新型OTN 技術系統優化傳輸設計

李 俊

(陜西郵電職業技術學院,陜西 咸陽 712000)

0 引言

繼2019 年發布智簡全光網戰略后,華為面向全球發布業界首個Liquid OTN 光傳送解決方案,華為提出的一種硬管道的OTN 技術,但相比硬管道的SDH,Liquid OTN 可以分配顆粒度更小的管道(2 M~100 G),支持靈活容器,消除了時隙限制。 截至2019 年年底,華為已經幫助中國移動、中國電信、中國聯通、泰國CAT 等全球運營商建設了超過30張OTN 品質專線網絡。 而Liquid OTN 的推出不僅將加速OTN 品質專線的廣泛普及,同時還將夯實5G、家庭、企業/行業等各類業務的承載底座,加速全光網城市的普及,使能中國新型基礎設施建設。 并且有人認為分布式智能、Liquid OTN 將是第五代固定寬帶網絡的核心技術,是推動光纖到戶向光聯萬物演進的關鍵支點。

Liquid OTN 的業務承載量是非常大的,那么優化延長Liquid OTN 系統的中繼距離是非常有必要的。 目前用在光網絡中的摻鉺光纖放大器(Erbiumdoped Optical Fiber Amplifier,EDFA) 的放大帶寬有限[1-2],因此,增益帶寬比較寬的受激拉曼散射光放大器逐漸應用于光通信系統中,同時又由于它飽和輸出功率大、響應時間塊,同時易于實際光纖鏈路耦合等優點很快被光纖通信系統廣泛使用。 Liquid OTN[3]系統的業務量大,所以需要的可傳輸的帶寬自然是大一些好。

本文提出在Liquid OTN 系統中使用雙向泵浦受激拉曼散射增益譜平坦光纖放大器[4],使前向泵浦對信號光的頻移對信號光進行放大,并使后向泵浦對信號光的頻移對信號進行補償放大。 在Liquid OTN 系統中大業務量利用光纖通信系統傳輸的同時,可實現噪聲低[5],增益平坦化的信號輸出,優化延長傳輸距離。

1 Liquid OTN 技術

1.1 傳統OTN 技術

傳統OTN(光傳送網絡)[6]是以波分復用技術為基礎、在光層組織網絡的傳送網,是下一代的骨干傳送網。 解決了傳統WDM 網絡無波長/子波長業務調度能力、組網能力弱、保護能力弱等問題。 它解決了SDH 基于VC-12/VC4 的交叉顆粒偏小、調度較復雜、不適應大顆粒業務傳送需求的問題,也部分克服了WDM 系統故障定位困難,以點到點連接為主的組網方式,組網能力較弱,能夠提供的網絡生存性手段和能力較弱等缺點。 傳統OTN 網絡結構包含3 層,如圖1 所示。

圖1 OTN 網絡結構

1.2 Liquid OTN 技術

Liquid OTN 技術是區別于傳統OTN 技術的一種OTN 技術。 Liquid OTN 技術在設計時繼承了0TN 剛性硬管道的優勢.同時引入面向業務的靈活光業務單元(0S— Uflex)容器,破除了時隙限制,帶寬大小隨需,幀結構簡化了封裝層級,適合統一調度。

Liquid OTN 是業界首個小顆粒OTN 光傳送解決方案,解決方案由華為 OptiXtrans 全系列光傳送產品組成,是全球首個支持全業務承載的光傳送解決方案。具備以下三大關鍵能力。

(1) 泛在全光聯接:定義靈活彈性的新容器OSUflex,實現網絡硬切片的顆粒度達到2 Mbit/S,網絡聯接數提升500 倍。

(2)帶寬無損調整:支持2 Mbit/s~100 Gbit/s 無極無損帶寬調整,業務0 中斷,網絡資源利用率達到100%。

(3)超低傳輸時延:大幅簡化網絡傳輸層次,提供差異化分級時延,單站時延降低70%,達到微秒級,靈活適配各類對時延敏感的業務場景。

Liquid OTN 將加速光傳送網從物理承載網絡向業務承載網絡的演進,從而有效支撐運營商、企業/行業

作者簡介:李俊(1986— ),女,陜西寶雞人,講師,碩士;研究方向:光通信。構建以體驗為中心的承載網絡。 與此同時,Liquid OTN技術的出現,也將有效推動全球光網絡產業的繁榮,實現產業創新與商業創新的協同發展。

2 雙向泵浦受激拉曼散射增益譜平坦光纖放大器

2.1 雙向拉曼放大器的泵浦結構

拉曼散射效應是1928 年印度科學家C.V 拉曼發現的。 拉曼散射效應有普通拉曼散射效應和受激拉曼散射效應。 受激拉曼散射效應比普通拉曼散射效應更具有優勢。

雙向泵浦拉曼光纖放大器是將泵浦光同時從光纖信號光的輸入端和輸出端一同注入光纖中的,如圖2所示。

圖2 雙向泵浦

2.2 數學模型

基于受激拉曼散射增益譜在450 cm-1 波數處形成了一個對稱結構[7],如圖3 所示。 在一段光纖中利用前向泵浦與信號光產生的頻移對信號光進行放大作用,同時利用后向泵浦與信號光產生的頻移對信號光進行補償性的放大作用。

圖3 熔石英拉曼增益譜的近似計算模型(泵浦光波長為1.0 μm)

該拉曼光纖放大器的數學模型為基于光纖中受激拉曼效應的N-信道穩態SRS 耦合波方程[8]:

上式中ni(0)表示每個信道初始入射光子(在單位時間內流過光纖有效橫截截面的光子數)在z=0 處的通量,它是不隨時間變化的恒定值。ni(z)和nj(0)分別表示z處i,j信道中前向傳輸的光子通量,αi表示第i信道中光信號的線性衰減系數,rij是i,j信道之間光子通量的拉曼增益系數。

3 新型OTN 技術系統優化傳輸設計

在本設計中,主要是實現Liquid OTN 系統信號平坦化放大。 Liquid OTN 可以實現小顆粒到大顆粒的業務承載,也是基于波分多信道傳輸的。 在OTN 的線路放大器引入雙向拉曼光纖放大器,本設計中設定第1信道為前向泵浦光,第2 信道為后向泵浦光,第3 到n信道為信號光。 后向泵浦光的功率方程式為:

對于信號光來說是單向傳播,因此信號光適用于單向穩態SRS 耦合波方程,對于信號光來說,前向穩態N 信道耦合波方程變為:

對于信號光來說,當j=1 時,信道為前向泵浦光,(3)式變為:

對于信號光來說,當j=2 時,信道為后向泵浦光,(3)式變為:

當j=3……其他數時,信號波長很接近,彼此之間影響比較小,也應用了上述(4)式。

因為兩個泵浦波長比較接近,我們可以認為兩個泵浦波長的拉曼增益譜近似相同,如圖2 所示,用最小二乘法擬合出上述兩段范圍的直線方程如下:

b1為0.68×10-13m/W,k1為1.8×10-16m·cm/W;b2為0.66×10-13m/W,k2為-8.2×10-16m·cm/W。

本文設計如圖4 的雙向泵浦拉曼放大器結構示意圖,設λp為前向泵浦光波長,λp′為后向泵浦光波長,λ1到λn為n個信道的信號光,各信道按照波長遞增的順序等間隔排列。

圖4 雙向泵浦拉曼放大器結構

4 仿真結果及分析

基于上面的設計方法本文假定以下的設計參數,光纖長度為7 000 m,光纖衰減系數為0.20 dB/km,M=2,前向泵浦光功率pf= 500 mW,泵浦光波長λf=1 455.8 nm,k1=1.8×10-16

m·cm/w,b1=0.68×10-13m/w,后向泵浦光功率pb=120 mW,后向泵浦光波長λb=1 436.0 nm,k2=-8.2×10-16m·cm/W,b2=0.66×10-13

m/W。 假定有32 信道的復用信號光,信號光波長范圍為[1 544.8,1 557.8]nm,信道間隔為0.8 nm,設信號光初始輸入功率為10 μW。

在以上的參數下,利用上面所提到的設計原理,通過對信號32 信道的信號光進行仿真。 得到如下的仿真結果,圖5 是信號光的光功率隨傳輸距離的變化,圖6 是不同信號光的增益。

由下圖5 可以看出,信號光功率在光纖隨著傳輸距離的增加而增加,由于前向泵浦和后向泵浦的放大與補償放大,信號光的功率未出現不等情況,由下圖6可以看出,輸出端的增益最大達到了7.53 dB,增益平坦度為0.055 dB。

圖5 信號光功率隨傳輸距離變化

圖6 不同信號光的增益

5 結語

本文為延長Liquid OTN 系統傳輸距離,提出在該系統中運用雙向泵浦增益譜平坦性拉曼光纖放大器實現多路信號的增益平坦化放大,本文基于拉曼增益譜的對稱結構,在一根光纖中利用前向泵浦與信號光產生的頻移對信號光進行放大,利用后向泵浦與信號光產生的頻移對信號光進行補償性的放大,設計了在Liquid OTN 系統運用雙向泵浦增益譜平坦性拉曼光纖放大器,實現Liquid OTN 系統中合路信號的增益平坦化放大,支持Liquid OTN 系統中大業務量的承載,后續再進一步研究中繼距離的延伸。