40G WDM关键指标及技术解决方案

张 涛，乔月强 （.上海贝尔股份有限公司，北京 0005；.中讯邮电咨询设计院有限公司，河南 郑州 450007）

0 前言

2008年以来，40G WDM技术迅速在国内应用，移动、电信、联通三大运营商均实施了省际干线的80×40G WDM项目。目前国内40G WDM技术应用已由少量波长试用转向大规模布署。40G WDM建设时需要考虑40 Gbit/s的线路码型、OSNR等几种关键指标。阿尔卡特朗讯是40G WDM产品的重要供应商之一，因此，了解其40G WDM解决方案及技术特点具有重要的参考意义。

1 40 Gitb/s线路码型的选择

单波10、2.5 Gbit/s速率的波分系统常使用幅度调制和直接调制，由于噪声和色散等因素与速率成正比或是成正比平方关系，这种方式在40G WDM系统中已难以实现与10G WDM相同的跨段能力。从各厂家的最后选择来看，除了采用相位调制方式外，多样性的线路码型也是40G WDM系统一个特点，这是各厂商权衡技术难度、适用场景、成本等因素的结果。截至目前，国内40G WDM项目主要由中国联通和中国电信建设，应用的码型主要有基于相位调制的部分差分相移键控 （P-DPSK）和归零差分正交相移键控 （RZDQPSK）2种。

2 40G WDM国标规定的主要关键指标

自20世纪90年代国内引入2.5 Gbit/s速率的波分系统以来，OSNR一直作为重要的性能评价指标，但OSNR并不与误码率直接对应，OSNR是光层面上的考量，而误码率是经过光电转换之后的结果；而且随波分系统线路速率的提高，在线OSNR精确检测的成本越来越高，如何使用误码率及与之直接关联的Q值来衡量波分系统的性能越来越受到关注。

2.1 OSNR指标要求

最新颁布的行业标准 《N×40 Gbit/s光波分复用（WDM）系统技术要求》（YD/T 1991-2009），详细列出了OSNR要求，包括2类指标：接收机光信噪比容限（EOL）和MPI-RM点每通路最小光信噪比。前者可以形象地理解成OTU的能力，下文简称 “背靠背OSNR”，后者可以理解成经过光路损伤后光信号的完好程度，下文简称“过系统OSNR”。2类指标有着对应关系，两者值之间的差值要求为4.5～5 dB。其中包含了2部分内容：第一部分是通道OSNR代价（2 dB）；第二部分是系统OSNR裕量（2.5～3 dB）。另外接收机还包含0.5 dB老化裕量，即背靠背OSNR容限BOL值与EOL值之间的差值，因此通道OSNR裕量（BOL）至少应该达到 3～3.5 dB。

YD/T 1991-2009对不同线路码型的OSNR要求不一。其实，各厂家的技术存在差异，即使使用同一线路码型，其设备的性能，包括背靠背OSNR，也不尽相同。因此说，两者的差值更能体现系统的富裕量。比如，OTU的能力越强（对应的背靠背OSNR值越低），就可以允许光信号在光通道的损伤程度大一些 （过系统OSNR值低），但要保证两者间的差值，保证系统有足够的裕量。［1］

2.2 误码率及裕量指标要求

OSNR不能直接体现传输性能，并且对于40G WDM系统，采用常规OSNR测试方法无法实现在线测试，新的测试方法又尚不成熟，这给40G WDM系统中采用OSNR指标进行在线运行维护带来了不便。因此有必要引入一种便于在线评估40G WDM系统性能的辅助指标，以进一步增强40G WDM系统的运行维护能力。Rn参考点纠错前误码率（Pre-FEC BER）则是满足上述要求的有效辅助手段之一。

误码率（BER）是衡量一个数字传输系统最本质的参数，但是在低误码率传输系统中，BER的准确测试需要非常长的时间，使用起来极其不便，与误码率有对应关系的Q值则可以很好地反映系统的实际误码率，既包括了光通路也包括了光电转换后的性能，故更准确。Q值可定义为

式中：

μ1——接收机接收到的“1”信号的电流/电压平均值

μ2——接收机接收到的“0”信号的电流/电压平均值

σ1——接收机接收到的“1”信号的电流/电压标准差

σ2——接收机接收到的“0”信号的电流/电压标准差

与OSNR裕量的概念相仿，YD/T 1991-2009使用了Q值裕量，或理解为误码率裕量，即系统当前的Q值与在极限状态下系统刚刚满足输出无误码时Q值的差值，在YD/T 1991-2009附录中提到的Q值裕量为3~3.5 dB。在YD/T 1991-2009中，对于EFEC，要求应实现2E-3线路随机码的纠错，同时对于EFEC光通道工程设计，要求最大纠前误码率阈值为1E-5，两者对应的Q值分别为9.2和12.6 dB，据此，可推出Q值裕量（或说误码率裕量）为3.4 dB。

如果一个波分系统的极限纠错能力达不到2E-3，要保证这个裕量，则进入FEC前的误码率必须更低；相反，如果系统的FEC的纠错能力强，应允许进入FEC前的误码率更差一些。比如，阿尔卡特朗讯波分系统所用的FEC的极限纠错前的误码率为4E-3，对应的Q值约为8.5 dB，如果仍保证1E-5的入FEC误码率，则对应Q值为12.6 dB，系统的误码率裕量为4.1 dB，这时应允许入FEC的误码率差一些。

从技术的角度讲，基于误码率的裕量对系统设计更有意义，原因有三。第一：相对于OSNR裕量，误码率裕量仅包括了富裕值而不包括代价部分，误码率裕量更精确地衡量了系统用于维护和防范波分系统老化的富裕情况，这可能是标准中误码率裕量不再区分光放段数量差异的一个原因。第二：误码率裕量与FEC的纠错前误码率直接相关，可通过数学计算得出，而纠错前误码率与纠错后误码率的对应关系有比较明确的曲线对应，能比OSNR更准确地对应用户侧的误码率。第三：OSNR精确在线检测越来越难，使得更有可能选择误码率或误码率裕量在线检测方案。

3 40G WDM技术

3.1 阿尔卡特朗讯的40G WDM码型

阿尔卡特朗讯40G WDM系统可以提供PSBT、PDPSK和PDM-BPSK 3种线路码型，分别适用于本地网、省内省际骨干网、超长距骨干网的应用。

3.2 阿尔卡特朗讯的FEC

不同编码FEC的纠错能力差异较大，ITU-T标准G.975-1定义了8种不同的FEC编码方式，最强纠错能力达到4.6E-3，部分FEC编码最大纠错能力还达到YD/T 1991-2009规定的2E-3。阿尔卡特朗讯的波分产品采用G.975.1定义的第8类FEC编码I.9，双路间插扩展BCH （1020，988），这种编码的开销冗余约为6.69%，与G.975或G.709/Y.1331定义的开销比例相符［2］。 这种 FEC 的纠错曲线及与标准 RS（255，239）FEC 的纠错曲线的对比参见图 1［2］。

图1 BCH（1020，988）与 RS（255，239）纠错曲线

阿尔卡特朗讯所用的FEC在满足1E-12的输出时，其最大输入纠错能力达到4E-3［2］，完全满足YD/T 1991-2009规定的2E-3，当系统的纠前误码率满足YD/T 1991-2009规定的1E-5时，系统的裕量约为4.1 dB。

3.3 P-DPSK及PMDC方案

从项目应用来看，P-DPSK码型和RZ-DQPSK码型基于衰耗的跨段能力相仿，但由于线路码型波特率的因素，RZ-DQPSK码型的DGD容限比P-DPSK码型的高。

阿尔卡特朗讯的P-DPSK码型在1 dB OSNR代价下的DGD容限可达到7.5 ps，如遇到光缆及系统累计的DGD大于7.5 ps时，可以考虑采用额外的OSNR代价或者配合采用PMDC板卡2种方案。图2和图3的数据引自某运营商的验收测试部分数据，反映了2种DGD补偿技术方案的特点。

OSNR补偿方案是指一个光复用段总的DGD超过7.5 ps，过系统OSNR与背靠背OSNR差值超过4.5/5 dB的部分可以用来补偿超标的DGD。这种方法无需增加硬件，不增加成本，不足之处是补偿的DGD范围有限，当DGD超过12 ps后，所需的OSNR剧增。另一种方案是采用PMDC板卡补偿；从测试数据可以看到，P-DPSK配合PMDC方案允许的DGD容限稍优于RZ-DQPSK码型；由于需要增加PMDC硬件，相应要增加成本。

图2 无PMDC的OSNR代价

图3 有PMDC的OSNR代价

图4、图5是2008年以来国内的40 Gbit/s省际干线DGD统计情况，表中DGD数据以光复用段为计算单位，包括光缆及设备部分所有DGD，设备部分根据阿尔卡特朗讯设备数据计算，分别列出累计公里数和光复用段数量的分布情况。可以看出，在40G WDM国内省际干线上仍会遇到一小部分 （累计公里数和光复用段数量分别占10%和6%）超过12 ps的场景，采用P-DPSK板卡时，这部分项目极可能需要采用PMDC的补偿方案。

图4 基于OMS的DGD长度统计

图5 基于OMS的DGD数量统计

图4和图5统计的40G WDM项目中，约有31%的光复用段的光缆等效PMD大于0.1 ps·km1/2，在新的ITU-T建议中，将G.652、G.655的B类和D类光纤的PMD 修订为 0.2 ps·km1/2［3-4］， 光纤国家标准规定更严格，要求如果系统要支持40G WDM系统400 km的应用，成缆的PMD应不大于0.1 ps·km1/2，国内各运营商均已在干线上执行这个标准。因此可以相信，国内干线的PMD指标会越来越好。

3.4 相干检测方案

如果40G WDM要在北京、武汉、广州、上海间建超长距直达系统，必须要求更远的跨段能力，目前来看，P-DPSK和RZ-DQPSK的跨段能力无法满足，需要利用相干检测配合极化复用提供更长跨段能力。

相干检测在接收侧采用高精度的同频率激光信号与接收信号混合，通过同频相干原理，增强目标信号，并对相干产生的信号幅度、相位、极化模诸多信息作进一步处理，恢复经过线路损伤的原始信号。由于恢复后的信号既有幅度，也包含了偏振态和相位信息，可以在接收端电域实现对色度色散、极化模色散补偿。

中心城市间的无电中继直达方案如以北京、武汉、上海、广州为例，平均起来，2个相邻中心城市间经过2个省会城市；这也意味着，与现有的80×40G系统相比，超长距方案每个光复用段可以少设2个再生站。以现有的40G WDM系统集成度，按80波满配，这2个站少设20个左右的600×300标准机架。由此，机房占地、电源消耗、空调消耗、维护人员的成本将大大下降。

相干检测方案的DGD容限很高，例如YD/T 1991-2009规定的DP-QPSK码型在1 dB代价时，DGD容限可以达到75 ps，这带来了另一种应用场景。国内西部部分省际干线段落光缆敷设得早，DGD的指标很差，光复用段的累计DGD超过PMDC配合PDPSK方案及RZ-DQPSK码型方案的极限DGD能力，这时可以用相干检测方案。

差分检测系统中，除在端站和光放站作色度色散补偿外，还需要内置TDCM逐波长精细补偿，通常TDCM的响应时间是min级；主备路由有一定差异时，系统可能被TDCM拖累，增加业务倒换需要的时间。采用相干检测时，色散补偿在电域实现，不需要内置TDCM，不会因此造成长时间业务损伤。

未来波分系统可以加入控制平面，当采用ROADM方式作路由保护、恢复时，局部的光缆往往对全局性能造成影响。如果系统中间少量光缆的DGD指标差，将导致无论光缆衰耗多小，采用P-DPSK和RZDQPSK码型方案必须在中间中继2次或以上，而采用相干检测可将光复用段减少至1个，减少波长转换器数量。同时相干检测无TDCM补偿，又可提高业务的故障保护、恢复速度，提高业务可靠性。

4 结束语

40G WDM设备在国内干线上已规模应用，采用的设备厂家主要有阿尔卡特朗讯、华为、中兴、烽火等，各厂商采用的40G WDM技术方案不尽相同，运营商在进行选择时需权衡建设成本、技术成熟度、应用场景等因素综合考虑。本文结合工程应用实际经验，列出并分析了YD/T 1991-2009给出的40G WDM系统的主要指标，同时对阿尔卡特朗讯40G WDM系统FEC、PMDC、相干检测等主要技术方案进行了详细介绍，并给出了应用场景建议。

［1］YD/T 1991-2009 N×40 Gbit/s光波分复用 （CWDM）系统技术要求［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.