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[摘 要]在宽带超速发展的时代，承载网的核心层和骨干层面临着越来越大的带宽增长压力，100G线路传输技术及产业链条已经发展成熟，目前已成为网络运营商应对几何式带宽需求增长的最佳解决方案。本文主要介绍100Gb/s传输技术的必要性及其关键技术，并简要讨论了100Gb/s系统的应用前景。
[关键词]100Gb/s 编码调制 映射封装
中图分类号：TN9 6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0242-02
1、引言
光通信最重要的特点就是具有几乎用不尽的带宽资源。随着信息社会的发展，人们对信息服务的需求量与日俱增。100GbpsWDM系统是一个重要方向。超宽带时代，承载网的核心层及骨干层面临着越来越大的带宽增长压力。当以10G传输技术为基础的承载网带宽耗尽时，网络平滑升级至40G、100G是最经济的提升网络容量的方法。因此，在承载网的核心层及骨干层实现100G传输将成为必然。随着100GE路由器接口标准化的完成，100G的长途传输也进入了议事日程。与40GbpsWDM系统相比，100G传输的商用化需要解决四大关键技术：100G线路传输技术、100GE接口技术、100GE封装映射技术和100G关键器件技术。
2、100G WDM标准进展
100Gb/s技术的国内标准化工作主要由CCSA的传送网与接入网工作委员会（TC6）的传送网工作组（WG1）和光器件工作组（WG4）来制定。最近取得的主要标准进展包括：WG1完成了“N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统技术要求”的报批稿，以及“N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统测试方法”（近期报批），同时WG4已开始开展100Gb/s光模块及组件的标准参数研究。其中“N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统技术要求”中主要规范了N×22dB传输模型在G.655和G.652光纤上的关键传输参数规范，同时考虑了系统技术实现的差异性，采用背靠背OSNR容限、系统传输距离规则、FEC纠错前误码率等多种参数量化，目前规范的最远传输能力达到18×22dB（18×80km，适用G.652光纤）和16×22dB（16×80km，适用G.655光纤）。
100Gb/s 的国际标准主要由ITU-T、IEEE和OIF等標准组织制定。其中ITU-T的SG15主要负责光传送网及接入网的标准化工作，其中Q6主要负责物理层传输标准的规范工作，Q11主要负责逻辑层传送标准的规范工作。目前针对100Gb/s的标准化工作主要在G.682、G.sup39、G.709等标准中规范，其中G.682已经明确提出进行100Gb/s参数的规范，而G.sup39逐步引入100Gb/s技术涉及的一些工程参数考虑，同时G.709的ODUk容器已经支持基于100Gb/s速率的ODU4。
IEEE的802.3主要负责以太网物理层规范的制定，目前已经完成了基于40GE和100GE的物理层规范802.3ba，目前正在开展背板互联（802.3bj）以及新一代40Gb/s和100Gb/s物理接口的规范（802.3bm），其中802.3bm是2012年3月IEEE 802全会上通过的新标准项目立项，其主要目标是完成多模光纤20/100m以上、以及单模光纤500m以上的传输距离。
OIF的PLL主要负责高速模块及器件的规范制定工作，目前已经完成了100Gb/s 长距传输模块、相干接收机等实现协议（IA），目前正在进行第二代的100Gb/s长距传输模块和相干接收机的IA、基于城域应用（中距离）的100Gb/s DWDM传输框架、以及基于28G的甚短距离传输的通用电接口（CEI-VSR）等IA的制定工作。
从100Gb/s标准化整体进展来看，目前100Gb/s标准基本完善，正在进行进一步提升集成度、降低功耗等相关标准的规范制定过程之中。
3、100G WDM系统关键技术
3.1、100G线路传输技术
现有100G线路传输技术主要有两种方案：多波传输方案和单波传输方案。在100G多波传输方案中，100G信号反向复用为多波长的10Gbps和40GbpsOTU2、OTU3信号。这种方案不会对现有的10G或40G光传送网络产生影响，并可以在现有的器件技术下实现，因而是现阶段可实现的方案。但这种方案的波长利用率较低，也存在波长管理及多个波长间时延差的控制问题，所以这种方案不是100G线路传输技术的最终商用方案。
100G单波传输方案可做到“一个业务，一个波长”，可以简化网络的管理。从器件发展及降低OPEX的角度来看，该方案是未来发展的方向。业界所讨论的100G传输基本上是讨论100Gbps单波的长途传输。由于波特率的提升，100G单波传输信号所受到的各种物理损伤较为严重。业界研究了新的码型以降低物理损伤对100G信号的影响。
40G速率提高到100G，光信噪比OSNR需要增加4dB左右，为了降低光信噪比OSNR的要求，在现有的光网络上传输单波100G信号，需要采用特殊的调制技术来降低波特率。例如PDM-DQPSK由于采用了偏振态、相位的双重调制，就可以把100Gbps的信号速率降低到25G波特率，从而保证在50GHz间隔的波长区传输。为更好地提高接收灵敏度，有时需要采用相干电处理的技术，也就是采用电处理来解决光波长的相干接收。目前，100GWDM的调制技术有多项选择。从现在的发展情况看，业内相信PDM-（D）QPSK会是一个不错的选择，可以实现50GHz的间隔和1000公里以上的无电中继传输，相干光检测可以极大程度地提高色散容限和PMD容限。缺点是发射机光学结构复杂，相位调制效应容限低，另外需要复杂的DSP处理，用于后处理的高速DAC和ASIC芯片目前较少。目前，该方向的研究还处于实验室阶段。 从系统来看，考虑到100GHz的速率只比40GHz提高2.5倍，在C波段传输的波长数目应该保持与现在的WDM系统相同，因此100GHzWDM系统应该基于50GHz间隔，以提高系统容量。
3.2、100G技术接口
100GE接口技術要解决100GE物理端口的高可靠性，并支持完善的监控和保护功能。100GE物理接口主要有三种：10×10G短距离（100m）互联的MMFLAN接口；4×25G中短距离（3km、10km、40km）互联的SMFLAN接口；10G铜线铜缆接口。
在接口架构方案上，100GE接口架构目前有MLD&CAUI、APL和PBL三种方案。VL&CTBI、APL、PBL方案分别根据不同的应用需求而提出。这些方案将会于近年内在IEEE进行广泛讨论，并最终给出最佳方案。
3.3、100GE封装映射技术
100GE适配到OTN时，可映射到OTU4中，也可反向复用到OTU2/3之中。根据100GE接口的具体实现形式，存在多条封装映射路径。第一，100GE串行信号映射到ODU4。ODU4、OTU4的具体速率正在讨论中，有130Gbps和112Gbps两种选择。由于ODU4/OTU4的速率目前还没有最终形成标准，因此将100GE映射到ODU4的方案还没有最终确定。第二，100GE串行信号反向复用到ODU2e、ODU2、ODU3。其主要有O-DU2e-10v反向复用和ODU2-11v或ODU3-3v反向复用两种方案。ITU-TQ11已经明确将对这两种封装映射路径进行标准化。采用GMP映射方法在技术上可以实现，但标准还不成熟。第三，100GE信号反向复用到10×10G或4×25G。这种方案将高速串行的100GE信号反向复用为10G或25G低速并行的信号。目前，ITU正在讨论承载Multilane100GE的问题，主要有Multi-lanePCS层汇聚再映射到OTN，以及比特透明独立映射两种解决方案。
3.4、100G关键器件技术
100G关键器件于2010年左右开始生产，于2011年～2012年开始规模商用。其中光模块和高速DSP影响最大。只有高速光模块才能实现100Gbps速率的调制。DSP则对于相干电接收至关重要，只有在100G高速率数字处理技术取得突破时，才能实现软判决、相干电接收的复杂电处理，从而提高接收灵敏度，加大100G的传输距离。
4、100G WDM系统解决方案
4.1、100G解决方案要求
100G对光纤传输提出了更加严格的要求，在同等物理条件下与10G DWDM传输系统相比，100G DWDM系统有如下限制：
a） 光信噪比劣化10dB
b） 色度色散容限降低为1/100（约为10ps/nm）
c） 偏振模色散（PMD）效应劣化更为严重
d） 非线性效应变得更加明显
4.2、100G解决方案研究
4.2.1高效的码型
对于100G的调制方式，业界选择的主流技术仍然是QPSK。100G编码技术比较见表1，由表1可以看出，PDM-QPSK调制方式（为达到4比特/符号，采用极化模复用方式）是最适合长距离传输的标准码型，该调制方式已被OIF列为标准。
PDM-QPSK的信号调制：在发送端，数据被分成4路，分别调制2个QPSK调制器，再通过偏振合波器PBC，得到2个极化偏振态垂直的QPSK信号，即PDM-QPSK信号。在接收端采用相干检测，用一个本振的激光器经过偏振分束，与偏振分束后的信号进行混频，每个90度混频器输出1个偏振态的2路信号（I、Q），2个偏振态共4路信号，经过光电转换后，再由ADC采样后采用DSP进行数字信号处理。PDM-QPSK信号在接受侧采用相干检测的技术可以实现高性能的信号解调。与直接解调、差分解调方式相比，相干检测所使用的本地激光器功率要远大于输入光信号的光功率要远大于输入光信号的光功率，所以光信噪比可以被极大地改善。特别是相干检测技术可以充分利用强大的DSP来处理极化模复用信号，可以通过后续的数字信号的特性（极化模、幅度、相位），大幅度消除光纤带来的传输损伤，如PMD容忍度达30ps，无需线路的色散补偿就可以容忍几万ps/nm。
4.2.1 FEC技术
前向纠错（FEC）一直是光传输技术中降低OSNR要求的重点技术之一，并随着光线路速率的提升而得到迅猛发展。第一代的带外FEC采用以RS（255， 239）为代表的代数码技术，满足G.975标准规定，采用7%的开销，净编码增益为6.3dB，纠前BER容限约为8.3×10-5，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。第一代FEC的复杂度较低，算法规模较小（约100，000LUT），采用FPGA即可满足其运算速度的要求。
随着后期的10G及目前40G系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前BER容限进一步降低，这驱动了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生。第二代FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到8-9dB，纠前BER容限可低至1×10-3-4×10-3。G.975.1中制定了第二代FEC的行业标准。净编码增益的提高同时也伴随着FEC算法复杂度的和运算规模的增加。第二代FEC技术一般需要300，000LUT的FPGA或百万门规模的ASIC芯片来承载。
在100G相干技术产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术诞生了。这种FEC一般采用LDPC码（低密度奇偶校验码）、TPC码（Turbo乘积码），可提供约11dB的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC的另一个特点是开销更高，可高达20%（OIF建议SD-FEC的开销不超过20%），使得100G的线路速率达到128Gbps，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。
5、结论
随着云计算、物联网、新型互联网等未来宽带传送需求的强力驱动，100Gb/s已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近两年国内发展更为迅速。100Gb/s在实际部署时，应重点考虑目前40Gb/s和100Gb/s商用关系，100Gb/s关键技术差异以及100Gb/s产业整体发展等诸多因素。在部署100Gb/s技术时，建议侧重考虑100Gb/s和40Gb/s协同发展，100Gb/s部署应循序渐进，维持合理价格水平以促进产业健康发展等应用策略。
参考文献
参考文献：[1] 赵文玉《100G技术、标准及应用策略》电信网技术2012年第12期
[2] 余银凤，袁秀森《100G传输系统中的关键技术及解决方案》邮电设计技术2012年第9期
[3] 100G波分复用传输的关键技术及发展趋势[J].华为技术
作者简介
韩文峰、女、1978年3月20日， 1999年毕业于中国民航大学、通信工程专业。任职于民航东北地区空中交通管理局 通信网络中心 主任工程师
通信地址：沈阳市大东区小河沿路3号东北空管局通信网络中心
联系电话：18940087530
[关键词]100Gb/s 编码调制 映射封装
中图分类号：TN9 6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0242-02
1、引言
光通信最重要的特点就是具有几乎用不尽的带宽资源。随着信息社会的发展，人们对信息服务的需求量与日俱增。100GbpsWDM系统是一个重要方向。超宽带时代，承载网的核心层及骨干层面临着越来越大的带宽增长压力。当以10G传输技术为基础的承载网带宽耗尽时，网络平滑升级至40G、100G是最经济的提升网络容量的方法。因此，在承载网的核心层及骨干层实现100G传输将成为必然。随着100GE路由器接口标准化的完成，100G的长途传输也进入了议事日程。与40GbpsWDM系统相比，100G传输的商用化需要解决四大关键技术：100G线路传输技术、100GE接口技术、100GE封装映射技术和100G关键器件技术。
2、100G WDM标准进展
100Gb/s技术的国内标准化工作主要由CCSA的传送网与接入网工作委员会（TC6）的传送网工作组（WG1）和光器件工作组（WG4）来制定。最近取得的主要标准进展包括：WG1完成了“N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统技术要求”的报批稿，以及“N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统测试方法”（近期报批），同时WG4已开始开展100Gb/s光模块及组件的标准参数研究。其中“N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统技术要求”中主要规范了N×22dB传输模型在G.655和G.652光纤上的关键传输参数规范，同时考虑了系统技术实现的差异性，采用背靠背OSNR容限、系统传输距离规则、FEC纠错前误码率等多种参数量化，目前规范的最远传输能力达到18×22dB（18×80km，适用G.652光纤）和16×22dB（16×80km，适用G.655光纤）。
100Gb/s 的国际标准主要由ITU-T、IEEE和OIF等標准组织制定。其中ITU-T的SG15主要负责光传送网及接入网的标准化工作，其中Q6主要负责物理层传输标准的规范工作，Q11主要负责逻辑层传送标准的规范工作。目前针对100Gb/s的标准化工作主要在G.682、G.sup39、G.709等标准中规范，其中G.682已经明确提出进行100Gb/s参数的规范，而G.sup39逐步引入100Gb/s技术涉及的一些工程参数考虑，同时G.709的ODUk容器已经支持基于100Gb/s速率的ODU4。
IEEE的802.3主要负责以太网物理层规范的制定，目前已经完成了基于40GE和100GE的物理层规范802.3ba，目前正在开展背板互联（802.3bj）以及新一代40Gb/s和100Gb/s物理接口的规范（802.3bm），其中802.3bm是2012年3月IEEE 802全会上通过的新标准项目立项，其主要目标是完成多模光纤20/100m以上、以及单模光纤500m以上的传输距离。
OIF的PLL主要负责高速模块及器件的规范制定工作，目前已经完成了100Gb/s 长距传输模块、相干接收机等实现协议（IA），目前正在进行第二代的100Gb/s长距传输模块和相干接收机的IA、基于城域应用（中距离）的100Gb/s DWDM传输框架、以及基于28G的甚短距离传输的通用电接口（CEI-VSR）等IA的制定工作。
从100Gb/s标准化整体进展来看，目前100Gb/s标准基本完善，正在进行进一步提升集成度、降低功耗等相关标准的规范制定过程之中。
3、100G WDM系统关键技术
3.1、100G线路传输技术
现有100G线路传输技术主要有两种方案：多波传输方案和单波传输方案。在100G多波传输方案中，100G信号反向复用为多波长的10Gbps和40GbpsOTU2、OTU3信号。这种方案不会对现有的10G或40G光传送网络产生影响，并可以在现有的器件技术下实现，因而是现阶段可实现的方案。但这种方案的波长利用率较低，也存在波长管理及多个波长间时延差的控制问题，所以这种方案不是100G线路传输技术的最终商用方案。
100G单波传输方案可做到“一个业务，一个波长”，可以简化网络的管理。从器件发展及降低OPEX的角度来看，该方案是未来发展的方向。业界所讨论的100G传输基本上是讨论100Gbps单波的长途传输。由于波特率的提升，100G单波传输信号所受到的各种物理损伤较为严重。业界研究了新的码型以降低物理损伤对100G信号的影响。
40G速率提高到100G，光信噪比OSNR需要增加4dB左右，为了降低光信噪比OSNR的要求，在现有的光网络上传输单波100G信号，需要采用特殊的调制技术来降低波特率。例如PDM-DQPSK由于采用了偏振态、相位的双重调制，就可以把100Gbps的信号速率降低到25G波特率，从而保证在50GHz间隔的波长区传输。为更好地提高接收灵敏度，有时需要采用相干电处理的技术，也就是采用电处理来解决光波长的相干接收。目前，100GWDM的调制技术有多项选择。从现在的发展情况看，业内相信PDM-（D）QPSK会是一个不错的选择，可以实现50GHz的间隔和1000公里以上的无电中继传输，相干光检测可以极大程度地提高色散容限和PMD容限。缺点是发射机光学结构复杂，相位调制效应容限低，另外需要复杂的DSP处理，用于后处理的高速DAC和ASIC芯片目前较少。目前，该方向的研究还处于实验室阶段。 从系统来看，考虑到100GHz的速率只比40GHz提高2.5倍，在C波段传输的波长数目应该保持与现在的WDM系统相同，因此100GHzWDM系统应该基于50GHz间隔，以提高系统容量。
3.2、100G技术接口
100GE接口技術要解决100GE物理端口的高可靠性，并支持完善的监控和保护功能。100GE物理接口主要有三种：10×10G短距离（100m）互联的MMFLAN接口；4×25G中短距离（3km、10km、40km）互联的SMFLAN接口；10G铜线铜缆接口。
在接口架构方案上，100GE接口架构目前有MLD&CAUI、APL和PBL三种方案。VL&CTBI、APL、PBL方案分别根据不同的应用需求而提出。这些方案将会于近年内在IEEE进行广泛讨论，并最终给出最佳方案。
3.3、100GE封装映射技术
100GE适配到OTN时，可映射到OTU4中，也可反向复用到OTU2/3之中。根据100GE接口的具体实现形式，存在多条封装映射路径。第一，100GE串行信号映射到ODU4。ODU4、OTU4的具体速率正在讨论中，有130Gbps和112Gbps两种选择。由于ODU4/OTU4的速率目前还没有最终形成标准，因此将100GE映射到ODU4的方案还没有最终确定。第二，100GE串行信号反向复用到ODU2e、ODU2、ODU3。其主要有O-DU2e-10v反向复用和ODU2-11v或ODU3-3v反向复用两种方案。ITU-TQ11已经明确将对这两种封装映射路径进行标准化。采用GMP映射方法在技术上可以实现，但标准还不成熟。第三，100GE信号反向复用到10×10G或4×25G。这种方案将高速串行的100GE信号反向复用为10G或25G低速并行的信号。目前，ITU正在讨论承载Multilane100GE的问题，主要有Multi-lanePCS层汇聚再映射到OTN，以及比特透明独立映射两种解决方案。
3.4、100G关键器件技术
100G关键器件于2010年左右开始生产，于2011年～2012年开始规模商用。其中光模块和高速DSP影响最大。只有高速光模块才能实现100Gbps速率的调制。DSP则对于相干电接收至关重要，只有在100G高速率数字处理技术取得突破时，才能实现软判决、相干电接收的复杂电处理，从而提高接收灵敏度，加大100G的传输距离。
4、100G WDM系统解决方案
4.1、100G解决方案要求
100G对光纤传输提出了更加严格的要求，在同等物理条件下与10G DWDM传输系统相比，100G DWDM系统有如下限制：
a） 光信噪比劣化10dB
b） 色度色散容限降低为1/100（约为10ps/nm）
c） 偏振模色散（PMD）效应劣化更为严重
d） 非线性效应变得更加明显
4.2、100G解决方案研究
4.2.1高效的码型
对于100G的调制方式，业界选择的主流技术仍然是QPSK。100G编码技术比较见表1，由表1可以看出，PDM-QPSK调制方式（为达到4比特/符号，采用极化模复用方式）是最适合长距离传输的标准码型，该调制方式已被OIF列为标准。
PDM-QPSK的信号调制：在发送端，数据被分成4路，分别调制2个QPSK调制器，再通过偏振合波器PBC，得到2个极化偏振态垂直的QPSK信号，即PDM-QPSK信号。在接收端采用相干检测，用一个本振的激光器经过偏振分束，与偏振分束后的信号进行混频，每个90度混频器输出1个偏振态的2路信号（I、Q），2个偏振态共4路信号，经过光电转换后，再由ADC采样后采用DSP进行数字信号处理。PDM-QPSK信号在接受侧采用相干检测的技术可以实现高性能的信号解调。与直接解调、差分解调方式相比，相干检测所使用的本地激光器功率要远大于输入光信号的光功率要远大于输入光信号的光功率，所以光信噪比可以被极大地改善。特别是相干检测技术可以充分利用强大的DSP来处理极化模复用信号，可以通过后续的数字信号的特性（极化模、幅度、相位），大幅度消除光纤带来的传输损伤，如PMD容忍度达30ps，无需线路的色散补偿就可以容忍几万ps/nm。
4.2.1 FEC技术
前向纠错（FEC）一直是光传输技术中降低OSNR要求的重点技术之一，并随着光线路速率的提升而得到迅猛发展。第一代的带外FEC采用以RS（255， 239）为代表的代数码技术，满足G.975标准规定，采用7%的开销，净编码增益为6.3dB，纠前BER容限约为8.3×10-5，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。第一代FEC的复杂度较低，算法规模较小（约100，000LUT），采用FPGA即可满足其运算速度的要求。
随着后期的10G及目前40G系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前BER容限进一步降低，这驱动了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生。第二代FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到8-9dB，纠前BER容限可低至1×10-3-4×10-3。G.975.1中制定了第二代FEC的行业标准。净编码增益的提高同时也伴随着FEC算法复杂度的和运算规模的增加。第二代FEC技术一般需要300，000LUT的FPGA或百万门规模的ASIC芯片来承载。
在100G相干技术产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术诞生了。这种FEC一般采用LDPC码（低密度奇偶校验码）、TPC码（Turbo乘积码），可提供约11dB的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC的另一个特点是开销更高，可高达20%（OIF建议SD-FEC的开销不超过20%），使得100G的线路速率达到128Gbps，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。
5、结论
随着云计算、物联网、新型互联网等未来宽带传送需求的强力驱动，100Gb/s已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近两年国内发展更为迅速。100Gb/s在实际部署时，应重点考虑目前40Gb/s和100Gb/s商用关系，100Gb/s关键技术差异以及100Gb/s产业整体发展等诸多因素。在部署100Gb/s技术时，建议侧重考虑100Gb/s和40Gb/s协同发展，100Gb/s部署应循序渐进，维持合理价格水平以促进产业健康发展等应用策略。
参考文献
参考文献：[1] 赵文玉《100G技术、标准及应用策略》电信网技术2012年第12期
[2] 余银凤，袁秀森《100G传输系统中的关键技术及解决方案》邮电设计技术2012年第9期
[3] 100G波分复用传输的关键技术及发展趋势[J].华为技术
作者简介
韩文峰、女、1978年3月20日， 1999年毕业于中国民航大学、通信工程专业。任职于民航东北地区空中交通管理局 通信网络中心 主任工程师
通信地址：沈阳市大东区小河沿路3号东北空管局通信网络中心
联系电话：18940087530