Поддержка канальной скорости 100Гбит/с в системах DWDM Huawei

Тенденции перехода к канальной скорости 100 Гбит/с
В последнее время сильно возросли потребности в полосе пропускания на магистральных телекоммуникационных сетях в связи с быстрым распространением таких приложений, как IPTV, VoD и 3G.

Телекоммуникационные операторы и Internet-провайдеры находятся в процессе поиска эффективных транспортных решений, характеризующихся большой полосой, к примеру, интерфейсы 100 GE и системы DWDM, которые могли бы предложить большую полосу пропускания при меньшей средней стоимости каждого бита. На сегодняшний день уже широко распространено решение 40 Гбит/с WDM, но некоторые операторы таких сетей уже ощутят нехватку ресурса полосы в 2012 году; решение 100 Гбит/с является следующим шагом в развитии.

При развитии от 2,5 до 10 Гбит/с и далее от 10 до 40 Гбит/с технологии передачи WDM столкнулись с такими физическими ограничениями, как высокое значение отношения оптически сигнал/шум (OSNR), меньшее значение допусков по хроматической дисперсии (CD), меньшее значение допусков по поляризационной модовой дисперсии (PMD) и усиление нелинейных эффектов. Приведенные физические ограничения зависят от скорости передачи и расстояния передачи, и при увеличении скорости в линии от 40 до 100 Гбит/с будут в наибольшей степени воздействовать на производительность транспортной системы.

Ключевые технологии 100 Гбит/с
Для решения технических задач и обеспечения соответствия техническим требованиям передачи со скоростями 100 Гбит/с по одной длине волны, в телекоммуникационной индустрии в основном прибегают к уменьшению ширины оптического спектра, т.е. увеличения соотношения битовой скорости на единицу ширины спектра. Другие способы используют изменение формы модуляции, приводящее к снижению допустимого значения отношения сигнал/шум (ROSNR), и тем самым улучшают устойчивость системы к ухудшению характеристик передачи. Иным решением является использование технологии цифровой обработки сигналов DSP (digital signal processing), позволяющей снизить влияния хроматической дисперсии и эффектов PMD оптического волокна. Также необходимо предусмотреть возможность одновременной передачи 100 Гбит/с с другими скоростями, такими как 40 Гбит/с и 10 Гбит/с на одну длину волны.

В качестве решения система должна использовать более совершенные технологии мультиплексирования, когда один оптический канал состоит из множества подканалов. Это позволяет уменьшить символьную скорость без изменения битовой скорости; также это гарантирует ширину спектра, меньшую чем 50 ГГц, даже после того, как линейная скорость увеличится до 100 Гбит/с. Для соответствия данным требованиям был разработан ряд ключевых технологий, которые рассмотрены ниже.

Модуляция QPSK
Многоуровневый формат квадратурно-фазовой модуляции (QPSK) уменьшает символьную скорость оптических сигналов в 2 раза без изменения битовой скорости. Данный вариант модуляции также сокращает ширину спектра в 2 раза. Использование QPSK делает возможным организацию протяженных систем WDM 40 Гбит/с при разносе 50 ГГц. Уменьшение ширины спектра имеет и другие преимущества, такие как уменьшение требуемого OSNR, улучшение значений допусков хроматической дисперсии и поляризационной модовой дисперсии.

Поляризационное мультиплексирование
С учетом того, что битовая скорость 100 Гбит/с в системе передачи составляет 112 Гбит/с или выше, полоса пропускания чипов мультиплексирования и модуляторов Маха-Цендера на оптических передатчиках должна составлять 56 ГГц при использовании непосредственно модуляции QPSK. В настоящее время изготовление таких фотоэлектронных устройств имеет определенные технологические сложности. Для решения этой задачи телекоммуникационная индустрия начала использовать поляризационное мультиплексирование для разделения сигнала на две составляющие для дальнейшего снижения скорости обработки и передачи.

Когерентный прием
Промодулированный в формате PDM-QPSK сигнал имеет две взаимоперпендикулярно поляризованные составляющие. Традиционное детектирование не может разграничить составляющие каналы, что приводит к использованию когерентного детектирования как наиболее оптимального варианта. Обеспечивая единовременное разделение информации о поляризации, амплитуде и фазе оптического сигнала, технология когерентного приема имеет меньшие требования к OSNR по сравнению с некогерентными системами, что существенным образом влияет на увеличение расстояния передачи транспортных систем 100 Гбит/с.

Цифровая обработка сигнала
Так как CD и PMD являются линейными эффектами, однотипный фильтр может быть использован для уменьшения влияния каждого из них. Цифровому детектору необходимо промоделировать два фильтра для устранения искажений и межсимвольной интерференции, являющихся следствием CD и PMD и в итоге восстановить «чистые» символьные элементы.

В настоящее время PDM-QPSK, когерентный прием и DSP могут быть использованы совместно (когерентный PDM-QPSK). Комбинация данных технологий стала наиболее популярной схемой конфигурации для передачи каналов 100 Гбит/с. С использованием приведенных технологий для операторов становится возможным развертывание транспортных сетей 100 Гбит/с на уже существующих устройствах, что позволит существенно уменьшить капитальные затраты.

100G ePDM-QPSK решение компании Huawei
По сравнению с технологиями канальных скоростей 10 Гбит/с и 40 Гбит/с, рабочие расстояния для технологии 100 Гбит/с намного короче и требуют большего количества регенераторов, что равноценно увеличению капитальных и эксплуатационных затрат. Для исключения данных недостатков компания Huawei потратила годы научных исследований в области протяженных систем 100 Гбит/с.

В 2008 году компания анонсировала некогерентное решение 100 Гбит/с, а в 2010 году продемонстрировала прототип системы 100 Гбит/с на основе когерентного приема с возможностью рабочих расстояний до 3000 км без регенерации и Рамановских усилителей, и с июня 2011 года 100 Гбит/с решение нашей компании стало коммерчески доступным.

Основной отличительной особенностью 100 Гбит/с решения Huawei является самостоятельно разработанная схема модуляции ePDM-QPSK, которая включает в себя совместную работу модуляции формата PDM-QPSK и цифровую обработку сигналов DSP.

Самостоятельно разработанный чип цифровой обработки сигнала DSP
Анонсированный в 2011 году чип цифровой обработки сигналов DSP является высокоинтегрированным на базе технологии ASIC, чип имеет гарантированную стабильность работы и низкие задержки при обработке сигналов, также имеет сниженные показатели потребляемой мощности.

Стоимость оборудования снижается благодаря тому, что отпадает необходимость использования подстраиваемых компенсаторов дисперсии на приемном конце, а также соответственно за счет исключения дополнительных предусилителей мощности. Благодаря высокой устойчивости к дисперсии нашей системы 100 Гбит/с возможно дальнейшее снижение капитальных затрат за счет уменьшения количества компенсаторов дисперсии в проектируемой DWDM-сети.

Современная технология 100 Гбит/с на базе одной несущей
В настоящее время применение получили 2 типа реализации канальной скорости 100 Гбит/с с модуляций PDM-QPSK — с двумя и с одной несущей. Huawei использует схему с одной несущей с разносом каналов 50 ГГц, каждый канал работает в формате PDM-QPSK, а символьная скорость составляет 28 Гбод/с. Схема 100 Гбит/с с одной несущей является более устойчивой к нелинейным эффектам в оптическом волокне по сравнению со схемой с двумя несущими и в результате обеспечивает работу на более длинные расстояния.

Другой отличительной особенностью схемы с одной несущей является высокая устойчивость к переходным помехам при гибридной работе каналов 10 Гбит/с и 100 Гбит/с, это качество становится важным при переходе на скорости 100 Гбит/с с сохранением текущего трафика сети.

Высокие характеристики 100 Гбит/с ROADM
С постоянным ростом потребности в улучшении управляемости транспортных сетей, а также в динамическом манипулировании сервисами способность поддержки функции ROADM (оптический коммутатор) становится одним из важных показателей при выборе типа модуляции сигналов 100 Гбит/с и определения совместимости с существующим и будущим оборудованием. При использовании ROADM и канальной скорости 100 Гбит/с необходимо при проектировании закладывать дополнительный запас оптической мощности для уменьшения возникающих межсимвольных влияний. DSP алгоритм компании Huawei при использовании формата 100G ePDM-QPSK может существенно снизить межсимвольные влияния и тем самым увеличить количество последовательно установленных ROADM в линии без регенерации передаваемого сигнала.

Реализованные проекты 100 Гбит/с DWDM
На начало 2012 года нашей компанией было реализовано 15 коммерческих проектов DWDM с канальной скоростью 100 Гбит/с. Среди них проекты для: Rostelecom и MTS (Россия), SFR (Франция), Oi (Бразилия), KPN (Голландия), Telcom (Индонезия), TDC (Дания), RCN и Mobily (Саудовская Аравия), Embratel и Telesp (Бразилия), China Telecom (Китай), Telin (Сингапур).

Orphus system