100G/超100G光传输保障数据中心可靠运行

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。