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1 引言 上世纪末DWDM技术开始在干线通信中使用并迅速普及。虽然当时DWDM系统的容量只有40×2.5G但实验室中DWDM支持的波道数甚至超过了1000波单波道速率也飙到了惊人的160G超1000波和单波160G是两个独立事件。人们普遍认为有了波分技术加持光纤的容量可能是无限的
随着通信业务的发展如今DWDM系统的容量也逐渐升级到了80×200G80×400G系统也在逐步商用。但此时科研人员却发现光纤的容量越来越难以突破无论是DWDM系统支持的波道数还是单波的速率都受某些因素的限制。 2 光纤容量的计算方法
光纤的容量通常可通过以下两种方法计算。
2.1 从信号复用的维度
从信号复用的维度来看光纤的容量C等于波道数N与单波道速率的乘积。对于相干通信系统单波道速率与光信号的偏振数x、y两个方向、波特率Rs符号速率、每符号比特数log2M有关。光纤的容量C可通过式1计算。
C 2·N·Rs·log2M 式1
式1中M为多阶调制中的调制阶数。但式1忽视了一些限制因素譬如波道数N与波特率Rs受信道带宽B的限制调制阶数M受信噪比SNR的限制。所以根据式1计算的结果可能与实际情况出入较大。 2.2 香农极限
根据香农第二定理偏振复用的相干光通信系统容量可通过式2计算。式2中B为信道带宽SNR为信噪比。
C 2·B·log21SNR 式2
式2中C/B 2·log21SNR表示频谱效率单位为bit/s/Hz。
严格来说光纤的容量只能通过式2计算。但式2并不容易理解因此需将式2与式1中信号的复用维度结合起来才便于理解。 3 香农极限对光纤容量的影响
3.1 信道带宽B的影响
式1中的波道数N和波特率Rs的乘积与信道带宽B存在一定的关系。
3.1.1 波道数N
受光纤非线性效应的制约入纤光功率的最大值是受限的所以同一光纤中承载的波道数N也是受限的。
3.1.2 波特率Rs
波特率Rs的提升会受到2方面的制约。
1电子瓶颈的限制。波特率的提升会导致电信号损耗、功率耗散、电磁干扰等一系列难以解决的问题。现阶段商用芯片能实现的最高波特率约128Gbaud可兼顾容量、功耗、成本方面的优势。
2波道间隔S的限制。信道带宽B除以信道中的波道数N即为波道间隔S。根据奈奎斯特Nyquist第一准则波特率Rs总是小于等于波道间隔S。部分超100G DWDM系统的波特率与波道间隔如表1所示。
表1 部分超100G系统的波特率与波道间隔 调制方式 单波 速率(Gbps) 波特 率(Gbaud) 通道 间隔(GHz) 传输 距离(km) PM-16QAM 200 34 37.5 1000 PM-8QAM 200 44 50 1600 PM-QPSK 200 64 75 2500 PM-16QAM 400 64 75 800 PCS-16QAM 400 92 100 1000 PCS-16QAM 400 107 118.75 2000 PM-QPSK 400 128 150 2000 注PCS为概率星座整形技术 单波道速率一定时提升波特率可相应降低信号编码的调制阶数从而增加系统的传输距离。
3.1.3 信道带宽B
根据波道间隔S的定义S B/N则N B/S代入式1有
C 2·B·Rs/S·log2M 式3
若定义ηRs/S则
C 2·η·B·log2M 式4
即N·Rs η·Bη≤1说明波道数N和波特率Rs的变化总是受限于信道带宽B。
理想情况下η1则式4可写成
C 2·B·log2M 式5
式5和式2在形式上是一致的2·log2M表示频谱效率。从式5可看出光纤的容量与信道带宽B成正比。 3.2 频谱效率的影响
频谱效率是通过采用不同的信号编码实现的。超100G相干光通信系统的信号编码通常包括QPSK、8QAM、16QAM……QAM前面的数字即为调制阶数QPSK的调制阶数为4。更高阶的调制对信道信噪比的要求也越高如图1所示相应地系统支持的最大传输距离也越短。 图1 SRN、调制阶数与频谱效率的关系
从图1可以看出随着SNR的增加频谱效率曲线越来越平坦。所以虽然随着技术的进步SNR还会不断地提升但对光纤容量的影响却越来越有限。 4 写在最后
上文分析了香农极限对普通单芯单模光纤G.652.D或G.654.E容量的影响无论从信道带宽还是从频谱效率来看普通单芯单模光纤容量提升的空间都很有限但通信业务的增速依然强劲普通单芯单模光纤的容量正受到通信业务快速增长的挑战。
由于光缆的使用寿命长达20年以上下一代光纤的容量至少要在现有普通单芯单模光纤的基础上提升10倍以上才能满足通信业务的发展。什么样的光纤才能算下一代光纤多芯光纤算吗我们拭目以待。 参考文献 [1] 习建华. N×200Gbit/s长途传输关键技术及应用探讨
[2] 中兴. 移动干线OTN技术方案研讨
[3] 光通信充电宝. 波特率与带宽的关系
[4] 光通信充电宝. 话说大容量光纤通信 图/文老丁头 审阅李德魁 刘广旭 余嗣兵
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