N×100Gbit/s波分關鍵技術淺析及系統保護研究與測試

陳宏標，沙慶良，吳 飛，沈步陽

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

數據業務的爆發式增長，消耗了大量的帶寬，承載網面臨著嚴峻的挑戰，現有的10 Gbit/s/40 Gbit/s波分系統不能滿足骨干網對大量數據傳輸的需求。隨著100 Gbit/s標準的完備和100 Gbit/s技術的逐步成熟，業界普遍更看好100 Gbit/s系統的發展前景，認為其在未來將得到廣泛的部署和應用，并且會像10 Gbit/s系統那樣具有較長的生命周期。相對于40 Gbit/s線路速率而言，100 Gbit/s線路速率能更好地解決運營商日益面臨的業務流量及網絡帶寬持續增長方面的壓力。另一方面，近年來對網絡維護的要求越來越高，各運營商均在干線波分上應用OLP以減少光纜阻斷對網絡的影響，但由于40 Gbit/s波分技術上的限制，40 Gbit/s波分系統OLP的可實施性、可操作性很差，對傳輸網的維護造成了很大的壓力，100Gbit/s波分的技術能否解決上述問題、其OLP能否方便實施成為運維部門重點關注的問題。

2 100Gbit/s波分關鍵技術

隨著比特率的增加和傳輸距離的延長，波分系統的長距離傳輸受OSNR、色散、非線性效應、PMD等物理條件限制。40 Gbit/s、100 Gbit/s傳輸系統面臨的挑戰如圖1所示。

為了克服上述挑戰，100 Gbit/s引入了以下關鍵技術，包括100 Gbit/s調制技術、相干接收和DSP技術以及SD-FEC（硬判決FEC）技術。

圖1 40Gbit/s、100Gbit/s傳輸系統面臨的挑戰

2.1 100Gbit/s調制技術

（1）調制技術及其頻譜效率

相同數據速率情況下，調制符號所表示的比特數越大，所需符號傳輸的波特率越小，所需傳輸帶寬越窄，頻譜效率越高。目前QPSK是100 Gbit/s調制方式的最佳選擇，比特率是112 Gbit/s或者更高。調制技術及其頻譜效率對比如圖2所示。

圖2 調制技術及其頻譜效率對比

（2）偏振復用

如果直接采用QPSK調制，會對系統的光/電器件質量提出非常高的要求，業界提出了偏振復用方案。偏振復用方案采用兩路獨立的光偏振態承載56 GHz業務，每路偏振態都采用QPSK調制方式，可以將100 Gbit/s信號速率降低到28 Gbit/s，降低了對光/電器件的帶寬要求。

偏振復用和QPSK的使用，可以將調制速率降為1/4，使100 Gbit/s系統能使用成本更低的技術。而更低的調制速率可以降低光信號傳輸參數的靈敏度，相比10 Gbit/s系統，100 Gbit/s在CD和PMD上擁有更好的容限。

（3）100 Gbit/s系統不同調制碼型的性能

100 Gbit/s系統不同調制碼型的性能對比見表1。

表1 100Gbit/s系統不同調制碼型的性能對比

2.2 相干接收和DSP技術

（1）相干接收

相干接收的原理如圖3所示。相干接收不但可以提高接收信號的信噪比，而且可以補償一些信號在傳輸中產生的損失。相干接收可以保存光信號的相位信息，用電處理的方式還原出兩路偏振態，并且補償信號由于長距離傳輸造成的一些損傷。

圖3 相干接收原理

（2）DSP技術

DSP技術的引入可以有效地消除由于CD和PMD所帶來的眼圖上的失真和碼間干擾。基于DSP技術的100 Gbit/s系統，色散容限可以達到40 000～60 000 ps/nm，PMD容限可以達到25～30 ps。線路中不再需要色散補償模塊，PMD也不再是傳輸距離的限制因素。

2.3 SD-FEC技術

相比10 Gbit/s系統，100 Gbit/s的OSNR需要提高10倍，因此，除了調制和接收技術外，還需要FEC技術。

在SD-FEC中，解碼器判斷信號的標準時，在二進制的“0”和“1”之間選擇，這種編碼模式丟棄了信號的一些統計特性。軟判決可以最大限度地使用信號中包含的信息，精細化分信號的判斷標準，然后應用這些豐富的信息判斷接收到的信號是“1”還是“0”。使用這種采樣信息，解碼器可以提供更高的解碼準確率，從而提高系統性能。在相同的速率下，軟判決FEC比硬判決FEC的凈編碼增益高1～2 dB，如圖4所示。

3 100Gbit/s波分OLP研究

由上述分析可以看出，由于100 Gbit/s波分采用了偏振復用和QPSK調制技術、相干接收和DSP技術以及SDFEC，100 Gbit/s波分具有較低的OSNR容限，色散容限可以達到40 000～60 000 ps/nm，PMD容限可以達到25～30 ps，線路中不再需要色散補償模塊，PMD也不再是傳輸距離的限制因素，因此相比40 Gbit/s波分，100 Gbit/s波分更易于實施OLP。

3.1 OLP原理

OLP即光線路保護，一般采用雙發選收的方式，即傳輸設備Tx口發出的光經過OLP設備后，在發端通過OLP的分光器把業務光分為相等的2路，50%作為業務光，在主用路由上傳輸，50%作為測試光，在備用路由上傳輸，用來對備用路由的指標進行實時監控。OLP原理如圖5所示。OLP設備檢測到主用路由線路出現故障時，設備切換到備用路由，實現整個線路的倒換，不會影響到業務的傳輸，也不需要判斷兩端設備通信后是否切換線路。

需要注意的是，為了保證OLP的順利實施，需主備路由線路的衰耗、色散、PMD等參數盡可能一致，但現網中很難做到主備路由線路完全一致，而40 Gbit/s波分系統的色散容限、PMD容限指標非常小，備用線路極小的參數變化都可能超出40 Gbit/s波分系統的指標范圍，因此40 Gbit/s波分系統難以實現OLP。

圖4 軟判決FEC與硬判決FEC凈碼增益對比

圖5 OLP原理

3.2 100Gbit/s波分OLP關鍵因素

（1）色散

100Gbit/s波分系統的色散容限為40 000～60 000 ps/nm，并且線路中不再使用色散補償模塊，而是采用DSP技術進行色散補償，因此，備用線路的色散變化不會超出系統指標范圍，從而影響系統性能。

（2）PMD

100 Gbit/s波分系統的PMD容限為25～30 ps，通常情況下纖芯的PMD系數為0.07，由此推算傳輸距離為127 550～183 670 km，PMD不再是傳輸距離的限制因素，因此，備用線路的PMD變化也不會超出系統指標范圍，從而影響系統性能。

（3）衰耗

假定系統的主用路由光纖為G.652或G.655光纖，計劃實施OLP的光放段長度為L（km），VOA可調節范圍為1～V（dB），當前VOA值為V1。相比無OLP的系統，實施OLP后由于光路一分為二導致線路光功率一般降低3～4 dB（含OLP板卡的插損），典型值為3 dB。光纖的衰耗系數一般取值為0.25 dB/km。

對于計劃實施OLP的光放段，首先需要增加OLP板卡，相應需要調整VOA設置值為V1-3；其次，再計算主備路由距離的差異范圍。

根據上述參數，可推算出備用路由增長光纖可多引入衰耗的最大值為：

備用路由縮短光纖可少引入衰耗的最大值為：

由此得出備用纖芯的衰耗變化范圍可為：

由式（3），推算出備用纖芯的長度范圍Lnew為：

由于G.652、G.655光纖的衰耗系數一致，因此，備用纖芯采用相同或不同光纖類型不會影響OLP的性能。

綜上所述，100 Gbit/s波分系統的OLP無需考慮色散和PMD因素，只要考慮衰耗因素即可，即只要備用路由纖芯相比主用路由增加或減少的衰耗在VOA冗余范圍內，100 Gbit/s波分系統的OLP即可成功實現。

4 100Gbit/s波分OLP測試驗證

為了驗證100 Gbit/s波分系統的OLP，筆者于2012年7月對F廠商100 Gbit/s波分系統進行了測試。

4.1 測試環境

該波分系統的設備型號為FONST5000 100 Gbit/s，碼型為PM-QPSK，網絡拓撲如圖6所示。測試儀表包括AQ6317光譜分析儀和JDSU ONT-506 100 Gbit/s信號分析儀等。

圖6 F廠商100 Gbit/s波分系統拓撲

在線路方面，節點1與節點2之間為G.655 75 km光纖，節點3與節點4之間為G.652 75 km光纖，其余節點間均為G.652光纖。選定節點3與節點4之間的光放段進行OLP測試。

4.2 理論計算

依據第3.2節所述的方法，了解系統相關參數。所選段落的光纖類型為G.652，長度為75 km，VOA可調范圍為1～21 dB，當前VOA值為11。只考慮衰耗因素，計算備用路由的長度范圍：

·根據計算，采用同類型光纖（即G.652）備用路由的長度范圍為23～103 km；

·采用不同類型光纖（即G.655）備用路由的長度范圍為23～103 km。

4.3 測試結果

依照上述計算結果，搭建OLP進行測試驗證。

（1）備用路由使用與主用路由類型相同光纖（G.652）

主備路由相同的光纖倒換時間測試結果見表2。

表2 主備路由相同的光纖倒換時間測試結果

在主備路由類型相同的光纖情況下，OLP在備用路由50～100 km范圍成功，業務恢復正常。測試結果符合預期。

（2）備用路由使用與主用路由類型不同光纖（G.655）

主備路由不同的光纖倒換時間測試結果見表3。

表3 主備路由相同的光纖倒換時間測試結果

在主備路由類型不同的光纖情況下，OLP也在備用路由50～100 km范圍成功，業務恢復正常。測試結果符合預期。

（3）備用路由使用混合類型光纖（G.652+G.655）

主備路由使用混合光纖的倒換時間測試結果見表4。

表4 主備路由使用混合光纖的倒換時間測試結果

在備用路由使用混合類型的光纖情況下，OLP也取得成功，業務恢復正常。測試結果符合預期。

測試結果表明，本文提出的100 Gbit/s波分系統OLP結論可行，即100 Gbit/s波分OLP無需考慮色散和PMD因素，只要備用路由纖芯相比主用路由增加或減少的衰耗在VOA冗余范圍內，即可成功實現。

5 結束語

本文分析了100 Gbit/s波分關鍵技術，提出了100 Gbit/s波分OLP無需考慮主備路由的色散和PMD的差異，只需要保證備用路由引入的衰耗在光放大器VOA的冗余范圍內，即可確保OLP倒換成功進行的結論，并進行了測試驗證，測試結果符合預期。測試結果證明，本文提出的100 Gbit/s波分系統OLP結論可行，可操作性強，可以指導100 Gbit/s波分系統OLP的實際操作，對解決100 Gbit/s波分系統OLP問題具有重要的參考意義。

1 YDB 077-2012.中華人民共和國行業通信行業標準.N×100 Gbit/s光波分復用（WDM）系統技術要求，2012

2 YDT 1159-2001.中華人民共和國行業通信行業標準.光波分復用（WDM）系統測試方法,2001

3 YD/T 1266-2003.中華人民共和國行業通信行業標準.SDH環網保護倒換測試方法,2003