40G WDM關鍵指標及技術解決方案

張 濤，喬月強 （.上海貝爾股份有限公司，北京 0005；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 前言

2008年以來，40G WDM技術迅速在國內應用，移動、電信、聯通三大運營商均實施了省際干線的80×40G WDM項目。目前國內40G WDM技術應用已由少量波長試用轉向大規模布署。40G WDM建設時需要考慮40 Gbit/s的線路碼型、OSNR等幾種關鍵指標。阿爾卡特朗訊是40G WDM產品的重要供應商之一，因此，了解其40G WDM解決方案及技術特點具有重要的參考意義。

1 40 Gitb/s線路碼型的選擇

單波10、2.5 Gbit/s速率的波分系統常使用幅度調制和直接調制，由于噪聲和色散等因素與速率成正比或是成正比平方關系，這種方式在40G WDM系統中已難以實現與10G WDM相同的跨段能力。從各廠家的最后選擇來看，除了采用相位調制方式外，多樣性的線路碼型也是40G WDM系統一個特點，這是各廠商權衡技術難度、適用場景、成本等因素的結果。截至目前，國內40G WDM項目主要由中國聯通和中國電信建設，應用的碼型主要有基于相位調制的部分差分相移鍵控 （P-DPSK）和歸零差分正交相移鍵控 （RZDQPSK）2種。

2 40G WDM國標規定的主要關鍵指標

自20世紀90年代國內引入2.5 Gbit/s速率的波分系統以來，OSNR一直作為重要的性能評價指標，但OSNR并不與誤碼率直接對應，OSNR是光層面上的考量，而誤碼率是經過光電轉換之后的結果；而且隨波分系統線路速率的提高，在線OSNR精確檢測的成本越來越高，如何使用誤碼率及與之直接關聯的Q值來衡量波分系統的性能越來越受到關注。

2.1 OSNR指標要求

最新頒布的行業標準 《N×40 Gbit/s光波分復用（WDM）系統技術要求》（YD/T 1991-2009），詳細列出了OSNR要求，包括2類指標：接收機光信噪比容限（EOL）和MPI-RM點每通路最小光信噪比。前者可以形象地理解成OTU的能力，下文簡稱 “背靠背OSNR”，后者可以理解成經過光路損傷后光信號的完好程度，下文簡稱“過系統OSNR”。2類指標有著對應關系，兩者值之間的差值要求為4.5～5 dB。其中包含了2部分內容：第一部分是通道OSNR代價（2 dB）；第二部分是系統OSNR裕量（2.5～3 dB）。另外接收機還包含0.5 dB老化裕量，即背靠背OSNR容限BOL值與EOL值之間的差值，因此通道OSNR裕量（BOL）至少應該達到 3～3.5 dB。

YD/T 1991-2009對不同線路碼型的OSNR要求不一。其實，各廠家的技術存在差異，即使使用同一線路碼型，其設備的性能，包括背靠背OSNR，也不盡相同。因此說，兩者的差值更能體現系統的富裕量。比如，OTU的能力越強（對應的背靠背OSNR值越低），就可以允許光信號在光通道的損傷程度大一些 （過系統OSNR值低），但要保證兩者間的差值，保證系統有足夠的裕量。［1］

2.2 誤碼率及裕量指標要求

OSNR不能直接體現傳輸性能，并且對于40G WDM系統，采用常規OSNR測試方法無法實現在線測試，新的測試方法又尚不成熟，這給40G WDM系統中采用OSNR指標進行在線運行維護帶來了不便。因此有必要引入一種便于在線評估40G WDM系統性能的輔助指標，以進一步增強40G WDM系統的運行維護能力。Rn參考點糾錯前誤碼率（Pre-FEC BER）則是滿足上述要求的有效輔助手段之一。

誤碼率（BER）是衡量一個數字傳輸系統最本質的參數，但是在低誤碼率傳輸系統中，BER的準確測試需要非常長的時間，使用起來極其不便，與誤碼率有對應關系的Q值則可以很好地反映系統的實際誤碼率，既包括了光通路也包括了光電轉換后的性能，故更準確。Q值可定義為

式中：

μ1——接收機接收到的“1”信號的電流/電壓平均值

μ2——接收機接收到的“0”信號的電流/電壓平均值

σ1——接收機接收到的“1”信號的電流/電壓標準差

σ2——接收機接收到的“0”信號的電流/電壓標準差

與OSNR裕量的概念相仿，YD/T 1991-2009使用了Q值裕量，或理解為誤碼率裕量，即系統當前的Q值與在極限狀態下系統剛剛滿足輸出無誤碼時Q值的差值，在YD/T 1991-2009附錄中提到的Q值裕量為3~3.5 dB。在YD/T 1991-2009中，對于EFEC，要求應實現2E-3線路隨機碼的糾錯，同時對于EFEC光通道工程設計，要求最大糾前誤碼率閾值為1E-5，兩者對應的Q值分別為9.2和12.6 dB，據此，可推出Q值裕量（或說誤碼率裕量）為3.4 dB。

如果一個波分系統的極限糾錯能力達不到2E-3，要保證這個裕量，則進入FEC前的誤碼率必須更低；相反，如果系統的FEC的糾錯能力強，應允許進入FEC前的誤碼率更差一些。比如，阿爾卡特朗訊波分系統所用的FEC的極限糾錯前的誤碼率為4E-3，對應的Q值約為8.5 dB，如果仍保證1E-5的入FEC誤碼率，則對應Q值為12.6 dB，系統的誤碼率裕量為4.1 dB，這時應允許入FEC的誤碼率差一些。

從技術的角度講，基于誤碼率的裕量對系統設計更有意義，原因有三。第一：相對于OSNR裕量，誤碼率裕量僅包括了富裕值而不包括代價部分，誤碼率裕量更精確地衡量了系統用于維護和防范波分系統老化的富裕情況，這可能是標準中誤碼率裕量不再區分光放段數量差異的一個原因。第二：誤碼率裕量與FEC的糾錯前誤碼率直接相關，可通過數學計算得出，而糾錯前誤碼率與糾錯后誤碼率的對應關系有比較明確的曲線對應，能比OSNR更準確地對應用戶側的誤碼率。第三：OSNR精確在線檢測越來越難，使得更有可能選擇誤碼率或誤碼率裕量在線檢測方案。

3 40G WDM技術

3.1 阿爾卡特朗訊的40G WDM碼型

阿爾卡特朗訊40G WDM系統可以提供PSBT、PDPSK和PDM-BPSK 3種線路碼型，分別適用于本地網、省內省際骨干網、超長距骨干網的應用。

3.2 阿爾卡特朗訊的FEC

不同編碼FEC的糾錯能力差異較大，ITU-T標準G.975-1定義了8種不同的FEC編碼方式，最強糾錯能力達到4.6E-3，部分FEC編碼最大糾錯能力還達到YD/T 1991-2009規定的2E-3。阿爾卡特朗訊的波分產品采用G.975.1定義的第8類FEC編碼I.9，雙路間插擴展BCH （1020，988），這種編碼的開銷冗余約為6.69%，與G.975或G.709/Y.1331定義的開銷比例相符［2］。 這種 FEC 的糾錯曲線及與標準 RS（255，239）FEC 的糾錯曲線的對比參見圖 1［2］。

圖1 BCH（1020，988）與 RS（255，239）糾錯曲線

阿爾卡特朗訊所用的FEC在滿足1E-12的輸出時，其最大輸入糾錯能力達到4E-3［2］，完全滿足YD/T 1991-2009規定的2E-3，當系統的糾前誤碼率滿足YD/T 1991-2009規定的1E-5時，系統的裕量約為4.1 dB。

3.3 P-DPSK及PMDC方案

從項目應用來看，P-DPSK碼型和RZ-DQPSK碼型基于衰耗的跨段能力相仿，但由于線路碼型波特率的因素，RZ-DQPSK碼型的DGD容限比P-DPSK碼型的高。

阿爾卡特朗訊的P-DPSK碼型在1 dB OSNR代價下的DGD容限可達到7.5 ps，如遇到光纜及系統累計的DGD大于7.5 ps時，可以考慮采用額外的OSNR代價或者配合采用PMDC板卡2種方案。圖2和圖3的數據引自某運營商的驗收測試部分數據，反映了2種DGD補償技術方案的特點。

OSNR補償方案是指一個光復用段總的DGD超過7.5 ps，過系統OSNR與背靠背OSNR差值超過4.5/5 dB的部分可以用來補償超標的DGD。這種方法無需增加硬件，不增加成本，不足之處是補償的DGD范圍有限，當DGD超過12 ps后，所需的OSNR劇增。另一種方案是采用PMDC板卡補償；從測試數據可以看到，P-DPSK配合PMDC方案允許的DGD容限稍優于RZ-DQPSK碼型；由于需要增加PMDC硬件，相應要增加成本。

圖2 無PMDC的OSNR代價

圖3 有PMDC的OSNR代價

圖4、圖5是2008年以來國內的40 Gbit/s省際干線DGD統計情況，表中DGD數據以光復用段為計算單位，包括光纜及設備部分所有DGD，設備部分根據阿爾卡特朗訊設備數據計算，分別列出累計公里數和光復用段數量的分布情況?？梢钥闯觯?0G WDM國內省際干線上仍會遇到一小部分 （累計公里數和光復用段數量分別占10%和6%）超過12 ps的場景，采用P-DPSK板卡時，這部分項目極可能需要采用PMDC的補償方案。

圖4 基于OMS的DGD長度統計

圖5 基于OMS的DGD數量統計

圖4和圖5統計的40G WDM項目中，約有31%的光復用段的光纜等效PMD大于0.1 ps·km1/2，在新的ITU-T建議中，將G.652、G.655的B類和D類光纖的PMD 修訂為 0.2 ps·km1/2［3-4］， 光纖國家標準規定更嚴格，要求如果系統要支持40G WDM系統400 km的應用，成纜的PMD應不大于0.1 ps·km1/2，國內各運營商均已在干線上執行這個標準。因此可以相信，國內干線的PMD指標會越來越好。

3.4 相干檢測方案

如果40G WDM要在北京、武漢、廣州、上海間建超長距直達系統，必須要求更遠的跨段能力，目前來看，P-DPSK和RZ-DQPSK的跨段能力無法滿足，需要利用相干檢測配合極化復用提供更長跨段能力。

相干檢測在接收側采用高精度的同頻率激光信號與接收信號混合，通過同頻相干原理，增強目標信號，并對相干產生的信號幅度、相位、極化模諸多信息作進一步處理，恢復經過線路損傷的原始信號。由于恢復后的信號既有幅度，也包含了偏振態和相位信息，可以在接收端電域實現對色度色散、極化模色散補償。

中心城市間的無電中繼直達方案如以北京、武漢、上海、廣州為例，平均起來，2個相鄰中心城市間經過2個省會城市；這也意味著，與現有的80×40G系統相比，超長距方案每個光復用段可以少設2個再生站。以現有的40G WDM系統集成度，按80波滿配，這2個站少設20個左右的600×300標準機架。由此，機房占地、電源消耗、空調消耗、維護人員的成本將大大下降。

相干檢測方案的DGD容限很高，例如YD/T 1991-2009規定的DP-QPSK碼型在1 dB代價時，DGD容限可以達到75 ps，這帶來了另一種應用場景。國內西部部分省際干線段落光纜敷設得早，DGD的指標很差，光復用段的累計DGD超過PMDC配合PDPSK方案及RZ-DQPSK碼型方案的極限DGD能力，這時可以用相干檢測方案。

差分檢測系統中，除在端站和光放站作色度色散補償外，還需要內置TDCM逐波長精細補償，通常TDCM的響應時間是min級；主備路由有一定差異時，系統可能被TDCM拖累，增加業務倒換需要的時間。采用相干檢測時，色散補償在電域實現，不需要內置TDCM，不會因此造成長時間業務損傷。

未來波分系統可以加入控制平面，當采用ROADM方式作路由保護、恢復時，局部的光纜往往對全局性能造成影響。如果系統中間少量光纜的DGD指標差，將導致無論光纜衰耗多小，采用P-DPSK和RZDQPSK碼型方案必須在中間中繼2次或以上，而采用相干檢測可將光復用段減少至1個，減少波長轉換器數量。同時相干檢測無TDCM補償，又可提高業務的故障保護、恢復速度，提高業務可靠性。

4 結束語

40G WDM設備在國內干線上已規模應用，采用的設備廠家主要有阿爾卡特朗訊、華為、中興、烽火等，各廠商采用的40G WDM技術方案不盡相同，運營商在進行選擇時需權衡建設成本、技術成熟度、應用場景等因素綜合考慮。本文結合工程應用實際經驗，列出并分析了YD/T 1991-2009給出的40G WDM系統的主要指標，同時對阿爾卡特朗訊40G WDM系統FEC、PMDC、相干檢測等主要技術方案進行了詳細介紹，并給出了應用場景建議。

［1］YD/T 1991-2009 N×40 Gbit/s光波分復用 （CWDM）系統技術要求［S/OL］.［2011-02-11］.http://www.bzxz.net/bzxz/151160.html.

［2］G.975.1 （02/2004）Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems［S/OL］.［2011-02-11］.http://www.catr.cn/radar/itut/201007/P020100707621029951507.pdf.

［3］G.652（11/2009）Characteristics of a single-mode optical fibre and cable［S/OL］. ［2011-02-11］.http://www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx?id=10389.

［4］G.655 （11/2009）Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre and cable ［S/OL］.［2011-02-11］.http://www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx?id=10390.