第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

我们今天生活的时代是信息时代！近年来，“互联网+”被大部分国家认为是第4次工业革命，有望改变传统工业发展方式，进一步促进世界经济增长并重塑社会关系。各国政府为了抢占科技制高点，提出了各自的国家战略，其中，著名的包括德国的“工业4.0”、英国的“英国工业2050战略”、美国的“先进制造业国家战略计划”以及中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。思科年度互联网报告中，互联网用户数量增长预测[1]如图1-1所示，在全球范围内，互联网用户总数预计将从2018年的39亿增长到2023年的53亿，复合年增长率为6%。就人口而言，2018年互联网用户占全球人口的51%，到2023年将会占全球人口的66%。在1992年，全球互联网流量约为每天100GB，在2016年已增加到每秒26.6GB,2022年，全球互联网协议流量达到每秒150.7GB。全球互联网流量的增长主要来自3个方面：首先是基于大数据流的视频，如小米互联网电视和优酷、爱奇艺等数据流服务；其次是云计算和存储，主要用于公司通过具有全球可用性的在线存储进行数据备份和冗余恢复；最后是物联网（Internet of Things,IoT），如智能电表、视频监控、医疗保健监控、运输以及包装或资产跟踪，到2023年，全球每个人将有1.8 个设备进行连接。层出不穷的新应用，对全球互联网提出了新的挑战。

图1-1 互联网用户数量增长预测[1]

互联网是由一个能够在全球传输数据的物理网络基础设施实现的，互联网物理网络结构如图1-2所示，这种复杂的结构可以分为3个层次，即核心网、城域网和接入网[2]。它们的区别在于地理覆盖范围和数据流量、容量。核心网是互联网的骨干网，它由长达数千千米的链路组成，这些链路将一个国家内的大城市和大都市地区连接在一起，或者将不同的国家甚至大陆连接起来。核心网络链路利用最先进的技术确保最佳性能。城域网将主要分布节点连接到最近的核心节点，范围通常为40到几百千米，通常覆盖大城市或大都市地区。光纤通信是一种用于核心网和城域网的成熟技术，因为与其他传输介质相比，光纤提供了无与伦比的带宽，而大量的终端客户利用这些网络链路可以分摊高昂的安装和运营成本。接入网络覆盖从城域网节点到用户的范围，为终端用户提供互联网连接。因此，接入网需要点到多点的连接以便提供适当的地理覆盖，并且由于网络用户数量有限，其受到更严格的成本限制。此外，在接入网中，用户端的设备往往比中心局的设备对成本更敏感，因为它专用于单个客户，并且不在网络用户之间共享。互联网流量的全球增长将影响所有网络层，核心网和城域网已经完全依赖光纤。互联网的发展需要满足用户不断增长的连接和访问、更快的数据速率以及低时延服务的需求。用户通过接入网络与数据中心连接，数据中心再与其他位置数据中心紧密连接。随着流量的不断增长，接入网将出现瓶颈。为了解决这个问题，数据中心互联（Data Center Interconnect,DCI）和接入网都需要更多的带宽。自第一代光纤通信系统以来，强度调制直接检测（Intensity Modulation Direct Detection,IMDD）技术一直是所有光纤通信网络中的主要解决方案。在2007年前后，基于数字相干探测技术的收发机得到了验证和商用，并在许多应用领域迅速取代了IMDD解决方案，特别是在核心网和城域网中。根据电信运营商的需求，已将光纤网络从传统的10Gbit/s系统升级到100Gbit/s或200Gbit/s，并且很快将为核心网和城域网提供400Gbit/s 相干解决方案。目前，相干技术尚未能够将成本差距缩小到终端用户可承受的范围以内，因此IMDD方案仍主导着数据中心互联和接入网的市场。

图1-2 互联网物理网络结构[2]

谷歌、阿里巴巴和腾讯等互联网巨头需要存储、传输和处理大量数据，数据中心的流量出现巨大增长，并推动了对IMDD具有更高数据速率接口的需求，这些内容提供商正在构建自己的数据中心。由于数据流量的爆炸性增长和网络流量的快速增加，数据中心网络从10Gbit/s、40Gbit/s逐渐升级到25Gbit/s、100Gbit/s、400Gbit/s。传统采用电方式互连很难满足数据中心传输带宽和传输速率不断增长的需求，这给光互连技术带来了新的机遇。光传输技术具有带宽大、传输距离长的优点。在数据中心内部和不同数据中心之间使用光互连技术将大大提高数据中心的计算和数据处理能力。在当今的数据中心中，大部分内部连接都使用光互连技术，主要包括服务器与数据中心之间数米范围内交换机之间的连接。巨大的数据流量通过光纤进入数据中心网络，云端数据再通过不同的数据中心共享信息，因此光互连技术不仅用于单个数据中心内部数据传输，也用于不同数据中心间的连接。与电信运营商相比，用于数据中心的光互连技术在市场上的规模将会快速增长。如今，如云计算、视频点播、虚拟和增强现实等新应用要求数据中心互联的容量大大增加，未来全球 IP 数据流量增长的75%将保留在数据中心内。2017年，IEEE 完成了400Gbit/s以太网标准化，发布了IEEE 802.3bs-2017，定义了200Gbit/s（200GBASE）和400Gbit/s （400GBASE）若干标准。400Gbit/s数据中心网络在2019年已进入实际部署，并且到2023年，会进一步向1Tbit/s数据中心网络升级。

为了有效解决接入网带宽需求的增长的问题，无源光网络（Passive Optical Network,PON）不仅必须增加已安装用户的数量，而且还必须增加用户带宽。对于光接入网而言，首先成本是一个非常重要的问题，接入网的成本分摊系数最低，用户单元上的设备对成本最敏感。另一个重要因素是光分配网络（Optical Distribution Network,ODN）的光功率衰减，因为它基于无源分光器（通常是32个或64个用户），并且光纤网络要求是无源的，不允许在线进行光放大。最后，ODN安装是运营商的一项重大投资，因此他们要求每次PON升级都与已安装的ODN兼容。最近，IEEE 802.3ca 工作组正在最终确定25Gbit/s、50Gbit/s 以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network,EPON）标准，通过复用两个波长信道达到50Gbit/s。ITU-T Q2/SG15已经开始了一系列高速PON标准化过程，包括单波长50G-PON。25Gbit/s光电器件的可用性在很大程度上由数据中心互联市场（100GbE）驱动。随着数据中心内部互联大量涌现，25Gbit/s光电器件已经成熟并且具有足够的成本效益，可用于25G-PON。出于成本和功耗方面的考虑，基于IMDD的接口模块简单，对于网络运营商来说，基于IMDD的光电器件便宜，芯片尺寸小及功耗最小，可以将运营支出保持在较低水平。

综合上述研究背景，短距离光通信主要由数据中心和光接入网驱动，已成为国内外研究的重点和热点。短距离光纤传输系统基于IMDD的接收机以及其他低成本和小尺寸光电器件。随着数据中心和接入网流量的增加，系统带宽限制、光纤传输损伤和光电器件非线性损伤等对短距离传输带来的影响越来越严重。本书围绕高速短距离光纤传输系统的先进数字信号处理技术展开研究，针对数据中心光互连研究了带宽受限100Gbit/s 传输系统和高阶脉幅调制（Pulse-Amplitude Modulation,PAM）非线性损伤，提出了基于高阶PAM概率整形技术的200Gbit/s光互连方案；针对 PON，研究了基于带宽受限器件的100G-PON和对称50G-PON系统，提出了一种基于强度调制相干检测的200G-PON方案，以上各项研究可以满足低成本实现高速短距离传输的需求。