40G WDM關(guān)鍵指標(biāo)及技術(shù)解決方案

張 濤，喬月強(qiáng) （.上海貝爾股份有限公司，北京 0005；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 前言

2008年以來(lái)，40G WDM技術(shù)迅速在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，移動(dòng)、電信、聯(lián)通三大運(yùn)營(yíng)商均實(shí)施了省際干線的80×40G WDM項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)40G WDM技術(shù)應(yīng)用已由少量波長(zhǎng)試用轉(zhuǎn)向大規(guī)模布署。40G WDM建設(shè)時(shí)需要考慮40 Gbit/s的線路碼型、OSNR等幾種關(guān)鍵指標(biāo)。阿爾卡特朗訊是40G WDM產(chǎn)品的重要供應(yīng)商之一，因此，了解其40G WDM解決方案及技術(shù)特點(diǎn)具有重要的參考意義。

1 40 Gitb/s線路碼型的選擇

單波10、2.5 Gbit/s速率的波分系統(tǒng)常使用幅度調(diào)制和直接調(diào)制，由于噪聲和色散等因素與速率成正比或是成正比平方關(guān)系，這種方式在40G WDM系統(tǒng)中已難以實(shí)現(xiàn)與10G WDM相同的跨段能力。從各廠家的最后選擇來(lái)看，除了采用相位調(diào)制方式外，多樣性的線路碼型也是40G WDM系統(tǒng)一個(gè)特點(diǎn)，這是各廠商權(quán)衡技術(shù)難度、適用場(chǎng)景、成本等因素的結(jié)果。截至目前，國(guó)內(nèi)40G WDM項(xiàng)目主要由中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信建設(shè)，應(yīng)用的碼型主要有基于相位調(diào)制的部分差分相移鍵控 （P-DPSK）和歸零差分正交相移鍵控 （RZDQPSK）2種。

2 40G WDM國(guó)標(biāo)規(guī)定的主要關(guān)鍵指標(biāo)

自20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)引入2.5 Gbit/s速率的波分系統(tǒng)以來(lái)，OSNR一直作為重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，但OSNR并不與誤碼率直接對(duì)應(yīng)，OSNR是光層面上的考量，而誤碼率是經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換之后的結(jié)果；而且隨波分系統(tǒng)線路速率的提高，在線OSNR精確檢測(cè)的成本越來(lái)越高，如何使用誤碼率及與之直接關(guān)聯(lián)的Q值來(lái)衡量波分系統(tǒng)的性能越來(lái)越受到關(guān)注。

2.1 OSNR指標(biāo)要求

最新頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《N×40 Gbit/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》（YD/T 1991-2009），詳細(xì)列出了OSNR要求，包括2類指標(biāo)：接收機(jī)光信噪比容限（EOL）和MPI-RM點(diǎn)每通路最小光信噪比。前者可以形象地理解成OTU的能力，下文簡(jiǎn)稱 “背靠背OSNR”，后者可以理解成經(jīng)過(guò)光路損傷后光信號(hào)的完好程度，下文簡(jiǎn)稱“過(guò)系統(tǒng)OSNR”。2類指標(biāo)有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者值之間的差值要求為4.5～5 dB。其中包含了2部分內(nèi)容：第一部分是通道OSNR代價(jià)（2 dB）；第二部分是系統(tǒng)OSNR裕量（2.5～3 dB）。另外接收機(jī)還包含0.5 dB老化裕量，即背靠背OSNR容限BOL值與EOL值之間的差值，因此通道OSNR裕量（BOL）至少應(yīng)該達(dá)到 3～3.5 dB。

YD/T 1991-2009對(duì)不同線路碼型的OSNR要求不一。其實(shí)，各廠家的技術(shù)存在差異，即使使用同一線路碼型，其設(shè)備的性能，包括背靠背OSNR，也不盡相同。因此說(shuō)，兩者的差值更能體現(xiàn)系統(tǒng)的富裕量。比如，OTU的能力越強(qiáng)（對(duì)應(yīng)的背靠背OSNR值越低），就可以允許光信號(hào)在光通道的損傷程度大一些 （過(guò)系統(tǒng)OSNR值低），但要保證兩者間的差值，保證系統(tǒng)有足夠的裕量。［1］

2.2 誤碼率及裕量指標(biāo)要求

OSNR不能直接體現(xiàn)傳輸性能，并且對(duì)于40G WDM系統(tǒng)，采用常規(guī)OSNR測(cè)試方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試，新的測(cè)試方法又尚不成熟，這給40G WDM系統(tǒng)中采用OSNR指標(biāo)進(jìn)行在線運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了不便。因此有必要引入一種便于在線評(píng)估40G WDM系統(tǒng)性能的輔助指標(biāo)，以進(jìn)一步增強(qiáng)40G WDM系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)能力。Rn參考點(diǎn)糾錯(cuò)前誤碼率（Pre-FEC BER）則是滿足上述要求的有效輔助手段之一。

誤碼率（BER）是衡量一個(gè)數(shù)字傳輸系統(tǒng)最本質(zhì)的參數(shù)，但是在低誤碼率傳輸系統(tǒng)中，BER的準(zhǔn)確測(cè)試需要非常長(zhǎng)的時(shí)間，使用起來(lái)極其不便，與誤碼率有對(duì)應(yīng)關(guān)系的Q值則可以很好地反映系統(tǒng)的實(shí)際誤碼率，既包括了光通路也包括了光電轉(zhuǎn)換后的性能，故更準(zhǔn)確。Q值可定義為

式中：

μ1——接收機(jī)接收到的“1”信號(hào)的電流/電壓平均值

μ2——接收機(jī)接收到的“0”信號(hào)的電流/電壓平均值

σ1——接收機(jī)接收到的“1”信號(hào)的電流/電壓標(biāo)準(zhǔn)差

σ2——接收機(jī)接收到的“0”信號(hào)的電流/電壓標(biāo)準(zhǔn)差

與OSNR裕量的概念相仿，YD/T 1991-2009使用了Q值裕量，或理解為誤碼率裕量，即系統(tǒng)當(dāng)前的Q值與在極限狀態(tài)下系統(tǒng)剛剛滿足輸出無(wú)誤碼時(shí)Q值的差值，在YD/T 1991-2009附錄中提到的Q值裕量為3~3.5 dB。在YD/T 1991-2009中，對(duì)于EFEC，要求應(yīng)實(shí)現(xiàn)2E-3線路隨機(jī)碼的糾錯(cuò)，同時(shí)對(duì)于EFEC光通道工程設(shè)計(jì)，要求最大糾前誤碼率閾值為1E-5，兩者對(duì)應(yīng)的Q值分別為9.2和12.6 dB，據(jù)此，可推出Q值裕量（或說(shuō)誤碼率裕量）為3.4 dB。

如果一個(gè)波分系統(tǒng)的極限糾錯(cuò)能力達(dá)不到2E-3，要保證這個(gè)裕量，則進(jìn)入FEC前的誤碼率必須更低；相反，如果系統(tǒng)的FEC的糾錯(cuò)能力強(qiáng)，應(yīng)允許進(jìn)入FEC前的誤碼率更差一些。比如，阿爾卡特朗訊波分系統(tǒng)所用的FEC的極限糾錯(cuò)前的誤碼率為4E-3，對(duì)應(yīng)的Q值約為8.5 dB，如果仍保證1E-5的入FEC誤碼率，則對(duì)應(yīng)Q值為12.6 dB，系統(tǒng)的誤碼率裕量為4.1 dB，這時(shí)應(yīng)允許入FEC的誤碼率差一些。

從技術(shù)的角度講，基于誤碼率的裕量對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更有意義，原因有三。第一：相對(duì)于OSNR裕量，誤碼率裕量?jī)H包括了富裕值而不包括代價(jià)部分，誤碼率裕量更精確地衡量了系統(tǒng)用于維護(hù)和防范波分系統(tǒng)老化的富裕情況，這可能是標(biāo)準(zhǔn)中誤碼率裕量不再區(qū)分光放段數(shù)量差異的一個(gè)原因。第二：誤碼率裕量與FEC的糾錯(cuò)前誤碼率直接相關(guān)，可通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出，而糾錯(cuò)前誤碼率與糾錯(cuò)后誤碼率的對(duì)應(yīng)關(guān)系有比較明確的曲線對(duì)應(yīng)，能比OSNR更準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)用戶側(cè)的誤碼率。第三：OSNR精確在線檢測(cè)越來(lái)越難，使得更有可能選擇誤碼率或誤碼率裕量在線檢測(cè)方案。

3 40G WDM技術(shù)

3.1 阿爾卡特朗訊的40G WDM碼型

阿爾卡特朗訊40G WDM系統(tǒng)可以提供PSBT、PDPSK和PDM-BPSK 3種線路碼型，分別適用于本地網(wǎng)、省內(nèi)省際骨干網(wǎng)、超長(zhǎng)距骨干網(wǎng)的應(yīng)用。

3.2 阿爾卡特朗訊的FEC

不同編碼FEC的糾錯(cuò)能力差異較大，ITU-T標(biāo)準(zhǔn)G.975-1定義了8種不同的FEC編碼方式，最強(qiáng)糾錯(cuò)能力達(dá)到4.6E-3，部分FEC編碼最大糾錯(cuò)能力還達(dá)到Y(jié)D/T 1991-2009規(guī)定的2E-3。阿爾卡特朗訊的波分產(chǎn)品采用G.975.1定義的第8類FEC編碼I.9，雙路間插擴(kuò)展BCH （1020，988），這種編碼的開(kāi)銷冗余約為6.69%，與G.975或G.709/Y.1331定義的開(kāi)銷比例相符［2］。 這種 FEC 的糾錯(cuò)曲線及與標(biāo)準(zhǔn) RS（255，239）FEC 的糾錯(cuò)曲線的對(duì)比參見(jiàn)圖 1［2］。

圖1 BCH（1020，988）與 RS（255，239）糾錯(cuò)曲線

阿爾卡特朗訊所用的FEC在滿足1E-12的輸出時(shí)，其最大輸入糾錯(cuò)能力達(dá)到4E-3［2］，完全滿足YD/T 1991-2009規(guī)定的2E-3，當(dāng)系統(tǒng)的糾前誤碼率滿足YD/T 1991-2009規(guī)定的1E-5時(shí)，系統(tǒng)的裕量約為4.1 dB。

3.3 P-DPSK及PMDC方案

從項(xiàng)目應(yīng)用來(lái)看，P-DPSK碼型和RZ-DQPSK碼型基于衰耗的跨段能力相仿，但由于線路碼型波特率的因素，RZ-DQPSK碼型的DGD容限比P-DPSK碼型的高。

阿爾卡特朗訊的P-DPSK碼型在1 dB OSNR代價(jià)下的DGD容限可達(dá)到7.5 ps，如遇到光纜及系統(tǒng)累計(jì)的DGD大于7.5 ps時(shí)，可以考慮采用額外的OSNR代價(jià)或者配合采用PMDC板卡2種方案。圖2和圖3的數(shù)據(jù)引自某運(yùn)營(yíng)商的驗(yàn)收測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)，反映了2種DGD補(bǔ)償技術(shù)方案的特點(diǎn)。

OSNR補(bǔ)償方案是指一個(gè)光復(fù)用段總的DGD超過(guò)7.5 ps，過(guò)系統(tǒng)OSNR與背靠背OSNR差值超過(guò)4.5/5 dB的部分可以用來(lái)補(bǔ)償超標(biāo)的DGD。這種方法無(wú)需增加硬件，不增加成本，不足之處是補(bǔ)償?shù)腄GD范圍有限，當(dāng)DGD超過(guò)12 ps后，所需的OSNR劇增。另一種方案是采用PMDC板卡補(bǔ)償；從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到，P-DPSK配合PMDC方案允許的DGD容限稍優(yōu)于RZ-DQPSK碼型；由于需要增加PMDC硬件，相應(yīng)要增加成本。

圖2 無(wú)PMDC的OSNR代價(jià)

圖3 有PMDC的OSNR代價(jià)

圖4、圖5是2008年以來(lái)國(guó)內(nèi)的40 Gbit/s省際干線DGD統(tǒng)計(jì)情況，表中DGD數(shù)據(jù)以光復(fù)用段為計(jì)算單位，包括光纜及設(shè)備部分所有DGD，設(shè)備部分根據(jù)阿爾卡特朗訊設(shè)備數(shù)據(jù)計(jì)算，分別列出累計(jì)公里數(shù)和光復(fù)用段數(shù)量的分布情況?？梢钥闯?，在40G WDM國(guó)內(nèi)省際干線上仍會(huì)遇到一小部分 （累計(jì)公里數(shù)和光復(fù)用段數(shù)量分別占10%和6%）超過(guò)12 ps的場(chǎng)景，采用P-DPSK板卡時(shí)，這部分項(xiàng)目極可能需要采用PMDC的補(bǔ)償方案。

圖4 基于OMS的DGD長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)

圖5 基于OMS的DGD數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖4和圖5統(tǒng)計(jì)的40G WDM項(xiàng)目中，約有31%的光復(fù)用段的光纜等效PMD大于0.1 ps·km1/2，在新的ITU-T建議中，將G.652、G.655的B類和D類光纖的PMD 修訂為 0.2 ps·km1/2［3-4］， 光纖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定更嚴(yán)格，要求如果系統(tǒng)要支持40G WDM系統(tǒng)400 km的應(yīng)用，成纜的PMD應(yīng)不大于0.1 ps·km1/2，國(guó)內(nèi)各運(yùn)營(yíng)商均已在干線上執(zhí)行這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。因此可以相信，國(guó)內(nèi)干線的PMD指標(biāo)會(huì)越來(lái)越好。

3.4 相干檢測(cè)方案

如果40G WDM要在北京、武漢、廣州、上海間建超長(zhǎng)距直達(dá)系統(tǒng)，必須要求更遠(yuǎn)的跨段能力，目前來(lái)看，P-DPSK和RZ-DQPSK的跨段能力無(wú)法滿足，需要利用相干檢測(cè)配合極化復(fù)用提供更長(zhǎng)跨段能力。

相干檢測(cè)在接收側(cè)采用高精度的同頻率激光信號(hào)與接收信號(hào)混合，通過(guò)同頻相干原理，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，并對(duì)相干產(chǎn)生的信號(hào)幅度、相位、極化模諸多信息作進(jìn)一步處理，恢復(fù)經(jīng)過(guò)線路損傷的原始信號(hào)。由于恢復(fù)后的信號(hào)既有幅度，也包含了偏振態(tài)和相位信息，可以在接收端電域?qū)崿F(xiàn)對(duì)色度色散、極化模色散補(bǔ)償。

中心城市間的無(wú)電中繼直達(dá)方案如以北京、武漢、上海、廣州為例，平均起來(lái)，2個(gè)相鄰中心城市間經(jīng)過(guò)2個(gè)省會(huì)城市；這也意味著，與現(xiàn)有的80×40G系統(tǒng)相比，超長(zhǎng)距方案每個(gè)光復(fù)用段可以少設(shè)2個(gè)再生站。以現(xiàn)有的40G WDM系統(tǒng)集成度，按80波滿配，這2個(gè)站少設(shè)20個(gè)左右的600×300標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架。由此，機(jī)房占地、電源消耗、空調(diào)消耗、維護(hù)人員的成本將大大下降。

相干檢測(cè)方案的DGD容限很高，例如YD/T 1991-2009規(guī)定的DP-QPSK碼型在1 dB代價(jià)時(shí)，DGD容限可以達(dá)到75 ps，這帶來(lái)了另一種應(yīng)用場(chǎng)景。國(guó)內(nèi)西部部分省際干線段落光纜敷設(shè)得早，DGD的指標(biāo)很差，光復(fù)用段的累計(jì)DGD超過(guò)PMDC配合PDPSK方案及RZ-DQPSK碼型方案的極限D(zhuǎn)GD能力，這時(shí)可以用相干檢測(cè)方案。

差分檢測(cè)系統(tǒng)中，除在端站和光放站作色度色散補(bǔ)償外，還需要內(nèi)置TDCM逐波長(zhǎng)精細(xì)補(bǔ)償，通常TDCM的響應(yīng)時(shí)間是min級(jí)；主備路由有一定差異時(shí)，系統(tǒng)可能被TDCM拖累，增加業(yè)務(wù)倒換需要的時(shí)間。采用相干檢測(cè)時(shí)，色散補(bǔ)償在電域?qū)崿F(xiàn)，不需要內(nèi)置TDCM，不會(huì)因此造成長(zhǎng)時(shí)間業(yè)務(wù)損傷。

未來(lái)波分系統(tǒng)可以加入控制平面，當(dāng)采用ROADM方式作路由保護(hù)、恢復(fù)時(shí)，局部的光纜往往對(duì)全局性能造成影響。如果系統(tǒng)中間少量光纜的DGD指標(biāo)差，將導(dǎo)致無(wú)論光纜衰耗多小，采用P-DPSK和RZDQPSK碼型方案必須在中間中繼2次或以上，而采用相干檢測(cè)可將光復(fù)用段減少至1個(gè)，減少波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量。同時(shí)相干檢測(cè)無(wú)TDCM補(bǔ)償，又可提高業(yè)務(wù)的故障保護(hù)、恢復(fù)速度，提高業(yè)務(wù)可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

40G WDM設(shè)備在國(guó)內(nèi)干線上已規(guī)模應(yīng)用，采用的設(shè)備廠家主要有阿爾卡特朗訊、華為、中興、烽火等，各廠商采用的40G WDM技術(shù)方案不盡相同，運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行選擇時(shí)需權(quán)衡建設(shè)成本、技術(shù)成熟度、應(yīng)用場(chǎng)景等因素綜合考慮。本文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，列出并分析了YD/T 1991-2009給出的40G WDM系統(tǒng)的主要指標(biāo)，同時(shí)對(duì)阿爾卡特朗訊40G WDM系統(tǒng)FEC、PMDC、相干檢測(cè)等主要技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了應(yīng)用場(chǎng)景建議。

［1］YD/T 1991-2009 N×40 Gbit/s光波分復(fù)用 （CWDM）系統(tǒng)技術(shù)要求［S/OL］.［2011-02-11］.http://www.bzxz.net/bzxz/151160.html.

［2］G.975.1 （02/2004）Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems［S/OL］.［2011-02-11］.http://www.catr.cn/radar/itut/201007/P020100707621029951507.pdf.

［3］G.652（11/2009）Characteristics of a single-mode optical fibre and cable［S/OL］. ［2011-02-11］.http://www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx?id=10389.

［4］G.655 （11/2009）Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre and cable ［S/OL］.［2011-02-11］.http://www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx?id=10390.