光纖WDM信道的超快速自恢復與增強的服務可用性

[摘 要] 下一代光傳輸網絡將負載現有所有類型的有效載荷(同步和異步)，以及語音、視頻和互聯網等所有業務類型。由于每路光纖都負載著巨大的流量，它需要體現出快速的服務保障。這由一個具有不同層次的保護策略來完成，包括網絡、節點、鏈接和服務，以實現網絡和業務的可用性。在鏈路層，業務的可用性主要依賴于信號的質量和自主保護機制。然而，這種策略是僅在以下情況下起作用:在服務監控中鏈路性能一旦低于某個閾值水平，立即自動觸發切換至保護狀態。本文提出一個適用于光WDM網絡的自監測和自修復的方法。

[關鍵詞] 光網絡;WDM網絡;光網絡修復

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2010 . 20. 015

[中圖分類號]TN929.11 [文獻標識碼]A [文章編號]1673 - 0194(2010)20- 0041 - 04

一、 介 紹

下一代光傳輸WDM(波分復用)網絡將傳輸巨大的集群數據，負載現有所有類型的有效載荷(同步和異步)，以及語音、視頻和互聯網等所有業務類型。因此，它需要表現出快速的服務保障，比已有的SDH / SONET的 50毫秒更快，為了超過50毫秒，需制定保護策略，在網絡中監視信號質量性能，并自動切換至保護狀態。然而，這種策略僅在以下情況下起作用:在服務監控中鏈路性能，一旦低于某個閾值水平，立即自動觸發切換至保護狀態。然而目前，對于每一個信道服務性能的不間斷監測只限于對錯誤檢測編碼誤碼率估計。然而，這些碼速卻沒有達到WDM的速度要求:每信道傳輸速率10 Gbps，每根光纖的集群速率達到超過1Tbps。更精確的措施需要開銷抑制和具有服務突破性能的儀器。本文提出一種自我監督和自我修復方法，適用于光WDM網絡。 我們提出一個高效的解決方案，它包括脈沖幅值統計估計，SNR，Q和每個信道BER、積極調動算法(PRA)，以及源-接收器的閉環同步多重均衡(SME)理論。均衡和重賦值將在多重信道內同步進行。模擬結果對多種應用提供魯棒性和高效性的理論支持。

二、影響信號和業務的因素

影響光信號質量的因素有以下分類:線性和非線性的、衰減，串擾，色散斜率和色散，偏振模色散(PMD)，極化色散損耗(PDL)，四波混頻(FWM))，交叉相位調制(XPM)，符號間干擾(ISI)等。另一個主要因素是噪聲。噪聲可以來自本身或者外界。光纖放大器的自發輻射(ASE)是一種由摻鉺光纖放大器(EDFA)的拉曼噪聲疊加的噪聲。最后，有抖動和漂移添加到信號中。所有這些降解因素主要表現在脈沖形狀的聯合降解幅度、形狀和兩種脈沖漂移。即波譜脈沖漂移(中心波長，λ0)和時序脈沖漂移(周期中間點，T/ 2)。因此，到達接收端的信號衰弱(見圖1)。更重要的是到達接收端的脈沖失真的相對量和接收器期望信號的噪聲附加影響。光信號噪聲比(OSNR)提供了光探測器檢測光信號清晰度的措施，誤碼率(BER)為某些脈沖將被嚴重扭曲，致使其邏輯值將被誤讀的概率測量提供了可能性;也就是說，“1”是作為一個“0”，反之亦然。但是，接收器本身就產生了很多噪聲，如熱，散粒噪聲，以及閃爍時信號噪聲比(SNR)。因此，信噪比和誤碼率是兩個可觀測到的關鍵參數，它們為連續基(接收端)提供了對從激光源到接收器的完整鏈接的光學信道衰落的檢測措施。

三、誤碼率，信噪比，Q值和功率的統計估計

誤碼率由觀察信號本身或者對錯誤比特的檢測而得到。對一個信息幀的幀頭中的冗余校驗碼進行復雜的錯誤校驗得出誤碼率。定性準確地監視信號質量的一個合理的方法是采用眼圖測試。眼圖包含以下信息:振幅信息，誤碼率，信噪比，噪聲系數，Q因子等。通過對許多幀/數據包的錯誤檢測/糾正之比進行多項式方法的快速算法得出誤碼率估計值。

根據統計估算強度方程，

SNRappr = (ρ + 1)/ (ρ 1); where ρ = Emax/Eeye

Q = (|μ1 - μ0 |)/(| σ1 σ0|)

BER =erfc [Q/sqrt(2)]， or

BER= {1-erf(Vp/[2σn sqrt(2)]｝

Extinction ratio Rext.= μ1/μ0

NF = (Psi/kTodf )/SNR

根據這些方程， Q -因子，誤碼率和信噪比可通過統計估算的手段對收到的脈沖樣本進行標準偏差計算。

四、在役自監測鏈路性能

基于統計的G -因子，誤碼率和信噪比的方法可以通過搭建一個超大規模集成電路來實現(如圖2所示)。

圖2中的電路工作過程如下:光信號通過光檢測器檢測，它被采樣(SH)，形成2個直方閾值。其中一個為低于已定閾值(如邏輯“0”s)，另外一個為大于(邏輯 “1”s)的其余閾值采樣。通過這些采樣計算均值和標準差。因此，品質因數，誤碼率和信噪比也可以得出。由于該電路可單片集成接收器，它可用于在每個輸入端口連續工作。對脈沖抽樣，誤碼率，信噪比，Q因子和功率幅度估計進行記錄，從接收端返回到發射端的監測幀(包)的過程亦進行上述工作。

五、自修復策略

目前的性能估計值都被存儲，與之前的值進行比較。以便判定一個信道或一個鏈接是繼續保持合理狀態還是性能下降了。如果它降低和退化達到閾值，一個消息將被發送到源端。后者的信息發送到接收端，該性能下降的信道將被重新分配到另一個信道(具有更好的性能，然后它重新分配的渠道)。

在本文的模型中，衰落閾值設置高于最低可接受的性能。這種主動的重新分配算法(PRA)可以使信息(數據包)的損失最小化。檢測速度與Q的，誤碼率和信噪比的估計速度是相稱的，符合實際應用中WDM網絡中接收速度(1000bits)的要求。即在10Gbps時為0.1μs，當“松弛”抽樣時，它可能會低至1μs。性能估計在微秒級別，比現今任何已知估計方法精確3個數量級。

六、信道自我修復

本文假定討論的情況都支持信道均衡。一個典型的WDM均衡器位于鏈路由局部反饋回路構成的發送端，反饋回路由執行順序優化算法的計算單元驅動無線接收端組成。無線接收端是用來調節信道功率的可變衰減器，使所有信道功率都維持在0.1dB范圍內。此信道均衡是一個開環系統(從發射端到接收端)，由于在特定的信道上的鏈接沒有被占據，在接收端的每個信道的功率可能不一樣。

在本文的模型中，是在發射端執行均衡，接收端需要辨別哪些信道需要均衡。均衡量是根據接收端測得的功率(在監測信道從發射端傳回)得到。這就表示一個閉環系統和功率水平調整系統具有代表性、可行性和更快的速度。此外，該方法支持同步多新道均衡(SME)，也就是說支持多信道的同步和非順序。

因此，根據我們的算法，憑借發射端—接收端的閉合環的快速反饋，均衡速度更快，具有更高的準確性和更好的整體性。

七、結 論

在WDM鏈接中，信道性能估計需要快速進行，衰落和損耗必須被自修正，以保證不間斷的業務進行。本文提出一種統計方法，估計一個WDM信道和鏈路的性能參數，我們描述了一種體系結構，每個電路可單片集成接收器，它可用于在每個輸入端口連續工作。在接收端，在業務進行中，每個端口電路估計信道性能。在發射端調解通道性能，這樣才能構建一個發射端—接收端閉環鏈接系統。衰落的信道同時快速重新分配實現更準確的均衡。根據這個方法，快速信道保護或均衡達到了預期的性能水平，為 WDM光網絡提供了一種高效的和高魯棒性的解決方案。

八、中國聯合網絡通信有限公司長春市分公司2009年國干波分擴容工程(沈長哈齊通WDM80λ/L-1)實際工程概況

筆者參加了2009年沈陽—長春—哈爾濱—齊齊哈爾—通遼聯通波分國干WDM80λ/L-1工程。

本系統標準命名:沈長哈齊通WDM80λ/L1。

本工程WDM系統采用80波以10Gbps為基礎速率的單纖單向波分復用系統，提供80波10Gbps和2.5Gbps SDH系統混合傳輸能力。采用設備類型為華為技術有限公司的BWS 1600G。

沈陽—通遼段:沈陽—鐵嶺—昌圖—四平—公主嶺—長春—德惠—扶余—哈爾濱—肇東—大慶—林甸—齊齊哈爾—江橋—嘎什根—鎮賁—白城—通榆—太平川—長嶺—雙遼—大林—通遼，其中沈陽、長春、哈爾濱、齊齊哈爾、通遼為OTM站，其他站點為OLA站。

該工程在北京、沈陽利用原有EMS網管，除網關網元之外，其他各網元均通過光監控信道將告警等數據信息傳送至EMS網管系統，在呼和浩特、通遼、長春、哈爾濱利用原有網管終端監控本省設備。

九、DWDM系統的展望與光纖WDM信道的超快速自恢復與增強的服務可用性的意義

WDM技術因其對業務的透明性使得它在引入新業務的方便快捷方面具有得天獨厚的優勢，而城域網又往往是新業務層出不窮的地方，因此采用WDM技術建設城域網，對于新業務的方便引入和快速開通具有重要意義，是其他技術手段(往往需要開發專門的接口并在協議層面進行轉換或協調)難以企及的。由于用戶需求的逐年提高，WDM技術會被各運營商廣泛應用。WDM信道的超快速自恢復與增強的服務可用性使得在網絡環境比較復雜的網絡中引入WDM技術的理由更加充足。一方面它可以為架構于其上的數據網絡提供電信級的業務保護，增強了可靠性;另一方面，它可以釋放它所承載的SDH(或基于SDH的MSTP)網絡中用于保護的容量，在不降低業務保護級別的前提下，延長了原業務網絡的擴容間隔，從而使網絡的可延續性、可擴容性、安全性大幅度提高。

主要參考文獻

[1]S V Kartalopoulos.DWDM: Networks， Devices and Technology[M]. Wiley/IEEE Press， 2003.

[2]P F Szajowski， G Nykolak，et al. 2.4 km Free-space Optical Communication 1550 nm Transmission Link Operating at 2.5 Gb/s: Experimental Results[C]// Optical Wireless Communications， Proc. SPIE， vol. 3532，1998:29-40.

[3]S V Kartalopoulos. A Global Multi -Satellite Network[C]. Icc’97，Mantreat，Canada，1997.

[4] J M Wallace and P V Hobbs. Atmospheric Science: An Introductory Survey[M]. Orlando，FL:Academic Press，1977.

[5] I I Kim， M Mitchell， and E Korevaar. Measurement of Scintillation for Free-space Laser Communication at 785 nm and 1550 nm[C]//Optical Wireless Communications II， Proc. SPIE， vol. 3850， 1999:11-19 .

[6]S V Kartalopoulos.Surviving a Disaster[J].IEEE Communications Magazine，2002，40(7):124-126.