制方式是业界看好的400G中长距解决方案。目前,中国移动已经完成了400G现网试点。随着技术的进一步成熟,预计在不远的将来,超100G OTN传输系统将规模应用于IDC中心互联组网。