N×100Gbit/s波分關(guān)鍵技術(shù)淺析及系統(tǒng)保護(hù)研究與測(cè)試

陳宏標(biāo)，沙慶良，吳 飛，沈步陽

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長，消耗了大量的帶寬，承載網(wǎng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的10 Gbit/s/40 Gbit/s波分系統(tǒng)不能滿足骨干網(wǎng)對(duì)大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。隨著100 Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)的完備和100 Gbit/s技術(shù)的逐步成熟，業(yè)界普遍更看好100 Gbit/s系統(tǒng)的發(fā)展前景，認(rèn)為其在未來將得到廣泛的部署和應(yīng)用，并且會(huì)像10 Gbit/s系統(tǒng)那樣具有較長的生命周期。相對(duì)于40 Gbit/s線路速率而言，100 Gbit/s線路速率能更好地解決運(yùn)營商日益面臨的業(yè)務(wù)流量及網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)增長方面的壓力。另一方面，近年來對(duì)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的要求越來越高，各運(yùn)營商均在干線波分上應(yīng)用OLP以減少光纜阻斷對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，但由于40 Gbit/s波分技術(shù)上的限制，40 Gbit/s波分系統(tǒng)OLP的可實(shí)施性、可操作性很差，對(duì)傳輸網(wǎng)的維護(hù)造成了很大的壓力，100Gbit/s波分的技術(shù)能否解決上述問題、其OLP能否方便實(shí)施成為運(yùn)維部門重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2 100Gbit/s波分關(guān)鍵技術(shù)

隨著比特率的增加和傳輸距離的延長，波分系統(tǒng)的長距離傳輸受OSNR、色散、非線性效應(yīng)、PMD等物理?xiàng)l件限制。40 Gbit/s、100 Gbit/s傳輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)如圖1所示。

為了克服上述挑戰(zhàn)，100 Gbit/s引入了以下關(guān)鍵技術(shù)，包括100 Gbit/s調(diào)制技術(shù)、相干接收和DSP技術(shù)以及SD-FEC（硬判決FEC）技術(shù)。

圖1 40Gbit/s、100Gbit/s傳輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 100Gbit/s調(diào)制技術(shù)

（1）調(diào)制技術(shù)及其頻譜效率

相同數(shù)據(jù)速率情況下，調(diào)制符號(hào)所表示的比特?cái)?shù)越大，所需符號(hào)傳輸?shù)牟ㄌ芈试叫?，所需傳輸帶寬越窄，頻譜效率越高。目前QPSK是100 Gbit/s調(diào)制方式的最佳選擇，比特率是112 Gbit/s或者更高。調(diào)制技術(shù)及其頻譜效率對(duì)比如圖2所示。

圖2 調(diào)制技術(shù)及其頻譜效率對(duì)比

（2）偏振復(fù)用

如果直接采用QPSK調(diào)制，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的光/電器件質(zhì)量提出非常高的要求，業(yè)界提出了偏振復(fù)用方案。偏振復(fù)用方案采用兩路獨(dú)立的光偏振態(tài)承載56 GHz業(yè)務(wù)，每路偏振態(tài)都采用QPSK調(diào)制方式，可以將100 Gbit/s信號(hào)速率降低到28 Gbit/s，降低了對(duì)光/電器件的帶寬要求。

偏振復(fù)用和QPSK的使用，可以將調(diào)制速率降為1/4，使100 Gbit/s系統(tǒng)能使用成本更低的技術(shù)。而更低的調(diào)制速率可以降低光信號(hào)傳輸參數(shù)的靈敏度，相比10 Gbit/s系統(tǒng)，100 Gbit/s在CD和PMD上擁有更好的容限。

（3）100 Gbit/s系統(tǒng)不同調(diào)制碼型的性能

100 Gbit/s系統(tǒng)不同調(diào)制碼型的性能對(duì)比見表1。

表1 100Gbit/s系統(tǒng)不同調(diào)制碼型的性能對(duì)比

2.2 相干接收和DSP技術(shù)

（1）相干接收

相干接收的原理如圖3所示。相干接收不但可以提高接收信號(hào)的信噪比，而且可以補(bǔ)償一些信號(hào)在傳輸中產(chǎn)生的損失。相干接收可以保存光信號(hào)的相位信息，用電處理的方式還原出兩路偏振態(tài)，并且補(bǔ)償信號(hào)由于長距離傳輸造成的一些損傷。

圖3 相干接收原理

（2）DSP技術(shù)

DSP技術(shù)的引入可以有效地消除由于CD和PMD所帶來的眼圖上的失真和碼間干擾。基于DSP技術(shù)的100 Gbit/s系統(tǒng)，色散容限可以達(dá)到40 000～60 000 ps/nm，PMD容限可以達(dá)到25～30 ps。線路中不再需要色散補(bǔ)償模塊，PMD也不再是傳輸距離的限制因素。

2.3 SD-FEC技術(shù)

相比10 Gbit/s系統(tǒng)，100 Gbit/s的OSNR需要提高10倍，因此，除了調(diào)制和接收技術(shù)外，還需要FEC技術(shù)。

在SD-FEC中，解碼器判斷信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在二進(jìn)制的“0”和“1”之間選擇，這種編碼模式丟棄了信號(hào)的一些統(tǒng)計(jì)特性。軟判決可以最大限度地使用信號(hào)中包含的信息，精細(xì)化分信號(hào)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，然后應(yīng)用這些豐富的信息判斷接收到的信號(hào)是“1”還是“0”。使用這種采樣信息，解碼器可以提供更高的解碼準(zhǔn)確率，從而提高系統(tǒng)性能。在相同的速率下，軟判決FEC比硬判決FEC的凈編碼增益高1～2 dB，如圖4所示。

3 100Gbit/s波分OLP研究

由上述分析可以看出，由于100 Gbit/s波分采用了偏振復(fù)用和QPSK調(diào)制技術(shù)、相干接收和DSP技術(shù)以及SDFEC，100 Gbit/s波分具有較低的OSNR容限，色散容限可以達(dá)到40 000～60 000 ps/nm，PMD容限可以達(dá)到25～30 ps，線路中不再需要色散補(bǔ)償模塊，PMD也不再是傳輸距離的限制因素，因此相比40 Gbit/s波分，100 Gbit/s波分更易于實(shí)施OLP。

3.1 OLP原理

OLP即光線路保護(hù)，一般采用雙發(fā)選收的方式，即傳輸設(shè)備Tx口發(fā)出的光經(jīng)過OLP設(shè)備后，在發(fā)端通過OLP的分光器把業(yè)務(wù)光分為相等的2路，50%作為業(yè)務(wù)光，在主用路由上傳輸，50%作為測(cè)試光，在備用路由上傳輸，用來對(duì)備用路由的指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。OLP原理如圖5所示。OLP設(shè)備檢測(cè)到主用路由線路出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備切換到備用路由，實(shí)現(xiàn)整個(gè)線路的倒換，不會(huì)影響到業(yè)務(wù)的傳輸，也不需要判斷兩端設(shè)備通信后是否切換線路。

需要注意的是，為了保證OLP的順利實(shí)施，需主備路由線路的衰耗、色散、PMD等參數(shù)盡可能一致，但現(xiàn)網(wǎng)中很難做到主備路由線路完全一致，而40 Gbit/s波分系統(tǒng)的色散容限、PMD容限指標(biāo)非常小，備用線路極小的參數(shù)變化都可能超出40 Gbit/s波分系統(tǒng)的指標(biāo)范圍，因此40 Gbit/s波分系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)OLP。

圖4 軟判決FEC與硬判決FEC凈碼增益對(duì)比

圖5 OLP原理

3.2 100Gbit/s波分OLP關(guān)鍵因素

（1）色散

100Gbit/s波分系統(tǒng)的色散容限為40 000～60 000 ps/nm，并且線路中不再使用色散補(bǔ)償模塊，而是采用DSP技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)償，因此，備用線路的色散變化不會(huì)超出系統(tǒng)指標(biāo)范圍，從而影響系統(tǒng)性能。

（2）PMD

100 Gbit/s波分系統(tǒng)的PMD容限為25～30 ps，通常情況下纖芯的PMD系數(shù)為0.07，由此推算傳輸距離為127 550～183 670 km，PMD不再是傳輸距離的限制因素，因此，備用線路的PMD變化也不會(huì)超出系統(tǒng)指標(biāo)范圍，從而影響系統(tǒng)性能。

（3）衰耗

假定系統(tǒng)的主用路由光纖為G.652或G.655光纖，計(jì)劃實(shí)施OLP的光放段長度為L（km），VOA可調(diào)節(jié)范圍為1～V（dB），當(dāng)前VOA值為V1。相比無OLP的系統(tǒng)，實(shí)施OLP后由于光路一分為二導(dǎo)致線路光功率一般降低3～4 dB（含OLP板卡的插損），典型值為3 dB。光纖的衰耗系數(shù)一般取值為0.25 dB/km。

對(duì)于計(jì)劃實(shí)施OLP的光放段，首先需要增加OLP板卡，相應(yīng)需要調(diào)整VOA設(shè)置值為V1-3；其次，再計(jì)算主備路由距離的差異范圍。

根據(jù)上述參數(shù)，可推算出備用路由增長光纖可多引入衰耗的最大值為：

備用路由縮短光纖可少引入衰耗的最大值為：

由此得出備用纖芯的衰耗變化范圍可為：

由式（3），推算出備用纖芯的長度范圍Lnew為：

由于G.652、G.655光纖的衰耗系數(shù)一致，因此，備用纖芯采用相同或不同光纖類型不會(huì)影響OLP的性能。

綜上所述，100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OLP無需考慮色散和PMD因素，只要考慮衰耗因素即可，即只要備用路由纖芯相比主用路由增加或減少的衰耗在VOA冗余范圍內(nèi)，100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OLP即可成功實(shí)現(xiàn)。

4 100Gbit/s波分OLP測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OLP，筆者于2012年7月對(duì)F廠商100 Gbit/s波分系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 測(cè)試環(huán)境

該波分系統(tǒng)的設(shè)備型號(hào)為FONST5000 100 Gbit/s，碼型為PM-QPSK，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。測(cè)試儀表包括AQ6317光譜分析儀和JDSU ONT-506 100 Gbit/s信號(hào)分析儀等。

圖6 F廠商100 Gbit/s波分系統(tǒng)拓?fù)?/p>

在線路方面，節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2之間為G.655 75 km光纖，節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4之間為G.652 75 km光纖，其余節(jié)點(diǎn)間均為G.652光纖。選定節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4之間的光放段進(jìn)行OLP測(cè)試。

4.2 理論計(jì)算

依據(jù)第3.2節(jié)所述的方法，了解系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。所選段落的光纖類型為G.652，長度為75 km，VOA可調(diào)范圍為1～21 dB，當(dāng)前VOA值為11。只考慮衰耗因素，計(jì)算備用路由的長度范圍：

·根據(jù)計(jì)算，采用同類型光纖（即G.652）備用路由的長度范圍為23～103 km；

·采用不同類型光纖（即G.655）備用路由的長度范圍為23～103 km。

4.3 測(cè)試結(jié)果

依照上述計(jì)算結(jié)果，搭建OLP進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

（1）備用路由使用與主用路由類型相同光纖（G.652）

主備路由相同的光纖倒換時(shí)間測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 主備路由相同的光纖倒換時(shí)間測(cè)試結(jié)果

在主備路由類型相同的光纖情況下，OLP在備用路由50～100 km范圍成功，業(yè)務(wù)恢復(fù)正常。測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。

（2）備用路由使用與主用路由類型不同光纖（G.655）

主備路由不同的光纖倒換時(shí)間測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 主備路由相同的光纖倒換時(shí)間測(cè)試結(jié)果

在主備路由類型不同的光纖情況下，OLP也在備用路由50～100 km范圍成功，業(yè)務(wù)恢復(fù)正常。測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。

（3）備用路由使用混合類型光纖（G.652+G.655）

主備路由使用混合光纖的倒換時(shí)間測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 主備路由使用混合光纖的倒換時(shí)間測(cè)試結(jié)果

在備用路由使用混合類型的光纖情況下，OLP也取得成功，業(yè)務(wù)恢復(fù)正常。測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。

測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的100 Gbit/s波分系統(tǒng)OLP結(jié)論可行，即100 Gbit/s波分OLP無需考慮色散和PMD因素，只要備用路由纖芯相比主用路由增加或減少的衰耗在VOA冗余范圍內(nèi)，即可成功實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本文分析了100 Gbit/s波分關(guān)鍵技術(shù)，提出了100 Gbit/s波分OLP無需考慮主備路由的色散和PMD的差異，只需要保證備用路由引入的衰耗在光放大器VOA的冗余范圍內(nèi)，即可確保OLP倒換成功進(jìn)行的結(jié)論，并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。測(cè)試結(jié)果證明，本文提出的100 Gbit/s波分系統(tǒng)OLP結(jié)論可行，可操作性強(qiáng)，可以指導(dǎo)100 Gbit/s波分系統(tǒng)OLP的實(shí)際操作，對(duì)解決100 Gbit/s波分系統(tǒng)OLP問題具有重要的參考意義。

1 YDB 077-2012.中華人民共和國行業(yè)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).N×100 Gbit/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求，2012

2 YDT 1159-2001.中華人民共和國行業(yè)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)測(cè)試方法,2001

3 YD/T 1266-2003.中華人民共和國行業(yè)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)倒換測(cè)試方法,2003