挑战香农理论极限

 

    近年来随着互联网的发展，互联网用户数、互联网应用量等都呈现出爆炸式的增长。互联网应用的P2P技术、在线视频、社交网络、移动互联的发展正在不断吞噬网络资源。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。

 

    电气和电子工程师协会IEEE802.32011年3月全会成立了带宽评估工作组（BWA），探索Beyond100G时代的新兴业务需求和网络流量发展趋势。评估结果预计2013年和2015年以太网带宽需求将分别达到400Gb/s和1Tb/s, 从而对骨干网络提出了Tb/s级别的传输需求。

 

    然而，光网络向T级别发展面临着不小挑战。当前光纤网络的传输容量已经逼近信道的香农极限。

 

    香农理论决定系统的频谱效率越高(容量越大)，信号无误码传输需要的信噪比就越大，过大的信噪比会导致光传输距离大幅缩短。而且在WDM（波分复用）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信噪比，进一步压缩了提升频谱效率的技术空间。

 

    光传输系统的香农极限

 

    针对Tb/s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，并维持低成本的发展趋势，是Tb/s传输系统面临的最大挑战。

 

    波分光传输的最大价值是给客户以尽量低的成本提供尽量大的带宽，100G WDM系统提供了8T的传输容量,净频谱效率等于2，目前已进入规模部署阶段；400G WDM系统预期会提供16T到20T的传输容量，净频谱效率在4~5左右，预期在2015到2016年开始商用部署；对Tb/s WDM系统，至少需要提供约40T的传输容量，净频谱效率达到8~10，并尽可能实现超过1000公里的无电中继传输距离，以最大程度降低系统传输成本。

 

    鱼和熊掌何以兼得

 

    鱼和熊掌可以兼得吗？在400GE之后，以太网速率会演进到Tb/s是业界的共识，但是具体是1Tb/s、1.6Tt/s甚至2Tt/s目前还未有定论。业界对于Tbit/s传输技术的研究也有多项成果发表，在多载波、高阶调制、信号损伤补偿等技术方面均取得一些进展，但是在提升频谱效率（即提升容量）的基础上，如何保持长距传输，以及如何解决针对未来客户速率、业务带宽存在多种变化的情况，提供一个传输成本和带宽效率综合最佳的解决方案，仍然是一个待解的难题。

 

    针对高速光传输技术的发展趋势以及潜在的客户需求，华为推出Flex 2T光传输技术方案，以可变速率、可变带宽、可变传输距离和容量为主要特色，配合可变OTN功能，可以灵活承载不同速率的客户业务，在一定程度上实现了光传输速率和路由器速率的解耦，同时独有的Flex ODSP技术、最新一代软判决技术、灵活光收发机和ASIC芯片技术，可以最大可能地降低每比特的传输成本，对超大容量传输提供最佳的带宽效率。

 

    Flex 2T具有以下三种核心技术：

 

    ——FlexODSP以及混合调制技术。当光传输告别模拟调制/解调，进入相干技术时代后，光数字信号处理（ODSP）变得尤为重要。通过一系列算法对光信号进行处理，就可实现数字式的解调和数据恢复。这些算法处理可在一片定制的超大规模集成电路（ASIC）中实现，在很大程度上决定了传输性能。在进入Tb/s时代后，进一步引入了全程数字化调制/解调技术。此外，一些预处理算法，可以进一步提升传输性能。

 

    按照前述香农极限的分析，如果单纯采用高阶调制码型增大系统的传输容量，就需要更高的信噪比，会牺牲一定传输距离。如果单纯地提高入纤功率，又会增大非线性效应。根据业界已经发表的文献，采用32QAM以上高阶调制码型，在SMF+EDFA的链路上只能传输几百公里。而某些“英雄实验”中采用的特殊新型光纤，目前还不具备商用的可行性。在Flex2T的ODSP算法中，采用了一系列创新技术，在大幅提升系统容量（即频谱效率）的同时，也能实现长距传输。

 

    首先是多带电正交频分复用（Multi-BandeOFDM）和频域混合正交幅度调制（HybridQAM）融合的技术，OFDM多子载波正交复用可以成倍提高频谱效率，同时每个子载波又可分别设计不同调制码型。在一个统一控制平台下，收发端适配到一个最佳码型组合以及最佳组合比例，在实现既定高频谱效率的基础上又保证系统低OSNR的要求，不会削弱传输性能。以40Tb/s系统为例，使用混合32/64QAM调制，可以将系统的频谱效率提升至10bit/s/Hz，C波段的传输容量达40Tb/s。将来在控制平台作用下，还可根据客户实际需求和应用场景平滑地进行各种调整，适配各种传输容量和距离。

 

    其次针对光传输系统的非线性问题，FlexODSP算法还特别设计了非线性抑制模块，显著提高入纤功率约2dB，有效增加了链路预算，消除SPM、XPM等非线性效应影响，延长了传输距离。

 

    ——混合多级编码调制的新一代FEC技术。针对Flex传输特性，华为对FEC前向纠错技术也进行了创新研究。采用混合多级编码的算法相对前一代的软判决算法，性能有了进一步提升，同时算法复杂度还可进一步降低。针对传输信道特点，通过混合编码方案充分发挥每一级码字的最大纠错能力，提升系统的纠前误码门限，进而给系统带来额外的OSNR增益，延长了传输距离。下图展示了采用混合多级编码调制FEC和前一代LDPC软判决技术的对比。在不增加开销的情况下，新一代FEC技术较LDPC软判决技术又可以提升0.4dB以上的增益，非常接近编码理论极限，相当于提升10%以上的传输距离，使得32QAM以上的高阶调制也能长距传输。和FlexODSP算法结合后，总体实现C波段40Tb/s，1000km以上传输。

 

    混合多级编码调制的新一代FEC技术

 

    ——FlexTRx收发机技术。速率、带宽灵活可变光收发机是Flex2T传输的硬件平台，主要特点是全数字化调制/解调，统一的硬件架构设计，全程联动的自动化控制技术。FlexTRx具备了传输速率和带宽可控，调制格式可控以及自适应适配传输等创新功能。

 

    灵活可变光收发机能产生包含多个光载波的超级通道（super-channel），每个通道的光载波都可以调制可变符号速率和可变调制码型的信号。超级通道的总传输能力由通道总数目、调制码型以及符号速率共同决定。因此，全程自动化控制超级通道以及各通道的高速光学调制/解调，让各种光学部件紧密联动以保证各种应用场景下的最佳传输性能，是FlexTRx的技术难点。在本收发射机中，采用了华为创新的自动控制算法，可以良好地适配各种调制方式的变化。

 

    Flex2T生态系统逐渐成熟

 

    在华为以及全球领先运营商等产业链各方的积极配合下，Flex 2T技术的生态系统已经逐渐成熟，市场前景十分广阔。

 

    2012年年底，华为和领先运营商沃达丰合作，在其德国骨干网上构建了全球首个2T传输的现网实验局，基于普通单模光纤和EDFA组成的无电中继链路，验证了PDM-QPSK和PDM-16QAM调制码型等几种技术方案，分别取得最长3325km现网传输和最高频谱效率6.4bit/s/Hz、1440km现网传输的业界记录，证实了Flex 2T技术的可能性。

 

    2013年3月，在刚刚结束的第38届OFC会议上，华为展示了最新的Flex 2T样机以及完整的解决方案，采用了一系列创新技术，突破性地实现了频谱效率10bit/s/Hz，C波段容量40Tb/s，在普通单模光纤和EDFA组成的链路上1000km以上传输。同时还实现了调制码型从QPSK、16QAM、32QAM到64QAM的动态调整和任意组合，业务容量和传输距离的可以根据应用场景灵活配置，有效支撑动态光网络的理念。

 

    2012年9月日内瓦会议上，在包括华为在内的整个产业链联合推动下，IEEE成员单位基本达成共识选择400GE作为100GE之后的下一代以太网速率，从而正式开启400GE的标准化进程。随着路由器/以太网的线卡速率以及网络带宽增长到Tb/s量级，Tb/s带宽信号的承载和传输成为400G之后下一代传送技术要面对的挑战。在ITU-T标准会议上，华为明确地提出了未来Flex光传送网的发展方向。Flex 2T技术的研究和验证结果表明，基于现有铺设的商用光纤网络，仍可挖掘出巨大潜力。同时，静态的、模拟的光层技术也将朝着动态、灵活光传送方向发展。

 

    在光通信2.5G/10G时代，全球市场被欧美厂商所主导，而如今在100G时代，华为凭借领先的软判决和OTN引领了全球100G的商用化进程。我们有理由相信在超100G时代，“中国技术”将为全球光通信行业作出更大的贡献。