40Gbps DWDM系统主流编码浅析及光纤类型选择.docx

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40GbpsDWDM系统主流编码浅析及光纤类型选择

40GbpsDWDM系統主流編碼淺析及光纖類型選擇

摘要：

40GbpsDWDM系統即將進入大規模商用階段，面對眾多40Gbps編碼和不同光纖類型的選擇，本文試從系統的編碼和光纖應用兩方面詳細分析了當前主流40Gbps編碼和光纖的特性。

通過編碼和光纖各自之間的比對，最大發揮各自優勢的的前擔下，提出了一些應用場景建議，以便在40GbpsDWDM系統建設中作為參考。

關鍵字：

DPSK;DQPSK;G.652;G.655;混纜

1 引  言

　　近年來由PON技術推動了Broadband、IPTV、TriplePlay、P2P等IP業務蓬勃發展，3G業務也逐步興起，業務爆炸式的增長對核心傳送網提出了更高的要求。

雖然40Gbps埠路由器早在2006年就達到了商用水準，但40Gbps光傳輸技術，尤其是40GbpsDWDM技術進展緩慢，一直落後于40Gbps路由器的開發進度，一度成為制約網路發展的瓶頸。

　　時至今日，40GbpsDWDM技術也已突破了各道難關，並開始進入商用領域。

40GbpsDWDM難題的關鍵技術在於更先進的編碼方式，以及更精確的色散補償和控制。

目前40GbpsDWDM編碼種類繁多，不同編碼在各項物理指標上均有差異，此外光纖經過數十年的發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分出數個小類，其對40GbpsDWDM系統的影響也各不相同。

如何選擇適宜的編碼技術和光纖類型，對於40GbpsDWDM系統（注：

若無詳細說明，則均表示50GHz間隔系統，下同）建設有著重要的參考價值。

2 主流40GbpsDWDM編碼淺析

2.1 40GbpsDWDM系統受限因素

　　以普通NRZ編碼光信號為例，40Gbps信號較10Gbps信號速率提升4倍，光譜展寬4倍，因此其色散容限只有10Gbps信號的1/16，PMD容限只有1/4；4倍速率的提升將導致6dBOSNR容限的提高。

除此之外，40Gbps信號受帶間和帶內非線性影響更為嚴重。

　　對於40Gbps波分系統而言，光纖的色度色散可以通過DCF進行粗補償，然後通過TDCM進行每波道的精確補償，從而達到系統的色散容限制之內，並且目前自動的單波道色散補償技術已經進行了實用化，因此已經不是影響40GbpsDWDM系統的關鍵點。

同時，由於光纖製造工藝的進步，光纖的PMD係數均可小於等於0.1ps/，大大提高了40GbpsDWDM系統的傳輸距離，並且PMD色散目前可通過PMDC進行補償，進一步提高系統的PMD容限。

綜合來看，制約40GbpsDWDM系統最關鍵的因素是OSNR容限和光纖非線性效應。

依靠增加單波入纖光功率可以有效提高MPI-SM點OSNR值，但過高的入纖光功率會帶來明顯的非線性效應，當系統所有波道開滿時，這種非線性效應也將越來越突出，造成系統崩潰。

光纖非線性效應難以補償和控制，只有儘量規避，而規避的手段主要為降低入纖光功率和避開零值色散波段。

NRZ碼譜結構緊湊，調製和解調結構簡單，在10Gbps系統中獲得了廣泛應用，而在40Gbps系統中，又需要進一步增加光信號發射功率以滿足系統OSNR的要求。

所以當傳輸通道數目較多並且傳輸距離較遠時，光纖非線性效應將導致NRZ碼光信號嚴重失真。

正因為40GbpsNRZ編碼有諸多缺陷，尤其是不能應用於幹線傳輸，使其難以投入大規模商用，故而於近幾年內出現了許多更為優秀的40Gbps編碼技術。

2.2 40Gbps調製碼型技術

為有效解決40Gbps光信號在傳輸中遇到的OSNR、色散、PMD等受限因素，針對接收機不同的調製方式，出現了OOK、PSK、PM三大類編碼技術，詳細分類表如下：

大類

OOK

PSK

PM

小類1

雙電平

三電平

DPSK

DQPSK

QPSK

小類2

NRZ-OOK

RZ-OOK

NRZ-ODB

RZ-ODB

RZ-AMI

DPSK

P-DPSK

RZ-DQPSK

DP-QPSK

　　其中OOK類編碼以改善光信號強度為主，PSK類編碼採用相位移動或複用方式，PM類編碼既採用相位複用也採用偏振複用方式。

雖然編碼種類繁多，但有相當一部分編碼已經逐漸退出主流地位，特別是在中國，40GbpsDWDM要實現50GHZ波長間隔和長距離傳輸，NRZ、ODB、RZ-AMI等已經漸入淘汰的邊緣。

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和DP-QPSK三種。

從實現方式來看，P-DPSK編碼技術複雜度較低，RZ-DQPSK、DP-QPSK編碼技術複雜度較高，因而成本相對高昂。

從線路速率來看，P-DPSK為40Gbps，RZ-DQPSK為20Gbps，DP-QPSK為10Gbps，因此RZ-DQPSK和QPSK的色散和PMD容限指標優於DPSK。

從OSNR容限來看，在MPI-RM點每通路最小OSNR：

P-DPSK要求19dB（含系統富裕度，後同），RZ-DQPSK要求18.5dB，DP-QPSK要求15.5dB。

2.3 40GbpsDWDM系統編碼選擇

　　考慮到DP-QPSK技術複雜度極高，成本也非常高昂，在當前階段不建議採用基於DP-QPSK編碼的40GbpsDWDM系統，但從長遠來看，DP-QPSK代表了未來高速DWDM系統發展的方向，同時也是100GbpsDWDM系統的主流碼型。

　　P-DPSK編碼是目前最具性價比的40Gbps編碼技術，商用化程度高，與NRZ編碼相比，可支援50GHz間隔DWDM系統，能有效支援中長距和長距DWDM系統的要求。

此外P-DPSK編碼非常適宜40Gbps波道和10Gbps波道在同一系統中混傳，在OSNR和光纖線路PMD達標的情況下，可以在10GbpsDWDM系統上直接載入40GbpsOTU，即可平滑升級至40GbpsDWDM系統。

　　RZ-DQPSK編碼的PMD色散容限進一步提高，光信號頻譜頻寬較小，頻譜效率高，但與DP-QPSK類似，該編碼技術也較為複雜，成本偏高，且系統非線性效應和不同速率的波道混傳能力需要進一步驗證。

3 不同光纖類型在40GbpsDWDM系統情況的研究

　　40GbpsDWDM系統的性能不僅取決於編碼技術，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的開通。

此外，在日常運營和維護中，不乏出現光纖中斷和改造等情況，時常需要進行調纖、乃至混纜應用。

研究不同類型光纖對於40Gbps系統的影響，也是在40GbpsDWDM系統建設中的一個重要課題。

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A\B\C\D四個子類，但色散值比較穩定，1550nm波長的色散基本上都不超過18ps/（nm&S226;km）；G.655雖然經標準定義有A\B\C三個子類，但相對G.652光纖而言技術標準不十分成熟，具體表現在它的模場直徑和色散的標準訂得比較寬鬆，因此按不同生產廠家而區可分為數種不同的類型。

比較有代表性的G.655光纖廠家有：

laleentTw（TrueWave真波）和Fw{FallWave）光纖、康寧LEAF（大有效面積光纖）、韓國三星公司和我國長飛光纖公司的G．655普通和大有效面積光纖等[2]。

國內較常見的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，因此本文重點分析分別採用G.652D、G.655Tw、G.655LEAF光纖以及混纜對40GbpsDWDM系統的影響。

三種類型光纖的光學指標如下（均只考慮1550nm窗口指標，均為單模）：

項目

參數

G.652D

G.655Tw

G.655LEAF

1550窗口衰耗

≤0.21

≤0.21

≤0.21

波長衰耗1525～1575nm相對1550nm

≤0.05

≤0.05

≤0.05

水峰值處衰減

≤2.0

≤1.0

≤2.0

衰減點不連續性

≤0.1

≤0.1

≤0.1

彎曲衰減

32mm直徑1圈

≤0.5

≤0.5

≤0.5（0.06）

75mm直徑100圈

≤0.05

≤0.05

≤0.05（0.0011）

模場直徑

10.4±0.5

8.4±0.6

9～10（9.6）

色散

≤18

1.3～5.8（4.0）

1～6.0（4.0）

偏振模（PMD）係數

≤0.1

≤0.1

≤0.1

截止波長

≤1260

≤1260

　≤1470

典型有效面積

85

55

72

色散斜率

0.091

0.07

0.092（0.09）

有效群折射率

1.467

1.469

表2 主流光纖類型光學指標

　　40GbpsDWDM系統依然會面臨OSNR、色散、PMD色散、非線性效應受限的問題，並且受PMD和非線性效應影響更為明顯，但無論採用何種光纖，40GbpsDWDM系統的OSNR、色散、PMD容限指標不會有變化，因此在比較不同光纖類型對40GbpsDWDM系統的影響時，可從色散、色散斜率、PMD係數、衰耗係數等方面考慮。

3.1.1 G..652D光纖

　　從表2可知，G.652光纖在衰耗係數、PMD色散係數方面較G.655光纖差別不大，但色散係數要高出很多，因此需要引入大量的DCF模組對色散進行補償。

色散係數偏大既有優勢也有劣勢，其優勢在於可以有效降低非線性效應中四波混頻效應的影響。

四波混頻對DWDM系統的影響主要表現在：

（1）產生新的波長，使原有信號的光能量受到損失，影響系統的信噪比等性能；

（2）如果產生的新波長與原有某波長相同或交疊，從而產生嚴重的串擾。

四波混頻的產生要求要求各信號光的相位匹配，當各信號光在光纖的零色散附近傳輸時，材料色散對相位失配的影響很小，因而較容易滿足相位匹配條件，容易產生四波混頻效應[3]。

由此可見G.652光纖色散位移較大，受四波混頻效應影響較小。

　　色散係數偏大帶來的劣勢在於需要大量的DCF進行補償，引入較多的DCF不僅給系統引入了更多衰耗，需要引入更多的EDFA進行補償，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等非線性效應的閾值，從而使系統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OSNR，從而在一定程度上彌補了色散係數偏大帶來的缺陷。

3.1.2 G..655Tw光纖

　　G.655Tw光纖的特點在於零色散點位於1530nm以下短波長區，在1549nm-1561nm的色散係數為2.0-3.0ps/nm．km，擁有較低的色散和色散斜率和PMD係數，受SPM、XPM等非線性效應的影響小，但在波道密集的情況下受四波混頻影響明顯。

G.655Tw光纖的另一個缺陷在於模場直徑短，有效面積較小。

雖然G.655Tw在色散及色散斜率方面表現突出，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，有效面積小也會影響到混纜的使用，關於混纜應用詳見後續的介紹。

3.1.3 G..655LEAF光纖

　　G.655LEAF光纖是綜合了G.652和G.655Tw兩者優點的光纖，一方面具備了較低的色散係數，另一方面也擁有較大的有效面積。

在1550nm窗口，G..655LEAF光纖的色散約2～6ps，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.655LEAF光纖綜合G.652和G.655Tw光纖兩者的有點，其在使用方式上最為靈活，是較適合進行混纜應用的光纖類型。

3.1.4 G.652+G.655混纜

　　G.652和G.655光纖混合應用不僅需要注意重新計算色散和色散斜率的問題，還有一個不同光纖截止波長不同的問題，因此通常不提倡這二種光纖混合應用的做法。

但有時為了充分利用現有資源，運營商往往也要求採用二種光纖混合的應用方式。

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），連接損耗都會受到不同模場直徑產生的影響。

理論上，模場直徑差異產生的附加連接損耗通過公式可計算出，但公式計算的接頭損耗是以雙向測試值代數和的平均值進行統計的。

在實際傳輸中，光信號在從大有效面積光纖流向小有小面積光纖時會產生較大的衰耗，反之會產生較小的衰耗，在設計線路時應以較大的衰耗為准[5]。

從色散方面考慮，凡是由G.652光纖組成的傳輸段，其1550nm波長的色度色散可統一按18ps/（nm&S226;km）計算，對於G.655光纖則應注意是Tw型，還是LEAF型，二者在色散係數上有一定的差距。

在混纜的情況下，推薦對光纖色散值和色散斜率進行實測。

從PMD方面考慮，雖然各種光纖的PMD係數相差不大，但熔接點的增多也會加大PMD值。

此外由於不同光纖的截止波長不同，需要注意如果存在LEAF光纖的段落，原則上不能使用1310視窗開通業務。

3.2 不同光纖類型在40GDWDM系統中的應用

　　以往在考慮G.652光纖和G.655光纖時，傾向於採用G.655光纖的一個重要原因就是：

儘管G.655光纖本身的價格比G.652高很多，但G.652需要大量的DCF，而DCF成本很高。

這一觀點在目前來看已經有些過時，因為DCF的價格已經比較低，在光復用段距離較長的情況下，從綜合成本來看，採用G.652光纖整個平臺成本上反而會更有優勢。

從非線性效應方面分析，G.655光纖色散係數低，受SPM、XPM效應影響小，但在波道密集時受四波混頻效應影響明顯，因此要求入纖光功率低；G.652光纖色散係數高，受四波混頻效應影響小，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，在建設光纖的成本中，敷設光纖的費用所占比重巨大，要充分有效地利用光纖資源，就要求光纖的截止波長不能過大，畢竟光纜中不是所有纖芯都為DWDM系統服務。

G.652和G.655Tw光纖均可工作於1310和1550nm視窗，G.655LEAF則只能工作於1550nm視窗，採用1310nm波長的雷射器成本普遍低於1550nm波長，因而G.655LEAF光纖會造成除DWDM系統外其它光傳輸設備成本的上升。

　　在新建光纜時，不僅要考慮到光纜本身的價格和承載DWDM系統時的需求，也應儘量兼顧其它設備的需求，綜合各方面因素進行考量。

　　通過以上的分析，對40GbpsDWDM系統在光纖選擇上給出一些建議：

（1） 針對G.655Tw光纖在國內應用較少的情況，推薦採用G.652或G.655LEAF光纖。

若只需要建設100GHz間隔系統，優選G.655LEAF；如需建設50GHz間隔系統，在系統因非線性效應受限時採用G.652光纖，因OSNR受限時採用G.655光纖。

（2） 混纜的情況比較複雜，如無十分必要，通常情況下應避免混纜在40GbpsDWDM系統中的應用。

在不得不使用混纜的情況下，需要仔細測量衰耗、色散、PMD色散的實際值，並在充分考慮系統富裕度以及不增加OSNR通道代價的前提下，謹慎應用。

4 結束語

40Gbps編碼類型和光纖類型之間並無一定的對應要求，理論上可以隨意搭配使用。

不同類型的40Gbps編碼均有各自的性能指標和應用場景，不同類型的光纖也都有各自的特點，沒有絕對的優劣之分。

唯有在特定的環境中經過不同角度的全面考慮，才能挑選出最適宜的編碼和光纖類型。