100Gbit/s傳輸系統性能最優化配置方法

羅 濱，王世文，胡 榮，賀志學

（1.國網河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學研究院，武漢 430074）

光通信系統與網絡技術

100Gbit/s傳輸系統性能最優化配置方法

羅 濱1，王世文1，胡 榮2，賀志學2

（1.國網河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學研究院，武漢 430074）

研究了基于高速相干光接收的100Gbit/s PDM-QPSK（偏振復用-正交相移鍵控）系統在不規則跨段配置條件下的傳輸性能優化技術，得到了不規則跨段下的最優鏈路配置解析計算模型，并進行了系統仿真驗證。仿真結果表明，與傳統的跨段衰減完全補償方案相比，該配置方案Q因子性能可提升1.3dB。該配置方法可應用于當前100Gbit/s PDM-QPSK系統的鏈路設計和在線優化，能有效提升不規則跨段鏈路下的系統傳輸性能。

100Gbit/s系統；偏振復用-正交相移鍵控；傳輸性能優化

0 引 言

隨著互聯網流量需求的迅猛增長，100Gbit/s PDM-QPSK（偏振復用-正交相移鍵控）技術已開始代替傳統直接探測技術，成為目前高速長距離光傳輸的主流選擇［1-2］。與傳統2.5、10和40Gbit/s直接檢測系統不同的是，100Gbit/s PDM-QPSK系統采用相干光接收和數字損傷補償，光纖鏈路中不再進行光色散補償管理，在降低成本的同時進一步提高了系統非線性傳輸性能。

目前，對100Gbit/s系統傳輸性能的研究較多集中在每段鏈路光纖長度、光放大器間距和配置相同的規則光纖跨段等場景。當系統鏈路參數固定時，最優傳輸性能僅取決于光發射機功率。但是，在實際的高速長距離傳輸場景下，由于地理位置、站點需求等諸多方面的限制，必然會出現傳輸線路放大器站點之間間距不等，光纖長度不同甚至有較大偏差的情況。在這樣的不規則鏈路場景下，各光纖跨段經歷的傳輸過程不再相同，系統傳輸性能和每一段光纖的長度、入纖功率和放大器增益配置相關。如何快速地根據鏈路信息得到最優的系統性能和鏈路配置成為100Gbit/s系統應用的重要問題。

本文研究了不規則跨段下100Gbit/s系統傳輸性能及放大器配置的快速優化問題，推導了不規則鏈路場景下的最優放大器增益配置。仿真結果表明，相對于傳統鏈路衰減完全補償的配置方法，本文方案可實現1.3dB的Q 因子提升，對當前100Gbit/s系統規劃、設計和優化具有指導意義。

1 100Gbit/s鏈路功率最優配置計算模型

在規則鏈路中，鏈路的初始增益通常設置為完全補償鏈路中的損耗，即放大器的增益等于對應跨段光纖的損耗，在這種增益配置下每個跨段的入纖功率完全相同，只需要將光纖源節點的入射功率設置為最優入射功率就能得到整條鏈路的最優傳輸性能。但對于不規則鏈路，每個跨段的光纖長度不同，相應的每個跨段的最優入射功率也不相同，簡單地將每個跨段的放大器增益設置為完全補償光纖中的損耗，并不能使光纖鏈路的傳輸性能達到最優，而現網中實際選取的鏈路多為不規則鏈路，因此有必要針對不規則鏈路的優化方案進行研究。

對100Gbit/s PDM-QPSK系統不規則鏈路性能評估模型進行分析可以得出：（1）不規則鏈路各個跨段的SNR（信噪比）相互獨立；（2）每一個跨段中影響傳輸性能的主要因素包括光纖源節點的入射功率以及各個EDFA（摻鉺光纖放大器）的增益，二者均為可調節參量。每一個跨段產生的非線性噪聲功率可以表示為其中Pch，n為第n個跨段的入纖功率，ρNLI，n為該段光纖參數相關的非線性噪聲系數，可以表示為［3］

在第n個光纖跨段的EDFA輸出端，由該跨段光纖非線性效應和放大器ASE（放大自發輻射）噪聲導致的信號SNR可以表示為

式中，an、NFn分別為該跨段的光纖損耗和EDFA的噪聲指數。因此，對于給定的跨段，在跨段參量都已知的情況下，SNRn是跨段入射功率Pch，n的函數，對每個跨段的SNRn求導，可以在給定的信道輸入功率Pch，n范圍內取得跨段傳輸性能的最優值。此時每個跨段的傳輸性能與跨段中EDFA的增益無關，跨段之間相互獨立，接收端的傳輸性能由每個跨段的傳輸性能級聯得到，取得每個跨段的最優就能得到整個鏈路的全局最優。

對式（2）求導，計算得到每個跨段的最優入射功率為

假設第n個跨段光纖衰減系數為αn，光纖長度為Lspan，n，EDFA增益為Gopt，n，則第n+1個跨段的入纖功率可表示為Popt，n+1=Popt，nexp（-αnLspan，n）· Gopt，n，其中每個光纖跨段的入射功率可以通過調節EDFA的增益來設置。根據式（3）可以計算出對應的最優放大器增益為

此時系統接收端性能可以表示為［4］

將ASE噪聲功率和非線性損傷功率代入到傳輸性能的表達式中，對評估模型進行分析，接收端的SNR可表示為

式中，erfc、erfc-1分別為誤差函數和互補誤差函數；V為調制階數。對于QPSK系統，V=log24=2，SNR和Q值完全相同；但對于其他調制系統，如16QAM（16階正交幅度調制）系統，則V=log216= 4，Q和SNR關系由式（7）給出。

2 系統仿真和驗證

在仿真中采用了三種鏈路配置，第一種為傳統鏈路衰減完全補償的配置方案［5］，此時各段光纖入纖功率完全一致；第二種為根據式（3）～（4）計算的最優配置方案；第三種為假設跨段長度中心點光功率相同的方案［6］，該方案是在傳統10Gbit/s有色散管理的直接探測系統中得出的優化方案。

100Gbit/s系統的發射端采用30GBaud光IQ調制和偏振復用，接收端經相干接收、光混頻后進入4路平衡探測器進行接收，經過低通濾波、數/模轉換、電色散補償和基于CMA（恒模算法）的偏振解復用及均衡后進行信號判決和誤碼統計。仿真參數設置如下：符號速率為30GBaud，信道間隔為50GHz，信道數為7個，跨段數為10個，中心波長為1 550nm，光纖衰減為0.2dB/km，光纖色散為17ps/（km·nm），非線性系數為1.36W·km，EDFA噪聲指數為6dB。

仿真中所采用的非規則鏈路系統如圖1所示，光纖鏈路包含10個跨段，最短和最長的跨段距離分別為30和120km。

圖1　端到端不規則鏈路

當發射端功率變化時，3種配置方案的傳輸性能如圖2所示。可以看出，系統Q因子隨著入射功率的增加先增大后減小，這是因為當入射功率增加到一定程度時，非線性效應對傳輸性能的抑制效果顯著增加，惡化了系統的傳輸性能，每一種增益配置都對應一個最優源節點入射功率。3條曲線的最高點分別為：衰減完全補償方案（-2，19.0），最優增益配置（0，20.3），跨段中心功率相同配置（1，20.1）。其中最優增益配置與跨段中心功率相同增益配置的最優傳輸性能差值小于0.2dB，相對于傳統的跨段衰減完全補償配置方案，Q因子提升了1.3dB。在線性區域，最優增益配置方案傳輸性能始終優于跨段中心功率相同的增益配置和傳統衰減完全補償方案，Q因子提升分別超過1.1和2.4dB。因此，盡管跨段中心功率相同的配置方案和最優配置方案具有接近的最優性能，但僅針對入射功率較大的場景。而無論是小功率線性區域還是最優Q值的區域，最優配置方案均具有明顯優勢。

圖2　3種增益配置Q因子對比圖

以損耗完全補償增益配置作為參考初始增益配置，論文進一步對比了EDFA的最優增益配置與初始增益配置增益的差別，如圖3所示，圖中第3、第10跨段的最優增益值和初始增益值相同。

圖3　初始增益配置與最優增益配置對比

如圖4所示，相對于初始增益配置，為了取得1.3dB的最優傳輸性能的提升，需要將系統的增益調節為最優增益配置，10個跨段中有8個跨段的增益值需要調節，并且每個EDFA的增益調節量各有不同。然而，在實際的光路傳輸系統中，光路整體增益調節量過大或調節跨段數過多將會影響系統的抖動、時延和瞬態特性，同時也將增加網絡的運營開銷，因此，將初始增益配置全部調節為最優增益配置在實際系統中不能實現。為了有效、快速地提升系統的傳輸性能，可以在最優化算法的基礎上加上一定的限制條件，從而保證在盡量少的EDFA調節個數的情況下，取得盡可能優的鏈路傳輸性能。

圖4　初始增益配置與最優增益配置差值

3 結束語

本文通過對100Gbit/s PDM-QPSK非規則鏈路下傳輸性能進行解析建模，得到了非規則鏈路傳輸性能的最優化配置方案的解析計算公式，并與傳統的鏈路衰減完全補償、鏈路中心功率相同的配置方案進行了對比。仿真結果表明，相對于傳統鏈路衰減完全補償方案，最優配置方案傳輸性能可提升1.3dB；此外，相對于鏈路跨段中心功率相同的配置方案，最優配置方案在線性區域具有1.1dB提升，可實現100Gbit/s鏈路非規則系統的最優傳輸性能配置。

［1]胡毅，楊家龍.40/100G相干光通信模塊的技術分析［J］.烽火科技，2011，157（6）：13-15.

［2]Xie Chongjin，Raybon Greg，Chandrasekhar S.Comparison of RZ and NRZ formats in 112-Gbs PDMQPSK long haul coherent transmission systems［C］// OFC/NFOEC 2011.San Diego，California，USA：OSA，2011：JThA39.

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Research on the Techniques of Quality of Transmission Estimation for 100Gbit/s PDM-QPSK Systems

LUO Bin1，WANG Shi-wen1，HU Rong2，HE Zhi-xue2
（1.State Grid Henan Electric Power Company Information and Communication Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

The techniques of transmission performance optimization for high-speed coherent optical detection based 100Gbit/s PDM-QPSK systems is studied under the irregular fiber span configuration scenario.The analytical calculation model for the optimal link configurations is obtained under the irregular fiber span scenario.Numerical simulations are carried out for verification.Simulation results show that the optimal configuration scheme outperforms the conventional full span loss compensation scheme with 1.3dB Qfactor improvement.This optimal configuration method can be effectively applied for current link design and online performance optimizations in 100Gbit/s PDM-QPSK systems，to improve their transmission performance under the irregular span scenarios.

100Gbit/s systems；PDM-QPSK；Transmission performance optimization

TN929.11

A

1005-8788（2016）02-0001-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.001

2015-12-21

羅濱（1959-），男，江蘇南通人。高級工程師，多年從事電力自動化、信息化和通信等方面的管理工作。