基于新型光纖的長距高速傳輸系統部署實踐

吳 宇，康 帥，林 玲

（1.中國移動通信集團江蘇有限公司 規劃技術部，南京 210029； 2.中國移動通信集團設計院有限公司 有線所，北京 100080；3.烽火通信科技股份有限公司，南京 210019）

0 引 言

100Gbit／s（Gbit／s，下文中簡稱為 G）光傳送網（Optical Transport Network，OTN）技術在長途干線傳輸系統中得到大規模應用后，業界各方均把目光投向超100GOTN系統，對200G／400G的研究和測試工作推進加快。從較早的軟件仿真分析［1］，到實驗室全面測試對比［2－4］，進入省內干線試驗段［5］，再到近期的典型國家干線應用［6］，超100G 相關的基礎設施及核心技術已經歷各環節的考驗和改進，當前正處于從現網試點走向規模商用部署的過渡階段。

200G／400GOTN系統能夠成倍增加截面容量，對于滿足高速增長的業務需求具有顯著優勢，但高速OTN系統也存在兩個短板：一是對信噪比要求高，限制了無電中繼傳輸距離，從而導致頻繁的光－電－光中繼，抬升了系統整體代價，在長距離傳輸場景的實用性變差；二是200G／400G系統有靈活調整波道間隔以優化匹配傳輸通道指標的要求，而50GHz波道間隔的傳統固定格柵（Fixed－Grid）光器件無法滿足。如何取其長處、補足短板，是現網部署應用長距離200G／400GOTN系統的關鍵。

2018年9月～2019年2月，中國移動組織了現網部署新型長距離大容量OTN系統的技術試點項目（以下簡稱本項目），集中應用了一批OTN應用領域的前沿新技術，探索了下一代長途OTN干線傳輸系統中具有代表性的技術演進方向，包括新型G.654E低損耗大有效面積光纖的國家干線端到端部署、靈活格柵（Flex－Grid）光器件和拉曼光纖放大器的工程應用等，并且首次用實測數據回答了200G／400G系統在新型光纖上的性能改善度和當前無電中繼傳輸距離等關鍵問題。本項目涉及北京、天津、河北、山東、安徽和江蘇等省市，線路最長距離約1 539km，在江蘇南京和徐州各設置一個遠端光 終 端 復 用 （Optical Terminal Multiplexer，OTM）站，本文將結合全程測試結果數據，對上述問題進行解析并提出相關策略建議。

1 需求分析及本項目關鍵點

1.1 長途干線傳輸系統需求特性分析

在運營實踐中，長途干線傳輸系統的需求特性排序為：首先是大容量低成本；其次是高可靠低時延；再次是靈活性。在滿足前兩者的前提下，可以通過提前精心測算并規劃電路局向和帶寬預留來部分滿足靈活性的需求。具體需求及演進方向如圖1所示。

圖1 長途干線傳輸系統需求特性及近期技術演進方向示意圖

實際運營管理中，因系統整體管理穩定和維護界面清晰的要求，長途干線傳輸系統對靈活性的需求比城域網低，通常僅要求電路局向靈活可調和帶寬可按需分配，現階段對動態快速建立拆除電路的要求并不高（除特定的高等級集團客戶專網系統之外）。

1.2 測試驗證的關鍵點

根據上述針對需求特性的分析，我們梳理了近期長途干線傳輸系統技術演進路徑，并選取其中的關鍵技術點在本項目中進行測試驗證，表1所示為演進路徑及近期關鍵點。

表1 演進路徑及近期關鍵點

根據上述思路，項目中主要完成了以下各項測試驗證工作：

（1）全程應用新型G.654E纖芯，實測了現網部署的G.654E光纖損耗和熔接損耗情況。同時，借助同路由和同纜的G.652D纖芯，比較了在完全相同的環境條件和系統組網條件下，G.654E光纖承載指標相比G.652D光纖的優勢。

（2）測試路徑基于現網真實環境，長度超出國內典型段落要求，測試驗證了系統能力上限，給出可信的無電中繼傳輸距離數據。其中少量長距離段落應用了拉曼／摻鉺光纖放大器組合放大器。

（3）測試組網采用支持Flex－Grid的 WSS器件，不僅滿足過路波長的低插損要求，還驗證了多種速率波道共存。

（4）測試4種典型的線路側板卡，涵蓋長途干線傳輸系統當前熱點技術，并比較其單位能效。

（5）驗證長途鏈路的端到端在線監測能力，并與儀表監測結果比對。

2 組網概況

2.1 系統結構

2018年3月～8月完成了OTN系統搭建，包含遠端OTM 站6個、光放大器（Optical Amplifier，OA）站17個；于2018年9月～2019年2月在該組網環境中完成了指標測試。圖2所示為測試系統結構示意圖。

圖2 測試系統結構示意圖

2.2 測試環境

圖3所示為測試環境示意圖。

圖3 測試環境示意圖

因本項目光層采用WSS器件，因此在OTM站C和D處，測試波道采用經WSS直通的方式，未采用傳統的合分波器背靠背連接方式。具體測試波道及其路徑情況如表2所示。

表2 測試波道和測試路徑情況

本項目中有多個主流OTN廠商設備參與，各廠商分別獨立組建全程系統，但均采用現網已規模部署的主流設備型號，其中烽火通信提供了Fonst6000系列產品參測。

3 測試驗證結果分析

3.1 G.654E光纖承載性能

同等條件下，G.654E光纖相對G.652D光纖的性能指標存在明顯優勢，表3所示為兩種光纖承載性能比較。

系統要求OSNR指標余量應≥5dB、Q值指標余量應≥3dB（表中用 和 分別標出了指標余量滿足和不滿足系統要求）。

表3 G.654E與G.652D光纖承載性能比較表

由表可知，對于長距200G波道，G.654E光纖的承載性能指標提升最為明顯。對于現網已大規模部署的100G波道，改用G.654E光纖后性能提升幅度有限，必要性不大。對于短距400G波道，因線路噪聲累積不明顯，改用G.654E光纖后改善幅度不及200G波道，但仍能改善通道的指標余量，對提高通道運行的可靠性有利。另一方面，單載波200G（16QAM）仍不能很好地滿足1 000km的無電中繼傳輸距離要求，為此，補充測試了該波道的實際傳輸能力，表4所示為f2波道補測情況。

表4 f2波道補測情況

3.2 G.654E光纖自身參數

對本項目中使用的光纖進行實測，表5所示為兩種光纖自身參數比較。

表5 兩種光纖自身參數比較

G.654E光纖自身具備低衰減系數優勢，實測平均性能優勢約為0.017dB／km。但在長途干線傳輸系統工程應用中真正起作用的不是纖芯自身衰耗，而是鏈路衰耗指標，它將會受到光纜敷設質量、熔接接頭質量和尾纖匹配等多種因素的影響，如果這些環節質量控制不佳，將導致最終落地的優勢減弱。其中，影響最大的是熔接接頭質量，由于G.654E與G.652D纖芯之間的有效面積差異大，其互熔損耗常常會超過0.15dB／個［7］，顯著超出了陸地干線光纜接續要求（平均接續損耗＜0.04dB、最大值不超過0.08dB）［8］，這樣的互熔接頭直接抵消了 G.654E自身的低衰減系數優勢。G.654E光纖的大有效面積優勢，可減輕光纖非線性效應的影響，降低了OSNR代價，本項目中實測可提高入纖功率約1dB。

因此，低衰減和大有效面積這兩方面的優勢相結合［9］，將點滴的優勢經過長距離的光信號傳輸積累，匯集并顯現出來，最終形成了本文前一小節中的G.654E光纖承載性能優勢。當前，基于光纖放大器的2R 技術（Reshaping and Re－amplification，對劣化的光信號進行再整形和再放大）并不能完善地解決脈沖重新整形的問題［10］，所以，單載波400G光信號尚無法長距離直接傳輸，G.654E光纖承載400 G波道的性能優勢還不明顯。未來，更苛刻的傳輸性能需求將使得G.654E光纖的使用成為一種趨勢［11］，隨著設備技術的進步，其優勢將會逐步顯現。

3.3 線路側板卡單位功耗

近年來高速傳輸系統的能耗隨容量快速增長，已開始接近單機架散熱能力的上限，個別干線節點已在機房中形成局部熱島。因此，一方面仍需繼續努力提升核心傳輸機房的單架散熱容限；另一方面作為OTN系統中能耗占比較高的線路側板卡，無論采用何種新技術，均應做到單位功耗的持平或下降，以免很快觸及散熱瓶頸。圖4所示為各型線路側板卡單位功耗測試結果比較示意圖。

圖4 各型線路側板卡單位功耗測試結果比較示意圖

由圖可知，采用高速率波道在線路側板卡單位功耗方面相比已成熟穩定的100G波道仍有一定優勢，但目前優勢尚不明顯。而高速率波道提升了對設備槽位和交叉容量的利用效率（端口速率提升、槽位占用減少），因此，折算成單條10G電路估算功耗之后則優勢更為突出，這一點同時也表明了進行綜合折算功耗比較而非僅僅線路側單位功耗比較的意義。

3.4 線路時延指標及在線測量

對時延測量的結果表明，現有技術手段已經可以對線路時延進行相當精確的在線測量，長距離測量的誤差在0.5%以內。同時，線路時延測量結果接近理論值，表明了全程無電中繼的OTN電路更適于承載時延敏感型業務。表6所示為線路時延指標測試結果。

表6 線路時延指標測試結果

3.5 在線OTDR監測

OTN系統內置OTDR監測功能已經可以對線路長度進行相當精確的在線測量，誤差在0.04%以內。段落衰耗測量結果仍有4%以內的誤差，尚需繼續改進。以其中某跨段部分光纖測試結果為例，如表7所示。

表7 在線OTRD測試結果

以上測試結果數據中包含了活動接頭、熔接接頭和尾纖等衰耗，且實際選用的尾纖長度有差異，引入一定誤差，因此，并不作為兩種類型光纖的鏈路衰耗測試數據比對來使用。

4 存在的問題及后續技術引入

4.1 線路技術

纖芯選擇和光纜：低衰減和大有效面積這兩方面的優勢相結合，使G.654E光纖成為面向400G／500G／1Tbit／s超高速傳輸技術的首選光纖，但當前存在的問題是G.654E與G.652互熔的衰耗較高，且自熔操作要求略有差異（熔接G.654E時要求增加預熔及放電時間）。面向5G部署后的流量持續增長，建議長途干線傳輸系統新敷設光纜或存量線路整體改造項目均應盡快轉向G.654E。為減輕維護管理和故障搶修難度，新建光纜段落不建議選用G.654E＋G.652D混合光纜產品。

工程應用要求：實際工程應用中建議不在一個光放段內出現G.654E和G.652的接續混用，應采用與G.654E線路光纖相匹配的跳纖和尾纖，以保障全程維護的一致性。

熔接施工要求：首先，需樹立G.654E熔接質量關乎工程性價比指標的觀念；其次，需要加強G.654E光纖熔接培訓，切實要求操作人員掌握G.654E光纖的熔接要點；再次，需注意熔接機顯示的接頭衰耗僅為估算參考值，需要采用OTDR進行雙向接頭衰耗測試取均值才能作為驗收指標，從而嚴格熔接質量管理。建議要求G.654E光纜工程驗收階段的鏈路平均衰耗指標應優于G.652約0.02dB／km（含接頭），以便充分體現技術優勢，凸顯項目性價比，并為后續高速系統加載做好準備。

4.2 設備技術

單載波200G（16QAM）可作為近期優選：該技術當前存在的主要問題是仍無法滿足1 000km無電中繼要求，但在無電中繼距離和頻譜利用效率上已取得了較好的平衡，基于G.652光纖的實用無電中繼傳輸距離超過600km，可在中國現有約84%的光復用段部署［12］。基于G.654E光纖的實用無電中繼傳輸距離可擴展至750km以上，可在約95%以上光復用段部署。同時，其波道間隔為50GHz，現有光層器件即可支撐其部署要求，無需更新為Flex－Grid器件，對系統改造的要求低。建議后續長途干線傳輸系統大流量截面的擴容波道應優選該技術。

單載波400G（16QAM）近期成熟度仍有待提高：該技術基于G.652光纖的實用無電中繼距離當前僅約100km，仍難以滿足長途干線傳輸系統的需要。基于G.654E光纖并結合應用拉曼光纖放大器提升其傳輸性能之后，實用無電中繼距離仍難以超過150km，暫無法進行大規模的商用部署，僅適用于少量數據中心互聯場景。同時，該技術與現有的Fixed－Grid器件并不兼容，不適合從現有光層系統直接升級，應優選新建系統部署。

現階段可做好向單載波400G演進的技術準備：新建長途干線傳輸系統時，建議優選Flex－Grid光層器件，以利系統后續向更高波道速率平滑演進。考慮各種載波速率將會長期混傳共存［13］，分別適用不同的傳輸距離／容量組合場景，Flex－Grid器件的額外成本將在后續波道配置組合的靈活性方面得到補償，且基于Flex－Grid構建的網絡生命周期會更長［14］。

針對骨干路由器400G端口互聯需求，逐步在短距段落應用單載波400G（16QAM）技術，并結合使用G.654E光纖和拉曼光纖放大器進一步提升其在長跨段的傳輸性能，待無電中繼傳輸距離達到600km后，推進規模商用部署。

規模引入在線監測技術：考慮時延和OTDR等在線監測功能對系統維護和業務質量跟蹤均具備顯著效用，建議作為必備功能引入。

5 結束語

經過本項目的現網部署實踐，驗證了在長途干線OTN傳輸系統中引入各項新技術并組合應用，顯現其應用價值并改善系統指標，相關關鍵技術將成為下一階段系統演進的重要和優先選擇。基于實測數據，我們提出了下一階段系統構建的技術選擇建議。未來，隨著單載波速率和系統總容量的進一步提升，長途干線系統的靈活調度功能將逐步轉向通過光交叉、光背板和支路上下波長選擇器來提供［15］，但本文中涉及的長距離和大容量線路側組網關鍵技術，仍將是新型系統中不可或缺的組成部分。