大容量100G OTN關(guān)鍵技術(shù)及其在電力通信中的應(yīng)用研究

郭小溪+王穎+唐佳+劉識+廣澤晶+張寧+張書林

摘要：為滿足“十三五”期間數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)萬兆上聯(lián)需求以及智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需要，需建設(shè)具備高速率、多業(yè)務(wù)、大寬帶的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。文章闡述了100G OTN系統(tǒng)中正交四進(jìn)制相位調(diào)制、相干接收、軟判決糾錯(cuò)編碼接收等關(guān)鍵技術(shù)，分析了100G OTN關(guān)鍵技術(shù)在大容量、長距離光傳輸網(wǎng)中的可行性應(yīng)用，提出了其在電力通信大容量光傳輸網(wǎng)中的技術(shù)應(yīng)用方案。方案解決了電力通信大容量光傳輸網(wǎng)絡(luò)大跨距大帶寬傳輸?shù)碾y題，全面提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性、可管理性、可擴(kuò)展性，為保障公司信息通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用深化和完善提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：100G OTN；電力通信；長距離傳輸

O 引言

隨著通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程和大容量化成為通信傳輸?shù)闹匾l(fā)展趨向。自1966年高琨提出用玻璃光纖傳送信號可降低損耗之20dB/km開始，光纖通信經(jīng)歷了從多模到單模，從單波到波分復(fù)用的迅猛發(fā)展。不同于按照時(shí)隙上進(jìn)行劃分的時(shí)分復(fù)用（ TDM），和按照載波頻率進(jìn)行劃分的頻分復(fù)用（ FDM），波分復(fù)用（WDM）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器將不同波長的光載波信號復(fù)用進(jìn)同一根光纖中進(jìn)行傳送，在接收端經(jīng)解復(fù)用器將各波長的光載波分離，然后由光接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理以恢復(fù)原信號。

光傳輸網(wǎng)（OTN）正是以WDM技術(shù)為基礎(chǔ)，包括了光層和電層的完整體系結(jié)構(gòu)及業(yè)務(wù)調(diào)度能力，各層都有相應(yīng)的管理監(jiān)控機(jī)制，可提供完善的保護(hù)功能和維護(hù)管理功能[1-2]。由于OTN系統(tǒng)在WDM基礎(chǔ)上引入了電域子層，為業(yè)務(wù)提供在波長/子波長上進(jìn)行傳送、復(fù)用、交換、監(jiān)控和保護(hù)恢復(fù)的技術(shù)，較好地克服了單純WDM技術(shù)組網(wǎng)的缺陷。因此，OTN應(yīng)成為建設(shè)大容量通信網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)，以滿足新型大顆粒度、多類型業(yè)務(wù)日益增長的傳送需要。

現(xiàn)階段成熟應(yīng)用的OTN技術(shù)主要有N*lOG、N*40G和N*lOOG三種。N*lOG OTN系統(tǒng)基于幅度調(diào)制，單波速率為10G，常用波道數(shù)量為40波，是大容量通信網(wǎng)傳輸最常采用的技術(shù)選擇。N*40GOTN系統(tǒng)在N*lOG的基礎(chǔ)上將容量提升了4倍，屬于10G向100G的過渡技術(shù)，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用并不廣泛。N*lOOG OTN系統(tǒng)綜合采用PDM-QPSK調(diào)制、數(shù)字相干接收、基于電域的數(shù)字處理、軟判決FEC等技術(shù)，具有超大的傳輸容量、超長的傳輸距離、超強(qiáng)的糾錯(cuò)編碼、超快保護(hù)恢復(fù)等性能優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)內(nèi)大容量光傳輸?shù)闹髁魇走x技術(shù)。

1 100G OTN關(guān)鍵技術(shù)

光傳輸網(wǎng)（ OTN）是一種以波分復(fù)用與光傳送體系為核心的新型通信網(wǎng)絡(luò)傳送體系，它由OTN電交叉設(shè)備、OTN光交叉連接、OTN光電混合交叉設(shè)備、OTN終端復(fù)用設(shè)備、光放大器等網(wǎng)元設(shè)備組成，具有超大傳送容量、對承載信號語義透明及在電層和光層面上實(shí)現(xiàn)保護(hù)和路由功能的特點(diǎn)，它解決了傳統(tǒng)SDH的大帶寬業(yè)務(wù)適配效率低、帶寬粒度小以及WDM組網(wǎng)能力弱和保護(hù)能力差等問題，是光互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，即OTN=WDM/ROADM（光層）+ODUk（電層）[3]。

N*lOOG OTN系統(tǒng)綜合采用PDM-QPSK調(diào)制、數(shù)字相干接收、基于電域的數(shù)字處理、軟判決FEC等技術(shù)，具有超大的傳輸容量、超長的傳輸距離、超強(qiáng)的糾錯(cuò)編碼、超快保護(hù)恢復(fù)等性能優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)內(nèi)大容量光傳輸?shù)闹髁魇走x技術(shù)。

1.1 編碼調(diào)劑方式

在光纖通信中，傳輸信道為帶通型信道，信號需要在所規(guī)定的信道頻帶內(nèi)傳輸。光纖通信中采用G652型光纖，可在波長15 50nm處實(shí)現(xiàn)最小衰耗。編碼調(diào)制的重大意義在于減小數(shù)字光信號的頻譜帶寬，提高頻帶利用率。光信號光譜帶寬由波特率決定，傳送相同比特率的數(shù)字信號，若信號頻譜帶寬越窄，則波特率越小，頻帶利用率越高。

100G OTN系統(tǒng)采用的正交相移鍵控QPSK（ Quadrature Phase Shift Keyin）調(diào)制，其原理是通過在光場相位上選取四個(gè)可能的取值，使得在線路速率不變的情況下，數(shù)字光信號的波特率降低一半，因而光信號的頻譜帶寬降低一半。100G信號比特率為112Gbps，如直接采用QPSK調(diào)制，會(huì)對系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件提出非常高的技術(shù)要求，因此引入了光偏振復(fù)用（ Polarization Multiplexed）技術(shù)，偏振復(fù)用采用兩路獨(dú)立的光偏振態(tài)來承載56GHz業(yè)務(wù)，每路偏振態(tài)都采用QPSK調(diào)制方式可以將波特率進(jìn)一步降低至28Gbps。因此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織綜合此兩種技術(shù)選擇偏振復(fù)用正交四進(jìn)制相位調(diào)制（ PDM QPSK）作為標(biāo)準(zhǔn)100G光調(diào)制方式。

與傳統(tǒng)二進(jìn)制調(diào)制不同，PDM-QPSK采用恒定幅度四級相位調(diào)制和正交偏振復(fù)用相結(jié)合的方式將傳輸波特率降低為二進(jìn)制調(diào)制的四分之一，即100G傳輸中，采用PDM-QPSK技術(shù)后，實(shí)際線路波特率僅為25G。

1.2 數(shù)字相干接收

相干接收技術(shù)主要解決了對光信號的電場的檢測問題。光信號對業(yè)務(wù)信息是以電場的形式承載的，在光信號的傳輸過程中，其電場特性會(huì)受到光纖色散、光纖PMD、光纖非線性效應(yīng)以及濾波效應(yīng)等因素的影響而趨于劣化。常規(guī)的直接檢測方式只能探測光信號電場的模平方包絡(luò)（即光強(qiáng)），因此無法分解出上述劣化效應(yīng)的影響并給予消除。相干接收技術(shù)可得到PDM-QPSK信號的所有信息，包括每個(gè)偏振方向上的電場的實(shí)部和虛部的強(qiáng)弱和相互的相位信息，為傳輸中各項(xiàng)劣化效應(yīng)的分解和補(bǔ)償提供了可能。高速ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）則在不損失信息的前提下將檢測出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并由DSP芯片完成時(shí)鐘恢復(fù)、載波恢復(fù)、色散補(bǔ)償、PMD補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵處理。

1.3 軟判決前向糾錯(cuò)

在100G相干電處理技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化力量的驅(qū)使下，借助高速集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前引進(jìn)了基于軟判決的FEC編碼技術(shù)。軟硬判決的區(qū)別在于其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特?cái)?shù)位1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個(gè)比特位對信號進(jìn)行量化，采用“00”、“01”、“10"‘11”判決，通過維特比算法提高判決的準(zhǔn)確率，大大提升了100G系統(tǒng)的傳輸能力。100G系統(tǒng)中，硬判決和軟判決兩種技術(shù)適用于不同距離的不同應(yīng)用場景。endprint

100G的PM-QPSK信號調(diào)整，采用20%的軟判決糾錯(cuò)編碼技術(shù)，凈編碼增益理論極限可達(dá)12.7dB，100G背靠背OSNR容限在13dB左右，基本達(dá)到了與10G相同量級的傳輸能力。

1.4 數(shù)字信號處理

PDM-QPSK的調(diào)制方式主要是降低100G傳輸中光信號的波特率，降低100G傳輸碼型的頻譜寬度，使之能實(shí)現(xiàn)50GHZ間隔傳輸，并部分解決了100G傳輸?shù)腛SNR要求過高問題，但100G系統(tǒng)的色散容限過小和PMD容限過小的問題依然存在，這對長距離100G傳輸尤其不利。

色散和PMD效應(yīng)均是在光電場的相位或偏振上引入的線性調(diào)制或畸變，如果能探測出光信號的電場，則可以采用線性補(bǔ)償?shù)霓k法，在廣場上抵消色度色散和PMD效應(yīng)，這就是光學(xué)DSP處理的核心。

在100G PDM_QPSK傳輸中，主要利用光數(shù)字信號處理技術(shù)（ DSP）在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道線性損傷（ CD、PMD）補(bǔ)償，即通過數(shù)字化算法，在電域進(jìn)行色度色散補(bǔ)償以及偏振態(tài)色散補(bǔ)償，以此減少和消除對光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。

采用這種基于電域的DSP技術(shù)，在100G系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)高達(dá)50000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限。在100G OTN組網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，傳輸線路上將不再放置DCM模塊，PMD效應(yīng)也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，使得100G系統(tǒng)具備長距離傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

國網(wǎng)公司已于2013年建成40波*10G大容量光傳輸網(wǎng)，對骨干通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全局性擴(kuò)容和結(jié)構(gòu)化調(diào)整，滿足了非實(shí)時(shí)、高帶寬信息業(yè)務(wù)的快速增長需要。大容量光傳輸網(wǎng)采用OTN電交叉技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)和業(yè)務(wù)調(diào)度， 雙光方向電中繼站采用OTN電交叉設(shè)備，上下業(yè)務(wù)站點(diǎn)及多光方向有電路調(diào)度需求的站點(diǎn)采用OTN電交叉設(shè)備。容災(zāi)中心節(jié)點(diǎn)配置雙OTN設(shè)備，其他業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)配置單套OTN設(shè)備。

大容量光傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了公司總部、信息容災(zāi)中心（北京、上海、西安）、六個(gè)分部、除新疆、西藏外各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）電力公司，以及省級以上通信第二匯聚點(diǎn)大顆粒業(yè)務(wù)傳輸?shù)娜采w，在全國范圍內(nèi)形成“三縱三橫”的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，北京、華北、華東、華中、東北、西北區(qū)域分別形成局部環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔在整體框架基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小。各業(yè)務(wù)調(diào)度站點(diǎn)采用串接或支線接入干線方式，各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)具備雙路由上聯(lián)至數(shù)據(jù)中心、容災(zāi)中心的能力。大容量光傳輸網(wǎng)邏輯示意圖如圖1所示：

3 技術(shù)應(yīng)用模型

3.1 系統(tǒng)需求

“十三五”期間通信數(shù)據(jù)網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)有：信息化業(yè)務(wù)、客戶服務(wù)、視頻/多媒體業(yè)務(wù)、容災(zāi)備份、行政電話及其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。在未來的10-20年內(nèi)，隨著新一代國家電網(wǎng)公司SG-ERP規(guī)劃和建設(shè)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)技術(shù)等廣泛應(yīng)用，信息平臺承載能力和業(yè)務(wù)應(yīng)用水平將進(jìn)一步提升。華東、華北、華中等人口眾多、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)密集的區(qū)域通信數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)最大流量將遠(yuǎn)超lOGbit/s，現(xiàn)有的40*10G OTN系統(tǒng)將無法滿足高速發(fā)展的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。

電力通信覆蓋范圍內(nèi)的新疆、西藏、青海等地區(qū)地域廣闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，可設(shè)置的通信站的之間距離較遠(yuǎn)，光纜線路和通信站條件較差，對大容量光傳輸網(wǎng)建設(shè)提出了超長距離和高可靠性的要求。因此，在國網(wǎng)大容量光傳輸網(wǎng)中推廣應(yīng)用100GOTN技術(shù)十分必要。

3.2 傳輸系統(tǒng)模型

100G OTN技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用研究考慮以單波100G帶寬、300km傳輸距離的點(diǎn)到點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)為模型。系統(tǒng)光線路部分包括放大系統(tǒng)、合分波器等板卡，以及公共部分包括系統(tǒng)控制、交叉矩陣、機(jī)框等設(shè)備板卡按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、lOOGGb/s系統(tǒng)規(guī)模配置。OTN再生站之間根據(jù)線路衰耗采用加入相應(yīng)的光放大站（OLA站），再生站之間配置OMS和Och路徑。100G大容量、長距離、多跨段光傳輸系統(tǒng)模型圖如圖2所示：

3.3 業(yè)務(wù)保護(hù)配置方案

OTN業(yè)務(wù)保護(hù)方式根據(jù)保護(hù)倒換發(fā)生的層面可分為光層和電層兩類，根據(jù)保護(hù)結(jié)構(gòu)可分為線性保護(hù)和環(huán)網(wǎng)保護(hù)兩類。線性保護(hù)包括基于光層的光線路保護(hù)OLP、光復(fù)用段保護(hù)和光通道保護(hù)，以及基于電層的ODUk SNCP保護(hù)。光線路保護(hù)和光復(fù)用段保護(hù)主要對光纜故障進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)粒度是整根光纖上所有波道。環(huán)網(wǎng)保護(hù)包括基于光層的光波長共享環(huán)網(wǎng)保護(hù)，以及基于電層的ODUk環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

考慮到電力通信中大容量光傳輸網(wǎng)覆蓋范圍廣、傳輸距離長、光纜資源有限，各區(qū)域間為鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，區(qū)域內(nèi)少部分傳輸段可具備兩條不同路由。因此采用光線路保護(hù)OLP和電層ODUk SNCP保護(hù)相輔相成的方式配置保護(hù)。

（1）光線路保護(hù)OLP

運(yùn)用OLP板的雙發(fā)選收功能對線路光纖進(jìn)行保護(hù)，分段對合波后的光信號進(jìn)行保護(hù)，站點(diǎn)間使用分離路由。OLP通過占用T作及保護(hù)2對光纖的方式實(shí)現(xiàn)對線路信號的保護(hù)。OLP采用的保護(hù)方式為雙發(fā)選收、單端倒換[11]。OLP保護(hù)方式示意圖如圖3所示。

（2） ODUk SNCP保護(hù)

與SDH類似，子網(wǎng)連接保護(hù)可以看作是失效條件的檢測是在服務(wù)層網(wǎng)絡(luò)、子層或其他傳送網(wǎng)絡(luò)，而保護(hù)倒換的動(dòng)作發(fā)生在客戶層網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)方法。ODUk SNCP保護(hù)運(yùn)用OTN電層交叉的雙發(fā)選收功能，對線路板和OCh光纖進(jìn)行保護(hù)[12]。交叉粒度為ODUO、ODU1、ODU2信號等。ODUk SNCP保護(hù)原理如圖4所示。

4 結(jié)語

“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，促使電力通信網(wǎng)向更大帶寬、更長距離的方向發(fā)展，國網(wǎng)大容量通信網(wǎng)目前的10G帶寬已逐漸無法滿足將來5-10年信息通信業(yè)務(wù)的需求。100G OTN系統(tǒng)整合編碼調(diào)制方式、相干接收、軟判決前向糾錯(cuò)等效率更高、性能更優(yōu)的通信底層傳輸技術(shù)，為更大帶寬、更長距離的通信傳輸提供可能。建設(shè)100G OTN平臺可有效提高國網(wǎng)公司骨干通信系統(tǒng)的安全性，提高傳輸網(wǎng)的承載能力，使各類信息、視頻業(yè)務(wù)傳輸有了多種選擇，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)類型和特點(diǎn)，有效降低現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行壓力，可為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電力通信網(wǎng)提供重要支撐和基礎(chǔ)保障。endprint