高速相干光傳輸系統鏈路優化方案

李 雄，劉 博，黎 偲，胡 榮

（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）

高速相干光傳輸系統鏈路優化方案

李 雄1，劉 博1，黎 偲2，胡 榮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）

針對高速相干光傳輸系統的鏈路優化配置問題，提出了基于逐次優化思想的鏈路EDFA（摻鉺光纖放大器）增益配置方案，以優化不規則鏈路配置條件下的系統性能和調節代價。優化目標是在系統性能達到要求或接近最優的同時，盡量降低鏈路中所需調節的EDFA個數，以盡可能減少或避免由于鏈路功率調節所引入的調節時延、瞬態效應及代價。仿真結果表明，采用該方案可實現在系統性能接近最優的同時，將鏈路所需調節的EDFA個數從8個減少到4個，從而有效降低了最優化方案中由于過多的EDFA調節所引入的調節代價。

相干光傳輸；傳輸性能優化；鏈路調節

0 引 言

目前，基于相干光接收及數字信號處理技術補償色散和偏振模色散已成為長距離、骨干和大容量光纖傳輸系統的主流選擇［1-2］。對高速相干光通信系統的非線性傳輸性能管理和優化大多基于規則跨段配置場景，即系統中每個光纖跨段的光纖類型、長度和放大器增益配置完全相同。此時每個跨段非線性作用互不相關，各跨段采用相同的最優入纖功率即可取得最優系統性能。但是，在實際部署過程中，常常出現各跨段光纖長度并不相同甚至有較大差別的情況。針對非規則鏈路，在每個光纖跨段完全補償該段鏈路衰減的傳統功率控制方案無法取得最優性能，而實現最優的傳輸性能則往往需要較多的跨段功率和光放大器增益調節，這將導致系統中存在較大的調節時延、瞬態效應和代價。

針對上述問題，本文提出一種不規則跨段下的跨段功率及光放大器增益配置方案，在保證系統傳輸性能達到預定要求的同時，盡量減少鏈路中所需調節的光放大器個數，以減輕或避免由于過多的鏈路調節而導致的代價。仿真表明，對于10跨段系統，相對于性能最優配置方案，該優化方法可將鏈路中所需調節的EDFA（摻鉺光纖放大器）個數從8個降低到4個，而傳輸性能僅下降0.2 d B。該方案對實現快速的高速相干光系統設計、部署和性能在線優化具有指導意義。

1 高速相干光傳輸逐次優化配置算法

對于鏈路不規則、無色散補償的高速相干光傳輸系統，如圖1所示，由于鏈路中的色散、偏振模色散均通過接收端數字信號處理技術完全補償，因此系統性能主要受限于鏈路EDFA引入的ASE（放大自發輻射）噪聲和光纖非線性效應。

圖1 鏈路跨段不規則系統示意圖

針對圖1所示的不規則鏈路傳輸系統，每個光纖跨段均存在最優入射功率及最優的放大器增益，其中各跨段放大器的最優增益可以表示如下：

式中，αn、Lspan，n分別為第n個光纖跨段的光纖衰減系數和光纖長度。接收端系統相應的Q因子可以參考非規則跨段條件下接收端SNR（信噪比）的級聯規則計算得到［3-4］：

式中，snr（n）為每一段的SNR，其計算與該段光纖的相關參數、入纖功率和放大器的配置相關［4］。

對于不同的調制格式，如BPSK（二進制相移鍵控）、QPSK（正交相移鍵控）和16 QAM（16階正交幅度調制）等，SNR、Q因子和BER（誤碼率）的關系由下式給出［5］：

式中，V表示調制階數，erfc和erfc-1分別為誤差和互補誤差函數。

對于一個給定增益配置（通常為鏈路衰減完全補償）的傳輸鏈路，通過公式（1）給出的最優化光纖配置可以實現系統性能的提升。但是，在最優化配置過程中，可能會發生鏈路EDFA調節過多導致較大的調節時延和瞬態效應等問題。因此，在保證系統性能達到要求或接近最優的同時，盡量減少系統中需要調節的EDFA個數成為高速相干光傳輸系統鏈路優化的主要目標。針對該問題，本文提出根據鏈路順序從前向后逐次優化的策略，主要思路為首先計算出最優增益配置，然后按照從前向后的跨段順序逐次計算將放大器的初始增益調整到對應的最優增益值時的傳輸性能，直到傳輸性能達到給定參考閾值完成優化計算。在優化過程中，為保證系統性能達到要求，設置Q≥Qref，其中Qref為保證光路可靠性傳輸所要求達到的指標。

假設光傳輸系統鏈路存在NS個跨段，在系統接收端，信號的質量參數Q受發射端入纖光功率Pin，1、各放大器的增益Gn（n=1，…，NS）、各跨段的長度Ln（n=1，…，NS）以及各放大器的噪聲特性的影響。對于給定的鏈路，其中可調節的參量包括第一段光纖的入射功率Pin，1及每一跨段對應的放大器增益Gn。在系統優化前，存在入纖功率初始值Porig和各放大器增益初始值Gorig，n（n=1，…，NS）。在各跨段的衰減、各放大器噪聲特性均確定的條件下，Q值最優（Qopt）時對應的系統參數為最優入纖功率Popt、最優增益配置Gopt，n（n=1，…，NS）。逐次優化配置算法的流程圖如圖2所示。

圖2 逐次優化配置算法流程圖

步驟1：通過管理或控制平面數據庫獲取光纖的鏈路配置，包括光路各傳輸跨段的傳輸光纖色散、衰減和非線性系數等參數，以及光纖第一跨段入射功率Pin，1、各可調放大器增益或衰減器的衰減、調節范圍等信息。采用公式（3）計算出當前配置下的Q因子（Qorig），并根據Qorig設置Qref。

步驟2：在實際器件允許范圍內，根據公式（1）計算出不規則鏈路的最優增益配置Gopt，n（n=1，…，NS）及相應的最優入射功率Popt，并根據最優化算法計算出接收端的最優傳輸性能Qopt。

步驟3：按鏈路順序優先的方式，先將源節點入纖功率Pin，1選取為Popt，將G1設置為Gopt，1，采用公式（3）計算對應的Q1，比較Q1與Qref，若Q1＞Qref，取Q1對應調節量，優化結束，轉至步驟6；否則，繼續步驟4，取k=1。

步驟4：令k=k+1，將Gk設置為Gopt，k，采用公式（3）計算對應的Qk。

步驟5：比較Qk與Qref，若Qk＞Qref，優化結束，轉至步驟6；否則，比較k與n，若k＜n，繼續步驟4，否則，取Qk對應調節量，優化結束，轉至步驟6。

步驟6：將采用該優化方法得到的調節量通過網管或控制平面發送到各功率可調單元（如EDFA或可調光衰減器），進行發射機功率或相關光放大器增益的動態調節，并將最新的配置參數保存在網管或控制平面的數據庫中。

優化配置計算過程中，首先根據鏈路初始增益配置傳輸性能，設置參考閾值，然后計算傳輸鏈路的最優傳輸性能及對應的最優入纖功率和最優增益配置，最后通過逐次優化策略調節鏈路中的增益配置，直到傳輸性能達到參考閾值。

2 仿真驗證及結果分析

根據上述方法，對鏈路跨段不規則的100 Gbit/s PDM-QPSK（偏分復用-QPSK）系統進行仿真。鏈路由10個光纖長度不同、EDFA增益不同的跨段組成。各EDFA的噪聲指數均為6 dB，各跨段均由G.652標準單模光纖構成，其衰減、色散和非線性系數分別為0.2 dB/km、17 ps/（nm·km）及1.36 W/km，各跨段光纖長度如表1所示。根據非規則鏈路的傳統增益配置方法，將各跨段EDFA的初始增益值配置為完全補償該跨段光纖衰減所對應的增益。在理論計算中假設信道個數為80個，在仿真中將信道個數設置為17個。

表1 跨段參數配置及優化結果

采用初始增益配置、最優增益配置和逐次優化增益配置3種方法，得到的最優系統性能及EDFA增益調節分布如圖3所示。

圖3 Q隨調節次數變化圖

在逐次優化策略中將Qref設置為20 dB，由圖3可以發現，相對于鏈路衰減完全補償的初始增益配置方案，逐次優化方案和各跨段EDFA都調節的最佳配置方案，其Q因子提升了1.2 d B。但是，對于最優配置方案而言，為實現1.2 dB的性能提升，幾乎所有的EDFA都進行了增益調節。而過多地調節站點個數造成了較大的調節時延和調節代價，在線增益調節過程中還會造成瞬態效應等性能損傷。本文所設計的逐次優化配置算法在盡可能提高并保證接收端性能要求的同時，按照從前向后的調節次序盡可能減少需要調節的EDFA個數。由圖3（a）可以發現，僅對前4個EDFA進行增益優化配置后，系統Q因子就提升了1.1 d B，接近最優增益配置方案。圖3（b）的系統仿真結果同樣證明通過從前向后逐次調節前4個節點的EDFA增益值，系統Q因子相對于初始增益配置提升了1.1 d B，非常接近最優配置方案下的系統性能。因此逐次優化方案在顯著提升系統性能、滿足傳輸質量需求的同時，能夠盡量減小鏈路所需調節的EDFA個數，從而有效降低實現系統性能提升所需的調節代價，具有性能提升快、調節代價低等優勢。

3 結束語

隨著高速相干光通信在長距、大容量、骨干光傳輸中的大規模應用，鏈路中的功率管理和增益優化配置成為實際部署過程中的重要問題。本文提出了基于逐次優化思想的鏈路功率及增益配置方案，旨在提升系統傳輸性能的同時盡量降低系統中所需調節的EDFA數量，以避免由于過多的功率調節導致的時延、瞬態效應和調節代價。仿真結果證明，使用逐次優化方法，系統傳輸性能在逼近最優的同時，所需調節的EDFA數量相對于最優性能方案降低了一半，為高速相干光通信系統及網絡的升級規劃和在線優化提供了一種經濟有效的手段。

［1］ 胡毅，楊家龍.40/100 G相干光通信模塊的技術分析［J］.烽火科技，2011，（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.Los Angeles，CA，USA：OSA，2011：JTh A39.

［3］ Poggiolini P.The GN model of non-linear propagation in uncompensated coherent optical systems［J］.Lightwave Technol，2012，30（24）：3857-3879.

［4］ 李煒，陳寶靖，柴京，等.100 Gb/s PDM-QPSK系統傳輸性能評估技術研究［J］.光通信技術，2015，（4）：15-17.

［5］ Gao G，Zhang J，Wang L，et al.Influence of physical layer configuration on performance of elastic optical OFDM networks［J］.IEEE Communication Letters，2014，18（4）：672-675.

Research on the of Scheme of Link Optimization for High-Speed Coherent Optical Transmission Systems

LI Xiong1，LIU Bo1，LI Cai2，HU Rong2
（1.Information and Communication Company，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

Targeting on the link optimization configuration problem for high-speed coherent optical transmission systems，a successive optimization principle based link EDFA gain configuration scheme is proposedto optimize the system performance improvement and tuning cost in irregular link configurations.The optimization object is to reduce the number of adjusted EDFAs in the transmission link when the optimal performance is achieved.Such scheme aims to reduce or even avoid the delay，transient and costs induced by the link power adjustment.The simulation results show that the proposed scheme can reduce the number of adjusted EDFAs from 8 to 4，when the system performance is still close to the optimum value.Thus this scheme effectively reduces the tuning cost caused by frequently adjusting the EDFA gain in the optimal configuration scheme.

coherent optical transmission；transmission performance optimization；link adjustment

TN914

A

1005-8788（2016）03-0007-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.003

2015-12-09

李雄（1976-），男，四川資陽人。高級工程師，主要從事電力系統通信研究及管理工作。