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      如何理解相干網絡解決方案的性能

      在光傳輸領域,各大廠商基本上都有400G,600G和800G相干解決方案。我們知道,相干光傳輸技術是驅動光網絡承載容量和高速服務數量的關鍵要素,同時也是控制其成本的關鍵要素。使用不同的波特率,以及通過不同的調制方式或DSP實現,比如說32QAM,64QAM和混合調制….32、56、64,95Gbaud以及更高波特率?他們有什么不同嗎?固定網格,彈性柵格,什么是75GHz? 更重要的是,與之相關的網絡含義是什么?對網絡的整體系統性能有什么影響?這都是我們需要了解的。

      因此,我們需要對其中的Bit比特和Symbol符號,星座圖和Baud波特率的關系有一個比較生動和詳細的認知。為了闡明這些關系,我們將相干光傳輸的性能類比于貨運,我相信這樣會有一個更直觀的理解。

      設備商使用相干技術的目標是,單根光纖中承載的波長,傳輸更大的容量的同時具有最大的成本效益。這類似于希望在貨運中盡可能地高效,使用可用的卡車和道路資源來承載盡可能多的有效負載一樣。

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      圖1 –相干傳輸類比貨車運輸 

      以上圖為例說明,我們以100Gb的以太網客戶側流量通過相干調制解調器承載為例。其客戶側umkk端口接收100Gb以太網業務流量,然后以某種調制技術將其轉換為光信號,而該光信號就是我們所說的波長。在這里,每個波長承載一定的吞吐量(例如100Gb / s),以一定的通道間隔占用一定寬度的光譜資源。在當前商用較多的DWDM系統中,主要頻譜資源以C波段為主,共有4800GHz可用頻譜資源。因此,例如,如果運營商部署具有50GHz固定信道間隔的100G波長,則他們的光纖可以傳輸96 x 100Gb / s或9.6Tbs的容量。

      類比:這類似在一定數量的車道上,具有一定有效載荷的貨車,其可運輸的總有效載荷就是每輛貨車可運載的最大有效載荷乘以卡車數量。

      為了提高網絡傳輸的效率,我們希望最大程度地利用現有光纖網絡系統的容量。而系統的容量直接取決于調制的每個符號的位數,以及每秒發送和處理的符號數。我們稱每秒的符號速率稱為波特率。通常我們可以通過以下兩種方式來提高系統的容量:

      1)使用更復雜的調制方案增加bits/symbol
      2)增加波特率,即每秒處理更多符號

      我們還是用貨運傳貨輸來對比,如下圖所示:

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      圖2-增加系統容量和有效載荷平臺大小的兩種主要方法

      增加bits/symbol→添加更多貨盤:

      而增加bits/symbol意味著需要實現更復雜的調制方案。但是,bits/symbol越高→符號彼此之間越靠近→它們對噪聲越敏感→傳輸距離越短。

      在這里,我們可以在DSP中通過強大的編碼和前向糾錯FEC算法,來校正信號在傳播過程中會遇到的線性和非線性損傷(主要是非線性噪聲),從而使信號在特定的調制模式下可以傳輸的更遠。DSP算法通常是每個廠家所獨有的,這就是為什么不同的產品使用不同的技術,相互之間不能直接對接的原因。

      增加bits/symbol類似于增加貨車平臺上的貨盤數量。

      貨盤越多,卡車上的負載越不穩定,卡車可以行駛的距離也就越短。因此,對于貨車來說,就需要一個更強大的引擎和懸架系統來運輸更多數量的貨盤,這也就與DSP算法所扮演的角色相似。如下圖所示。

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      圖3 –增加Bits/Symbol

      增加波特率→增加貨車平臺的載荷尺寸

      正如我們所知道的,增加容量的第二種方法是增加波特率Baud,也就是每秒要處理更多符號。這類似于增加貨車的載荷平臺尺寸,從而使我們可以為每個貨盤裝載更多的有效載荷。

      增加波特率Baud可使我們從單個相干調制解調器中獲得更好的系統性能,從而降低每bit成本。這意味著在給定范圍內每個信號的容量更大。

      當增加波特率時,信號占用的頻譜寬度也會增加,就像載荷平臺更寬的貨車需要更寬的車道一樣。如下圖所示。

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      圖4 –增加波特率Baud

      具有更高波特率的調制解調器對網絡性能的影響

      增加信號的頻譜對網絡會造成什么影響?我們知道,現在的光網絡是基于固定柵格50GHz或100GH的分合波單元(OMU/ODU),或者波長選擇開關(WSS)。固定柵格類OMU/ODU似于道路上的車道是固定的且方向也是固定的,WSS則類似于允許貨車沿不同方向行駛的環形交叉路口而合車道寬度還是可以變化的。想象一下這樣更加智能的環形交叉路口,交通管理員根據貨車的尺寸,靈活地分配車道尺寸,從而使車道更加匹配每輛行駛的貨車。

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      圖5 –Fixed Grid和Flexible Grid網絡 

      另外,在我們部署400GG以上及波長速率時,波特率就會達到45Gbaud或者gjq更高,相應的對頻譜中的信道間隔的要求就會大于大于50GHz。而基于彈性柵格網絡可以通過網管設置為固定的信道間隔,比如說64個75GHz間隔的信道或48個100GHz間隔的信道等。但是,這種方法并不能完全有效和利用整個頻譜資源。比如說,當我們需要在50GHz信道間隔上面承載400G速率,類比貨車運輸,50GHz的車道寬度就不足以讓56Gbaud的貨車盤通過。又比如,當我們在固定的75GHz信道間隔中要傳輸100G速率波長時,其35Gbaud左右的波特率又會造成頻譜資源的浪費??偠灾?,我們需要的是一種可以支持Flex Grid/Flexible信道間隔的系統,能才完美解決這個問題。如下圖所示,以貨車運輸類比,可以很形象的說明。

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      圖6-不同的網絡模型

      針對相干光學解決方案中不同的波特率。它的選擇與設計主要取決于以下兩個方面:

      1. 單波最大吞吐量,最大傳輸距離:取決于需要傳輸的客戶流量類型以及客戶對網絡容量等要求;
      2. 具有適當通帶以處理新信號的高帶寬電光,以及能夠以適當采樣率工作的數模轉換器和模數轉換器(DAC/ADC)。

      總之,總系統性能:每個信號承載多大容量以及信號可以傳播多遠,將取決于DSP算法,類似于貨車發動機的性能和懸架系統的強度。

      下面我們再來說說現在的800G方案,它的波特率最大約95Gbaud,不同廠家可能標稱的值有些差異,800G方案可以25G的增量支持從200Ggc到800G的可編程容量速率來運行(可編程意味著可以支持不同的調制方案,從而支持不同的波特率運行)。800G方案之所以選擇95Gbaud作為符號率,是因為它在實際短距離(100-200km)時允許最大單波容量為800G,而800G可以有效地承載100GE和400GE業務的倍數。同時,它還允許跨任意距離有效地傳輸400GE業務,因此400GE可以以單個波長在網絡中達到最長的傳輸距離。

      越高的波特率要求更好的DSP性能,也需要相應的高帶寬電光和高速轉換器,從而才能使單個調制解調器獲得更多的吞吐量,并進一步降低每bit成本。就像上面的上面的95Gbaud的調制解調器相對來說是可以改善第bitdn成本的,但是針對不同的速率也需要結合業務需求與傳輸距離來綜合選擇。但總的來說,相干系統解決方案的性能最終還是取決于合適可用的DSP技術,以及高速轉換器和高帶寬電光的可用性。


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