如何理解相干网络解决方案的性能

在光传输领域，各大厂商基本上都有400G，600G和800G相干解决方案。我们知道，相干光传输技术是驱动光网络承载容量和高速服务数量的关键要素，同时也是控制其成本的关键要素。使用不同的波特率，以及通过不同的调制方式或DSP实现，比如说32QAM，64QAM和混合调制….32、56、64，95Gbaud以及更高波特率？他们有什么不同吗？固定网格，弹性栅格，什么是75GHz？ 更重要的是，与之相关的网络含义是什么？对网络的整体系统性能有什么影响？这都是我们需要了解的。

因此，我们需要对其中的Bit比特和Symbol符号，星座图和Baud波特率的关系有一个比较生动和详细的认知。为了阐明这些关系，我们将相干光传输的性能类比于货运，我相信这样会有一个更直观的理解。

设备商使用相干技术的目标是，单根光纤中承载的波长，传输更大的容量的同时具有最大的成本效益。这类似于希望在货运中尽可能地高效，使用可用的卡车和道路资源来承载尽可能多的有效负载一样。

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图1 –相干传输类比货车运输

以上图为例说明，我们以100Gb的以太网客户侧流量通过相干调制解调器承载为例。其客户侧umkk端口接收100Gb以太网业务流量，然后以某种调制技术将其转换为光信号，而该光信号就是我们所说的波长。在这里，每个波长承载一定的吞吐量（例如100Gb / s），以一定的通道间隔占用一定宽度的光谱资源。在当前商用较多的DWDM系统中，主要频谱资源以C波段为主，共有4800GHz可用频谱资源。因此，例如，如果运营商部署具有50GHz固定信道间隔的100G波长，则他们的光纤可以传输96 x 100Gb / s或9.6Tbs的容量。

类比：这类似在一定数量的车道上，具有一定有效载荷的货车，其可运输的总有效载荷就是每辆货车可运载的最大有效载荷乘以卡车数量。

为了提高网络传输的效率，我们希望最大程度地利用现有光纤网络系统的容量。而系统的容量直接取决于调制的每个符号的位数，以及每秒发送和处理的符号数。我们称每秒的符号速率称为波特率。通常我们可以通过以下两种方式来提高系统的容量：

1）使用更复杂的调制方案增加bits/symbol

2）增加波特率，即每秒处理更多符号

我们还是用货运传货输来对比，如下图所示：

图2-增加系统容量和有效载荷平台大小的两种主要方法

增加bits/symbol→添加更多货盘：

而增加bits/symbol意味着需要实现更复杂的调制方案。但是，bits/symbol越高→符号彼此之间越靠近→它们对噪声越敏感→传输距离越短。

在这里，我们可以在DSP中通过强大的编码和前向纠错FEC算法，来校正信号在传播过程中会遇到的线性和非线性损伤（主要是非线性噪声），从而使信号在特定的调制模式下可以传输的更远。DSP算法通常是每个厂家所独有的，这就是为什么不同的产品使用不同的技术，相互之间不能直接对接的原因。

增加bits/symbol类似于增加货车平台上的货盘数量。

货盘越多，卡车上的负载越不稳定，卡车可以行驶的距离也就越短。因此，对于货车来说，就需要一个更强大的引擎和悬架系统来运输更多数量的货盘，这也就与DSP算法所扮演的角色相似。如下图所示。

图3 –增加Bits/Symbol

增加波特率→增加货车平台的载荷尺寸

正如我们所知道的，增加容量的第二种方法是增加波特率Baud，也就是每秒要处理更多符号。这类似于增加货车的载荷平台尺寸，从而使我们可以为每个货盘装载更多的有效载荷。

增加波特率Baud可使我们从单个相干调制解调器中获得更好的系统性能，从而降低每bit成本。这意味着在给定范围内每个信号的容量更大。

当增加波特率时，信号占用的频谱宽度也会增加，就像载荷平台更宽的货车需要更宽的车道一样。如下图所示。

图4 –增加波特率Baud

具有更高波特率的调制解调器对网络性能的影响

增加信号的频谱对网络会造成什么影响？我们知道，现在的光网络是基于固定栅格50GHz或100GH的分合波单元（OMU/ODU），或者波长选择开关（WSS）。固定栅格类OMU/ODU似于道路上的车道是固定的且方向也是固定的，WSS则类似于允许货车沿不同方向行驶的环形交叉路口而合车道宽度还是可以变化的。想象一下这样更加智能的环形交叉路口，交通管理员根据货车的尺寸，灵活地分配车道尺寸，从而使车道更加匹配每辆行驶的货车。

图5 –Fixed Grid和Flexible Grid网络

另外，在我们部署400GG以上及波长速率时，波特率就会达到45Gbaud或者gjq更高，相应的对频谱中的信道间隔的要求就会大于大于50GHz。而基于弹性栅格网络可以通过网管设置为固定的信道间隔，比如说64个75GHz间隔的信道或48个100GHz间隔的信道等。但是，这种方法并不能完全有效和利用整个频谱资源。比如说，当我们需要在50GHz信道间隔上面承载400G速率，类比货车运输，50GHz的车道宽度就不足以让56Gbaud的货车盘通过。又比如，当我们在固定的75GHz信道间隔中要传输100G速率波长时，其35Gbaud左右的波特率又会造成频谱资源的浪费。总而言之，我们需要的是一种可以支持Flex Grid/Flexible信道间隔的系统，能才完美解决这个问题。如下图所示，以货车运输类比，可以很形象的说明。

图6-不同的网络模型

针对相干光学解决方案中不同的波特率。它的选择与设计主要取决于以下两个方面：

单波最大吞吐量，最大传输距离：取决于需要传输的客户流量类型以及客户对网络容量等要求；

具有适当通带以处理新信号的高带宽电光，以及能够以适当采样率工作的数模转换器和模数转换器（DAC/ADC）。

总之，总系统性能：每个信号承载多大容量以及信号可以传播多远，将取决于DSP算法，类似于货车发动机的性能和悬架系统的强度。

下面我们再来说说现在的800G方案，它的波特率最大约95Gbaud，不同厂家可能标称的值有些差异，800G方案可以25G的增量支持从200Ggc到800G的可编程容量速率来运行（可编程意味着可以支持不同的调制方案，从而支持不同的波特率运行）。800G方案之所以选择95Gbaud作为符号率，是因为它在实际短距离（100-200km）时允许最大单波容量为800G，而800G可以有效地承载100GE和400GE业务的倍数。同时，它还允许跨任意距离有效地传输400GE业务，因此400GE可以以单个波长在网络中达到最长的传输距离。

越高的波特率要求更好的DSP性能，也需要相应的高带宽电光和高速转换器，从而才能使单个调制解调器获得更多的吞吐量，并进一步降低每bit成本。就像上面的上面的95Gbaud的调制解调器相对来说是可以改善第bitdn成本的，但是针对不同的速率也需要结合业务需求与传输距离来综合选择。但总的来说，相干系统解决方案的性能最终还是取决于合适可用的DSP技术，以及高速转换器和高带宽电光的可用性。