挑戰(zhàn)香農(nóng)理論極限

 

    近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用量等都呈現(xiàn)出爆炸式的增長?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用的P2P技術(shù)、在線視頻、社交網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)的發(fā)展正在不斷吞噬網(wǎng)絡(luò)資源。同時(shí)，隨著云計(jì)算時(shí)代的來臨，以超級數(shù)據(jù)中心為核心的云網(wǎng)絡(luò)，對帶寬的需求也十分迫切。

 

    電氣和電子工程師協(xié)會IEEE802.32011年3月全會成立了帶寬評估工作組（BWA），探索Beyond100G時(shí)代的新興業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)展趨勢。評估結(jié)果預(yù)計(jì)2013年和2015年以太網(wǎng)帶寬需求將分別達(dá)到400Gb/s和1Tb/s, 從而對骨干網(wǎng)絡(luò)提出了Tb/s級別的傳輸需求。

 

    然而，光網(wǎng)絡(luò)向T級別發(fā)展面臨著不小挑戰(zhàn)。當(dāng)前光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量已經(jīng)逼近信道的香農(nóng)極限。

 

    香農(nóng)理論決定系統(tǒng)的頻譜效率越高(容量越大)，信號無誤碼傳輸需要的信噪比就越大，過大的信噪比會導(dǎo)致光傳輸距離大幅縮短。而且在WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)中，還有光纖信道特有的非線性效應(yīng)，非線性效應(yīng)通過對信號功率的限制進(jìn)而限制了信噪比，進(jìn)一步壓縮了提升頻譜效率的技術(shù)空間。

 

    光傳輸系統(tǒng)的香農(nóng)極限

 

    針對Tb/s速率，如何實(shí)現(xiàn)高頻譜效率(大容量)和長距離兼得的傳輸系統(tǒng)，并維持低成本的發(fā)展趨勢，是Tb/s傳輸系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。

 

    波分光傳輸?shù)淖畲髢r(jià)值是給客戶以盡量低的成本提供盡量大的帶寬，100G WDM系統(tǒng)提供了8T的傳輸容量,凈頻譜效率等于2，目前已進(jìn)入規(guī)模部署階段；400G WDM系統(tǒng)預(yù)期會提供16T到20T的傳輸容量，凈頻譜效率在4~5左右，預(yù)期在2015到2016年開始商用部署；對Tb/s WDM系統(tǒng)，至少需要提供約40T的傳輸容量，凈頻譜效率達(dá)到8~10，并盡可能實(shí)現(xiàn)超過1000公里的無電中繼傳輸距離，以最大程度降低系統(tǒng)傳輸成本。

 

    魚和熊掌何以兼得

 

    魚和熊掌可以兼得嗎？在400GE之后，以太網(wǎng)速率會演進(jìn)到Tb/s是業(yè)界的共識，但是具體是1Tb/s、1.6Tt/s甚至2Tt/s目前還未有定論。業(yè)界對于Tbit/s傳輸技術(shù)的研究也有多項(xiàng)成果發(fā)表，在多載波、高階調(diào)制、信號損傷補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)方面均取得一些進(jìn)展，但是在提升頻譜效率（即提升容量）的基礎(chǔ)上，如何保持長距傳輸，以及如何解決針對未來客戶速率、業(yè)務(wù)帶寬存在多種變化的情況，提供一個(gè)傳輸成本和帶寬效率綜合最佳的解決方案，仍然是一個(gè)待解的難題。

 

    針對高速光傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢以及潛在的客戶需求，華為推出Flex 2T光傳輸技術(shù)方案，以可變速率、可變帶寬、可變傳輸距離和容量為主要特色，配合可變OTN功能，可以靈活承載不同速率的客戶業(yè)務(wù)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了光傳輸速率和路由器速率的解耦，同時(shí)獨(dú)有的Flex ODSP技術(shù)、最新一代軟判決技術(shù)、靈活光收發(fā)機(jī)和ASIC芯片技術(shù)，可以最大可能地降低每比特的傳輸成本，對超大容量傳輸提供最佳的帶寬效率。

 

    Flex 2T具有以下三種核心技術(shù)：

 

    ——FlexODSP以及混合調(diào)制技術(shù)。當(dāng)光傳輸告別模擬調(diào)制/解調(diào)，進(jìn)入相干技術(shù)時(shí)代后，光數(shù)字信號處理（ODSP）變得尤為重要。通過一系列算法對光信號進(jìn)行處理，就可實(shí)現(xiàn)數(shù)字式的解調(diào)和數(shù)據(jù)恢復(fù)。這些算法處理可在一片定制的超大規(guī)模集成電路（ASIC）中實(shí)現(xiàn)，在很大程度上決定了傳輸性能。在進(jìn)入Tb/s時(shí)代后，進(jìn)一步引入了全程數(shù)字化調(diào)制/解調(diào)技術(shù)。此外，一些預(yù)處理算法，可以進(jìn)一步提升傳輸性能。

 

    按照前述香農(nóng)極限的分析，如果單純采用高階調(diào)制碼型增大系統(tǒng)的傳輸容量，就需要更高的信噪比，會犧牲一定傳輸距離。如果單純地提高入纖功率，又會增大非線性效應(yīng)。根據(jù)業(yè)界已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)，采用32QAM以上高階調(diào)制碼型，在SMF+EDFA的鏈路上只能傳輸幾百公里。而某些“英雄實(shí)驗(yàn)”中采用的特殊新型光纖，目前還不具備商用的可行性。在Flex2T的ODSP算法中，采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，在大幅提升系統(tǒng)容量（即頻譜效率）的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)長距傳輸。

 

    首先是多帶電正交頻分復(fù)用（Multi-BandeOFDM）和頻域混合正交幅度調(diào)制（HybridQAM）融合的技術(shù)，OFDM多子載波正交復(fù)用可以成倍提高頻譜效率，同時(shí)每個(gè)子載波又可分別設(shè)計(jì)不同調(diào)制碼型。在一個(gè)統(tǒng)一控制平臺下，收發(fā)端適配到一個(gè)最佳碼型組合以及最佳組合比例，在實(shí)現(xiàn)既定高頻譜效率的基礎(chǔ)上又保證系統(tǒng)低OSNR的要求，不會削弱傳輸性能。以40Tb/s系統(tǒng)為例，使用混合32/64QAM調(diào)制，可以將系統(tǒng)的頻譜效率提升至10bit/s/Hz，C波段的傳輸容量達(dá)40Tb/s。將來在控制平臺作用下，還可根據(jù)客戶實(shí)際需求和應(yīng)用場景平滑地進(jìn)行各種調(diào)整，適配各種傳輸容量和距離。

 

    其次針對光傳輸系統(tǒng)的非線性問題，F(xiàn)lexODSP算法還特別設(shè)計(jì)了非線性抑制模塊，顯著提高入纖功率約2dB，有效增加了鏈路預(yù)算，消除SPM、XPM等非線性效應(yīng)影響，延長了傳輸距離。

 

    ——混合多級編碼調(diào)制的新一代FEC技術(shù)。針對Flex傳輸特性，華為對FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)也進(jìn)行了創(chuàng)新研究。采用混合多級編碼的算法相對前一代的軟判決算法，性能有了進(jìn)一步提升，同時(shí)算法復(fù)雜度還可進(jìn)一步降低。針對傳輸信道特點(diǎn)，通過混合編碼方案充分發(fā)揮每一級碼字的最大糾錯(cuò)能力，提升系統(tǒng)的糾前誤碼門限，進(jìn)而給系統(tǒng)帶來額外的OSNR增益，延長了傳輸距離。下圖展示了采用混合多級編碼調(diào)制FEC和前一代LDPC軟判決技術(shù)的對比。在不增加開銷的情況下，新一代FEC技術(shù)較LDPC軟判決技術(shù)又可以提升0.4dB以上的增益，非常接近編碼理論極限，相當(dāng)于提升10%以上的傳輸距離，使得32QAM以上的高階調(diào)制也能長距傳輸。和FlexODSP算法結(jié)合后，總體實(shí)現(xiàn)C波段40Tb/s，1000km以上傳輸。

 

    混合多級編碼調(diào)制的新一代FEC技術(shù)

 

    ——FlexTRx收發(fā)機(jī)技術(shù)。速率、帶寬靈活可變光收發(fā)機(jī)是Flex2T傳輸?shù)挠布脚_，主要特點(diǎn)是全數(shù)字化調(diào)制/解調(diào)，統(tǒng)一的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，全程聯(lián)動的自動化控制技術(shù)。FlexTRx具備了傳輸速率和帶寬可控，調(diào)制格式可控以及自適應(yīng)適配傳輸?shù)葎?chuàng)新功能。

 

    靈活可變光收發(fā)機(jī)能產(chǎn)生包含多個(gè)光載波的超級通道（super-channel），每個(gè)通道的光載波都可以調(diào)制可變符號速率和可變調(diào)制碼型的信號。超級通道的總傳輸能力由通道總數(shù)目、調(diào)制碼型以及符號速率共同決定。因此，全程自動化控制超級通道以及各通道的高速光學(xué)調(diào)制/解調(diào)，讓各種光學(xué)部件緊密聯(lián)動以保證各種應(yīng)用場景下的最佳傳輸性能，是FlexTRx的技術(shù)難點(diǎn)。在本收發(fā)射機(jī)中，采用了華為創(chuàng)新的自動控制算法，可以良好地適配各種調(diào)制方式的變化。

 

    Flex2T生態(tài)系統(tǒng)逐漸成熟

 

    在華為以及全球領(lǐng)先運(yùn)營商等產(chǎn)業(yè)鏈各方的積極配合下，F(xiàn)lex 2T技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成熟，市場前景十分廣闊。

 

    2012年年底，華為和領(lǐng)先運(yùn)營商沃達(dá)豐合作，在其德國骨干網(wǎng)上構(gòu)建了全球首個(gè)2T傳輸?shù)默F(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)局，基于普通單模光纖和EDFA組成的無電中繼鏈路，驗(yàn)證了PDM-QPSK和PDM-16QAM調(diào)制碼型等幾種技術(shù)方案，分別取得最長3325km現(xiàn)網(wǎng)傳輸和最高頻譜效率6.4bit/s/Hz、1440km現(xiàn)網(wǎng)傳輸?shù)臉I(yè)界記錄，證實(shí)了Flex 2T技術(shù)的可能性。

 

    2013年3月，在剛剛結(jié)束的第38屆OFC會議上，華為展示了最新的Flex 2T樣機(jī)以及完整的解決方案，采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，突破性地實(shí)現(xiàn)了頻譜效率10bit/s/Hz，C波段容量40Tb/s，在普通單模光纖和EDFA組成的鏈路上1000km以上傳輸。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了調(diào)制碼型從QPSK、16QAM、32QAM到64QAM的動態(tài)調(diào)整和任意組合，業(yè)務(wù)容量和傳輸距離的可以根據(jù)應(yīng)用場景靈活配置，有效支撐動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的理念。

 

    2012年9月日內(nèi)瓦會議上，在包括華為在內(nèi)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合推動下，IEEE成員單位基本達(dá)成共識選擇400GE作為100GE之后的下一代以太網(wǎng)速率，從而正式開啟400GE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。隨著路由器/以太網(wǎng)的線卡速率以及網(wǎng)絡(luò)帶寬增長到Tb/s量級，Tb/s帶寬信號的承載和傳輸成為400G之后下一代傳送技術(shù)要面對的挑戰(zhàn)。在ITU-T標(biāo)準(zhǔn)會議上，華為明確地提出了未來Flex光傳送網(wǎng)的發(fā)展方向。Flex 2T技術(shù)的研究和驗(yàn)證結(jié)果表明，基于現(xiàn)有鋪設(shè)的商用光纖網(wǎng)絡(luò)，仍可挖掘出巨大潛力。同時(shí)，靜態(tài)的、模擬的光層技術(shù)也將朝著動態(tài)、靈活光傳送方向發(fā)展。

 

    在光通信2.5G/10G時(shí)代，全球市場被歐美廠商所主導(dǎo)，而如今在100G時(shí)代，華為憑借領(lǐng)先的軟判決和OTN引領(lǐng)了全球100G的商用化進(jìn)程。我們有理由相信在超100G時(shí)代，“中國技術(shù)”將為全球光通信行業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。