100G波分在城域網(wǎng)中的應用研究

中國移動通信集團設(shè)計院有限公司陜西分公司咨詢設(shè)計一所 張云飛

1.引言

波分傳輸技術(shù)一直沿著更高傳輸容量、更長傳輸距離和更低比特傳輸成本的方向發(fā)展，并已由傳統(tǒng)的WDM波分進一步進化為OTN波分，伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速增長和寬帶化應用的增加，前期OTN網(wǎng)絡(luò)在城域網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)進行了規(guī)模部署。預計2013年，隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在數(shù)據(jù)流量繁忙的骨干網(wǎng)上，已經(jīng)規(guī)模使用的10G波分傳輸系統(tǒng)將日趨呈現(xiàn)帶寬緊張的趨勢。此外，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的100GE或者相應的POS接口的出現(xiàn)，對傳輸承載網(wǎng)的帶寬提出了更高的要求。骨干傳輸網(wǎng)要求支持100G傳輸?shù)男枨笤絹碓綇姟?/p>

本文以某地市熱點地區(qū)城域骨干網(wǎng)OTN系統(tǒng)為例，分析網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，探討后期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

2.骨干層OTN現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

現(xiàn)網(wǎng)所部署的OTN網(wǎng)絡(luò)主要作為城域傳送網(wǎng)的匯聚層及IP城域網(wǎng)的骨干網(wǎng)，承載PTN、OLT等上行業(yè)務(wù)及部分大顆粒專線業(yè)務(wù)，還為IP城域網(wǎng)各節(jié)點路由器之間提供高可靠性的傳輸鏈路，如圖2.1-1所示。

2.2 主要承載業(yè)務(wù)分析

2.2.1 業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

系統(tǒng)一般配置為40波*10G，滿配容量400G，詳細如下：

專線業(yè)務(wù)主要承載核心機房之間的IP承載網(wǎng)/CMNet業(yè)務(wù)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)到市的大顆粒專線業(yè)務(wù)；

PTN業(yè)務(wù)主要承載2G、3G基站業(yè)務(wù)回傳至核心機房落地和部分小顆粒專線；

OLT業(yè)務(wù)主要承載各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、各縣的OLT上行業(yè)務(wù)；

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要承載SR/BRAS縣到市的業(yè)務(wù)；

2.2.2 業(yè)務(wù)特點

本地網(wǎng)是地市所轄行政區(qū)域內(nèi)，承擔所有城市內(nèi)/縣/鄉(xiāng)業(yè)務(wù)節(jié)點到城域核心節(jié)點業(yè)務(wù)流量的承載網(wǎng)絡(luò)，其骨干層OTN所承載業(yè)務(wù)具有以下特點：

●現(xiàn)網(wǎng)上有大量的GE業(yè)務(wù)，來自寬帶接入和大客戶接入的GPON設(shè)備上行，接入層PTN設(shè)備的上行（2G/3G業(yè)務(wù)）。

●有一定量2.5G/10GE POS業(yè)務(wù)，來自IP城域網(wǎng)各節(jié)點路由器之間傳輸需求，要求OTN層面高可靠的保護，不要求匯聚。

●有少量的MSTP網(wǎng)絡(luò)STM-N信號，OTN替代裸光纖使用。

●各個城市內(nèi)/縣/鄉(xiāng)業(yè)務(wù)節(jié)點的業(yè)務(wù)以多數(shù)以雙歸屬方式流向兩個城域核心出口。

●核心節(jié)點間存在一定量的業(yè)務(wù)，各個匯聚環(huán)/接入環(huán)之間存在少量點對點業(yè)務(wù)，有調(diào)度需求。

●3G/4G基站業(yè)務(wù)要求OTN能夠透傳1588V2時間同步信息或同步以太網(wǎng)。

●各業(yè)務(wù)QoS要求不同，有的業(yè)務(wù)需要高可靠性O(shè)DUk保護，有的不需要保護。

●統(tǒng)計復用業(yè)務(wù)較多，有一定的彈性承載需求。

2.3 后期發(fā)展建議

未來2G/3G業(yè)務(wù)的新增需求仍將長期存在，其承載方式也統(tǒng)一為PTN承載。結(jié)合三年滾動規(guī)劃的發(fā)展目標及前期本地區(qū)的2G/3G新增業(yè)務(wù)占比，現(xiàn)有OTN系統(tǒng)完全可以滿足截止2013年底的2G/3G新增基站業(yè)務(wù)量。表2.3-1為某地市三年滾動規(guī)劃中的波道利用預測：

雖然現(xiàn)網(wǎng)O T N 系統(tǒng)整體利用率僅為46%，但考慮到未來LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來的帶寬激增及其他城域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬需求的沖擊，2014底年波道利用率將達到81.5%，超過80%的網(wǎng)絡(luò)擴容升級臨界值，并且現(xiàn)網(wǎng)存在個別環(huán)網(wǎng)節(jié)點過多的安全隱患。為避免未來兩個波分系統(tǒng)間業(yè)務(wù)的大量割接，并且在10G波分系統(tǒng)預留一定量波道為有雙平面承載要求的業(yè)務(wù)提供高可靠保護，本文建議在進行大規(guī)模LTE建設(shè)前率先引入更大容量的40*100G OTN系統(tǒng)，可結(jié)合與LTE配套PTN的擴容工程同步建設(shè)，未來兩個OTN系統(tǒng)可形成雙平面，對于重要的大顆粒業(yè)務(wù)可實現(xiàn)雙平面保護和負荷分擔。

3.N*10G、N*40G、N*100G技術(shù)比較

第一代OTN 10G設(shè)備支持ODU0/1/2交叉顆粒，交叉容量小于1T，雖在現(xiàn)網(wǎng)大規(guī)模部署，但不足以應對未來業(yè)務(wù)流量的增長需求。城域網(wǎng)需要新建更高速率更大容量的OTN網(wǎng)絡(luò)。

第二代OTN 40G設(shè)備支持ODU0/1/2/2e/3交叉顆粒，交叉容量達到1T以上，但其自身的技術(shù)缺陷限制了其發(fā)展：

●對系統(tǒng)OSNR、色散、非線性要求苛刻，傳輸能力差

●對線路偏振模色散PMD要求較高，對光纖線路有限制

●存在多種調(diào)制方式，系統(tǒng)設(shè)計復雜

●對系統(tǒng)OSNR等參數(shù)的監(jiān)測能力不及10G系統(tǒng)

●復用段層保護不能達到電信級要求，保護能力不如10G、100G系統(tǒng)

另外40G系統(tǒng)開通后光纖參數(shù)會隨著環(huán)境發(fā)生變化，影響系統(tǒng)性能，后期維護工作量大。新建40G系統(tǒng)，其系統(tǒng)維護的復雜度和網(wǎng)絡(luò)維護成本都將比10G系統(tǒng)要高。

第三代OTN 100G設(shè)備的引入不僅大幅提高帶寬速率，在城域網(wǎng)骨干層應用并部署支路線路分離的OTN系統(tǒng)，為GE/10GE等各種顆粒業(yè)務(wù)提供匯聚、交叉，可以滿足現(xiàn)網(wǎng)各種類型業(yè)務(wù)的承載，實現(xiàn)100G的高速帶寬復用。100G系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

●采用統(tǒng)一解決方案：偏振復用-正交相移鍵控(PM-QPSK)+相干光接收

●調(diào)制解調(diào)標準單一，有利于光電器件的開發(fā)供貨和快速市場部署

●相干接收可使100G超過1000km無電中繼傳輸不需要色散補償和PMD補償，大大方便了工程部署和網(wǎng)絡(luò)運維

●100G具有與現(xiàn)存的10G系統(tǒng)相當?shù)膫鬏斝阅埽⒓嫒?0G波分系統(tǒng)（工程設(shè)計規(guī)則、光放大器、保護方式等）

●可以消除100G路由器部署的障礙，加速100G路由器的規(guī)模部署

●系統(tǒng)色度色散容限更好：＞800ps/nm

●系統(tǒng)偏振模色散PMD容限更好：＞10ps DGD

●采用PM-QPSK調(diào)制技術(shù)和相干接收，并結(jié)合高編碼增益的前向糾錯(FEC)技術(shù)，電域信號處理替代原有色散補償，建設(shè)與運維更加便捷。如圖3-2所示。

綜合上述內(nèi)容，100G波分與現(xiàn)網(wǎng)10G波分相比具有更好的色散容限，實驗室測試在2000公里內(nèi)可不進行色散補償，因此在城域范圍內(nèi)組網(wǎng)時可不考慮進行色度色散和偏振模色散的補償，大大降低組網(wǎng)難度，加快網(wǎng)絡(luò)部署進度。

但由于采用新的數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)帶來的非線性效影響相較10G系統(tǒng)要多，為避免更嚴重的非線性效應影響，100G系統(tǒng)發(fā)送端輸出光功率最高限制在1dBm，而原有10G系統(tǒng)的輸出光功率可達8dBm，兩者相差7dB。根據(jù)原有10G系統(tǒng)的建網(wǎng)經(jīng)驗，現(xiàn)有G.652光纖衰耗系數(shù)在0.3dB每公里左右，因此相同系統(tǒng)條件下，100G系統(tǒng)的光中繼段距離理論上比10G系統(tǒng)少23.3公里左右。

圖2.1-1 OTN網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)網(wǎng)應用示意圖

圖3-1 100G相干調(diào)制與FEC示意圖

4.N*100G在現(xiàn)網(wǎng)應用的條件

目前已有多家設(shè)備商包括華為、中興、阿朗、諾西等推出N*100G的OTN產(chǎn)品，也有其他運營商在國內(nèi)完成100G波分設(shè)備的入網(wǎng)商用。

隨著100G的基本成熟和商用，運營商也希望加快推進100G應用部署的步伐。根據(jù)某運營商發(fā)布的建設(shè)指導意見，也明確目前限制40G波分的應用，100G測試及試點的完成會加速100G的商用部署，并將導致100G迅速替代40G應用需求，完成從10G到100G的直接跨越。

5.規(guī)劃和建設(shè)中需重點關(guān)注的問題

5.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲及網(wǎng)元類型

環(huán)網(wǎng)主要包含OTM站點、OLA站點等，為方便光層業(yè)務(wù)調(diào)度，可將部分站點配置為ROADM類型。

5.2 網(wǎng)絡(luò)保護策略

為保證OTN網(wǎng)絡(luò)的安全可靠，可采用多種保護方式，主要如表5.2-1。

建議根據(jù)光纜建設(shè)情況考慮進行OLP光線路保護部署，要求具備備用光纜路由而且主備通道差異門限應小于5dB；對現(xiàn)網(wǎng)PTN/OLT上行、IP城域網(wǎng)等重要業(yè)務(wù)進行ODUk SNCP保護；對于重要專線業(yè)務(wù)可考慮進行客戶側(cè)1+1保護；少量的STM-N信號可不進行保護。

表2.3-1 某地市未來兩年業(yè)務(wù)預測表

表5.2-1 OTN網(wǎng)絡(luò)保護方式

5.3 光功率

100G波分系統(tǒng)具有與10G系統(tǒng)相似的光功率要求。由于目前已知的有光纖距離和光纖類型，因此可做如下估算：

線路衰耗=光纖長度×0.3dB/km(G.652光纖衰耗系數(shù))+3dB(光纖老化余量)+光纖跳轉(zhuǎn)站點的衰耗(按0.5dB/站考慮)

以神木—石拉溝段為例，線路衰耗=60km×0.3dB/km+3dB+0.5dB*2=22dB。

根據(jù)所配置設(shè)備的發(fā)送和接受光功率指標，再考慮如何配置光放大設(shè)備。

5.4 色散

傳統(tǒng)10G波分中色散因素主要考慮色度色散和偏振模色散參數(shù)，在實際工程中主要考慮色度色散，在長距離傳輸?shù)那闆r下，需根據(jù)色散估算值采用色散補償模塊（DCM）進行補償。

色散受限距離(km)=色散容限(ps/nm)/色散系數(shù)(ps/nm.km)

對于10Gb/s系統(tǒng)，當光復用段距離大于40km(G.652光纖)或133km(G.655光纖)時，就需要配置DCM。

100G系統(tǒng)采用正交相移鍵控QPSK調(diào)制技術(shù)后所產(chǎn)生的信號與10G系統(tǒng)調(diào)制數(shù)字信號不同，原有10G系統(tǒng)信號通過高低電平來判決0和1，而100G系統(tǒng)信號在接收端通過相位來區(qū)分0和1。由于色散能夠影響數(shù)字信號的脈沖展寬或者收窄，從而造成接收端判決抽樣時出錯；而采用相位信息來傳遞0/1信息的信號基本不受其影響，因為信號傳遞的只是相位信息，不存在脈沖寬度的概念，只要相位判決正確，接收機就能準確恢復出正確的0/1序列。因此采用QPSK調(diào)制技術(shù)的100G信號對光纖帶色散要求比10G波分系統(tǒng)要低很多。在城域范圍組網(wǎng)時光中繼段不必進行類似10G系統(tǒng)的色散補償。

5.5 光信噪比

OSNR（光信噪比Optical Signal to Noise Ratio）與光功率預算和配置的光放大器有關(guān)；可使用相關(guān)計算工具算出OSNR值；不同OTU的OSNR容限不同；當計算出來的OSNR值不滿足OTU的OSNR要求時，可以考慮使用拉曼放大器、更高輸出光功率的放大器或增加中繼站等。

OSNR(dB)

=P信號(dBm) -P噪聲(dBm)

5.6 非線性效應

非線性效應的影響通常作為附加的OSNR代價，10G規(guī)劃時，一般考慮2dB的OSNR冗余作為非線性效應的影響；而且系統(tǒng)初始提供OSNR容限時，已經(jīng)加入了2dB的非線性代價。考慮到100G系統(tǒng)非線性效應的影響相較10G系統(tǒng)要高，建議按3dB冗余代價來考慮。

6.結(jié)論

綜合上述內(nèi)容，城域光纜網(wǎng)基礎(chǔ)資源建設(shè)的日趨完善和100G波分系統(tǒng)的成熟商用，為即將開始的LTE承載網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)和其他寬帶化業(yè)務(wù)的承載提供了可行性很高的建設(shè)方案，100G波分系統(tǒng)在地市城域網(wǎng)骨干層的布局難度要小于40G波分系統(tǒng)，且能帶來更高效率和大容量的傳輸能力，為今后網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和全業(yè)務(wù)競爭提供有力保障。