40G/100G标准化现状及发展趋势

汤 瑞，赵文玉，吴庆伟，张海懿（工业和信息化部电信研究院通信标准研究所，北京100083）

0 前言

由于高清电视（HDTV）、视频点播（VOD）和移动宽带业务的快速发展，特别是基于Internet的视频应用和P2P应用使运营商的骨干网络的业务流量持续增长。为了应对大容量网络的带宽要求，高速率的WDM传输技术成为解决问题的重点。传输容量也从1995年首次商用的8×2.5G系统发展到近几年开始规模部署的80×40G系统，而更高速率的N×100G传输技术也逐渐走向成熟。

与传统10G DWDM系统相比，40G/100G对各种系统的光传输损伤更为敏感。原本对10G系统影响并不显著的色度色散、偏振模色散、非线性效应等等，在40G/100G高速光传输系统中已经成为限制传输性能的主要因素。近些年，随着复杂调制码型技术、自适应色散补偿技术以及新型复用技术的逐渐突破和发展成熟，40G光传输技术已经发展成熟并逐步步入规模商用的阶段。与此同时，在网络流量保持快速增长的持续驱动下，N×100G光传输技术目前也已经取得了初步突破，并有望在未来2~3年内逐步成熟并取得商用。

1 40G/100G技术现状

随着40G系统商业应用的驱动和高速光电处理技术的发展，目前国内外主流传输设备厂商均可提供商用40G WDM产品。国内厂商华为、中兴和烽火，以及国外阿朗、诺西、爱立信、CIENA、富士通等诸多厂商目前均能提供N×40G WDM商用设备，支持差分移相键控（DPSK）、部分差分移相键控（P-DPSK）、归零码 -差分正交相移键控（RZ-DQPSK）、相位整型二进制传输（PSBT）和光双二进制码（ODB）等多种码型。随着技术的不断进步以及运营商宽带传送需求的日益迫切，国内外各大运营商均已经开始40G WDM网络的规模建设。中国联通、中国电信已经规模部署和建设40G WDM网络，中国移动也已经于2010年完成了40G的实验室和现网测试，已经开始了商用试点网络的建设和部署。从国外运营商来看，网络规模和业务量较大的运营商，如AT&T、Verizon和NTT等都已经部署和建设了40G商用网络。

借助于40G技术成功商用的经验，100G技术从2007年提出以后发展很快，相应逻辑接口已经趋于标准化后期。100G调制格式目前主要有正交相移键控（QPSK）和正交频分复用（OFDM）2种，但需要在性能、复杂度、可实现性上取得平衡。目前业界已认识到100G码型趋于归一到QPSK码型上，其中PM-QPSK成为主流方案。从2006年开始就已经有一些100G实验室演示及试验网建设。Internet2计划在2011年采用光子集成技术（infinera）和ciena的100G传输设备建设100G骨干网，但100G技术距离真正的规模商用还有一段时间。大部分光器件目前已经达到可商用程度，但相干接收技术中关键芯片ADC和DSP的量产商用还需一段时间，功耗和处理能力需要突破。

2 40G/100G标准化现状

目前主要有ITU-T、IEEE和OIF 3个组织在进行40G和100G的相关标准化工作。ITU-T主要从光传送网的角度对40G和100G技术进行规范；而IEEE主要从业务接口的角度规范40GE/100GE的接口参数；OIF则主要关注于100G长途传输线路接口以及相关电接口的规范。

各主要国际标准化组织在40G/100G的标准化工作如图1所示。ITU-T与IEEE对于40G/100G标准化分工如图2所示。

IEEE于2006年7月成立了高速网络工作组（HSSG），重点对40GE和100GE标准目标进行定义，包括10×10G和4×25G 2种100GE光接口标准。2007年12月，HSSG正式转变为IEEE 802.3ba任务组，其任务是制订在光纤和铜缆上实现40G和100G数据速率的标准，研究内容包括逻辑模块功能、基于光纤长距与短距PMD、基于铜缆PMD等。2010年6月，IEEE P802.3ba正式完成，由多个模块厂商组成的CFP多源协议联盟也发布了客户侧可热插拔光模块硬件和软件接口协议。随着802.3ba的完成，IEEE也启动了串行40GE的标准化工作（IEEE 802.3bg），预计到2011年6月完成。总体而言，IEEE在40GE和100GE上的标准化工作已经趋于完善。

ITU-T于2009年12月更新了OTN接口建议G.709，规范了40G/100G相应的逻辑接口（ODU3和ODU4），相应的物理接口指标在G.959.1中进行定义。同时，随着IEEE对40GE和100GE标准化工作的结束，ITU-T在G.709中还定义了40GE和100GE到OPU3和OPU4的映射协议，规定了单板中的成帧处理要求。可以说，到目前为止，ITU-T对40G和100G的相关标准工作已经趋于完善，这将会在很大程度上促进40G/100G技术的逐步广泛应用。

图1 国际标准化组织40G/100G标准工作进展

图2 ITU-T与IEEE对于40G/100G标准化分工

OIF于2008年9月左右开始研究100G长距离DWDM传输项目，该项目遵从ITU-T定义的112 Gbit/s传输速率，采用DP-QPSK和相干接收机结合的技术来开展100G系统的长距离传输研究，制定100G波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议等规范以推动波分侧接口设计的标准化。目前开展的项目包括100G长距离DWDM传输架构、100G长距离DWDM传输集成光器件、100G DP-QPSK长距离通信的FEC、用于100G长距离DWDM传输的光模块标准、用于甚短距离芯片到模块的接口标准等，目前已完成的IA包括100G长途传输架构、偏振复用正交调整发射器件要求、100G DWDM传输系统用集成相干接收机要求以及100G长途WDM模块电气特性。

与此同时，我国也在积极进行40G/100G的标准化工作。我国的40G/100G传输标准由中国通信标准化协会（CCSA）制定，目前已经完成行标《N×40 Gbit/s光波分复用 （WDM）系统技术要求》（YD/T 1991-2009）、《N×40 Gbit/s光波分复用 （WDM）系统测试方法》（YD/T 2147-2010）。在100G的标准化工作方面，我国也在积极跟踪相关的国际标准的最新进展。目前已经完成标准类研究报告“40G/100G以太网承载和传输技术研究”，行业技术报告“N×100Gbit/s DWDM传输系统技术要求”和研究报告“N×100Gbit/s DWDM系统测试方法”正在研究当中。

40G/100G国内外标准具体进展状态见表1。

3 40G/100G技术发展趋势分析

从技术角度而言，40G技术已经发展成熟，目前40G WDM系统已经在全球规模部署，40G以太网和光传输设备的稳定性和成本已经能够满足大规模商用的需求。未来40G技术的主要发展方向是逐步降低设备及网络应用的成本。在几年之内，将会出现100G WDM的市场需求。今后几年40G技术是长距传输的主流技术，从更长远的角度来看，100G技术则将逐步代替40G技术成为主流的高速新传输商用技术，同时对于100G光传输，支持光传送网（OTN）功能也将是必备的一个能力。

400 Gbit/s及更高速率如1 Tbit/s的长距离WDM传输则是下一代需要攻克的关键速率，更多创新的调制编码及复用技术将会应用到400 Gbit/s传输之上，同时也有可能打破现有WDM系统固定频率间隔的应用传统，采用更小的频率间隔、更宽的波长带宽。高速光通信的后续发展可能集中在以下几个方面。

a） 编码调制技术更复杂：PM-（D）QPSK+相干接收已经成为实现100 Gbit/s速率的主流方案。近年来，已经开始研究将OFDM应用于光通信领域，并取得一定的成果，OFDM可有效对抗光纤中的色散和偏振模色散等并展现了灵活高效的频谱利用和调制，成为100 Gbit/s及以上速率的高速光传输极具潜力的调制编码和复用技术。另外，基于多级相位和幅度集成的正交幅度调制（QAM）技术以及接近香农极限的LDPC编码技术等也将是超高速光传输调制编码的备选技术。

b）多种复用技术的结合：目前已经实现偏振态复用，为了追求更高的速率，通过子载波复用、空间复用等多种技术以实现更高容量。在最近的OFC2011上NEC宣布，在一根7芯光纤上实现了109 Tbit/s（7×97×172 Gbit/s）的传输容量。

表1 40G/100G主要标准完成状态

c）波分系统设计的变革：随着速率的提高，传统的固定频率间隔可能被打破，假设频谱效率为5 bit/s/Hz，那么1T系统的波长谱宽将达到200 GHz。50 GHz间隔无法支持1 Tbit/s的传送，而更高的频谱效率意味着需要更高的OSNR。

d）器件集成度的提高：电子集成电路目前应用普遍，但光子集成还比较少，现在的光通信系统的光器件均为分离的器件，导致设备体积大、耗电大。以光子集成技术为核心技术的英飞朗已经开发出商用WDM系统的400 Gbit/s的光子集成芯片，预计光子集成的密度每3年将会提高一倍，随着集成度的进一步提高，“WDM on chip”将成为可能。

4 结束语

综上所述，40G技术已经成熟并规模商用，未来40G技术的发展主要方向是逐步降低设备及网络应用的成本。100G技术随着关键技术和器件如DSP、ADC的逐渐成熟，预计在2011年中期以后，商用产品会陆续出现。总体来看，今后几年40G技术是长距传输的主流技术，从更长远的角度来看，100G+ODU4则将逐步代替40G系统成为主流的高速新传输商用技术。

［1］Kim Roberts.100G-Key Technology Enablers of 100Gbit/s in Carrier Networks［C］.OFC2011.

［2］Jun Sakaguchi.109-Tb/s(7×97×172-Gb/s SDM/WDM/PDM)QPSK transmission through 16.8-km homogeneous multicore fiber ［C］.OFC2011.

［3］K.Roberts，M.O Sullivan， K.-T.Wu，et al.Performance of dual-polarization QPSK for optical transport systems ［J］.Lightwave Technol.，2009（27）：3546-3559.

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［5］Stephen J.Trowbridge.Scaling the P802.3ba and G.709 Architectures［R/OL］. ［2011-01-20］.http://www.itu.int/dms_pub/itu-t/oth/06/38/T06380000050005PDFE.pdf.