相干传输：应对带宽需求的关键技术

就目前安装的光纤水平而言，服务提供商想要最大限度增大带宽和提高每条光纤的数据吞吐量可谓挑战重重。但通过最大限度提高单波长的数据速率，运营商可以提升容量并降低每比特总传输成本。下面就随网络通信小编一起来了解一下相关内容吧。

相干技术已成功实现数据速率向100G的过渡，而PHY技术的不断发展也为向200G、400G及以上速率过渡指明了道路。MACOM 64 Gbaud表面贴装线性调制器驱动器系列助力实现面向长距离/城域应用的单波长600G解决方案。

 随着物联网、AR/VR、5G 等全新应用场景的不断演进和落地，目前全球数据量增长迅速。据思科最新报告显示，目前全球数据中心的数据量增速为 27%CAGR，预计到 2020 年将达到 15.3ZB。数据量的激增给网络传输带来了更高的要求，目前 100Gb/s 的技术已经成熟并且实现规模商用部署，而这还是不够的。技术厂商正在向更高传输速率标准迈进。

图 全球数据中心数据增长(来源:思科)

持续增长的带宽需求与业界应对

目前 400Gb/s 的网络传输技术已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近几年发展更为迅速。从 400Gb /s 标准化进展来看，国内标准化组织——中国通信标准化

协会(CCSA)、国际电信联盟(ITU-T)、国际电气电子工程师学会(IEEE)、光互联论坛(OIF)等均得了明显进展。现阶段从全球范围内来看，100G 以太网速率已经在数据中心有大量的应用，400G 速率作为下一代速率在产业内已经开始广泛的研究，相关标准组织的研究和讨论也在推进中。400Gb /s 技术和标准最新进展进一步推动了 400Gb /s技术步入商用化的进程，如何合理部署 400Gb /s 成为业界关注的焦点。由于物理极限,在 100Gb/s 以及更高速度的系统中,相干传输技术逐渐成为利用现有设备来克服技术极限的关键.相干传输技术可用于 100G 和 400G 应用，因为它使得服务提供商能够通过现有的光纤发送更多的数据，减少为带宽扩展而进行网络升级的成本和复杂性。当前用于相干光的定时解决方案在成本和尺寸方面还未达到最优化，需要 VCSO、时钟发生器和分立器件的多样化组合。

图 带宽的增长与对应的支撑技术

众所周知，随着传输距离和数据容量的加大，在光传输过程中的损耗也就越大，数据中心互联需要克服远距离上的信息传输问题，于是相干技术就成为了实现数据中心互联中相当重要的一个环节。据与 Microsemi 合作的 ClariPhy 亚太区高级总监Andrew 介绍：“相干技术是业界一致公认的 100G 及以上传输的首选，也是单光纤(L+C 波段)从 10Tbps 升级到 70Tbps 的唯一选择。将相干技术用于数据中心互联能够极大地降低每比特光传输中损耗，从而提高数据传输效率。”不仅如此，相干技术也可以在 100G 和超 100G 上实现最低总体拥有成本，弃用传统昂贵的色散补偿模块(DCM)，使用基于 CMOS 的 DSP 芯片对光纤噪声损耗进行数字补偿。利用相干技术能够灵活地调整光纤长度，同时也能够保障数据传输量可扩展到每波长 400G，即用更大的容量来降低每比特成本。

图 当前光通信的主要标准及其参数

相干传输 简介(coherent transmission)

在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不象强度检测那样只是改变光的强度)，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不象自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。

图 电磁波的极化

激光就是一种相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。数字相干接收技术使得光传输系统具有足够的色散容限和偏振模容限，无需考虑线路传输上的色度色散和偏振模色散的影响，这给网络建设和运维带来一系列好处，主要包括：

1. 简化了传输线路上的光学色散补偿和偏振解复用设计，线路设计更简单;

2. 消除了低 PMD 光纤的依赖，适用于各种规格的传输光纤，方便光纤线路速率升级;

3. 消除了传输线路 DCF 光纤非线性效应的影响，减少了线路放大器的数量和ASE 噪声的影响，降低了线路成本，提升了系统长距传输能力;

4. 减小了线路传输时延，按照 1km 光纤 5us 的时延计算，消除 DCF 光纤所带来的时延减少非常可观，这对时延敏感的应用环境意义重大;

5. 保护恢复时间小于 50ms，(不同于 40G 系统)100G 数字信号处理自适应色散补偿算法收敛迅速，完全满足电信级恢复时延要求。

基于数字相干接收 PM-QPSK 调制的 100G 光传输技术在长距离光传输技术史上具有里程碑意义，这不仅仅体现在 100G 光传输性能的巨大提升和建网运维的显著优势上，更是由于其为后续超 100G 传输技术的发展奠定了基础。超 100G 光传输将继承 100G 光传输系统的设计思想，采用偏振复用、多级调制提高频谱效率，采用 OFDM 技术规避目前光电子器件带宽和开关速度的限制，采用数字相干接收提高接收机灵敏度和信道均衡能力。然而，超 100G 光传输由于非线性效应的限制，传输距离和频谱效率之间的矛盾非常显著，选择更高级别的 QAM 调制提高频谱效率和传输速率，其传输距离可能远低于目前 100G 系统。这决定了 100G速率在长距离光传输应用上会占据一个比较长的时间窗口，其大规模在网应用时间保守估计在 10 年以上。

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