100G波分在城域网中的应用研究

中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司咨询设计一所 张云飞

1.引言

波分传输技术一直沿着更高传输容量、更长传输距离和更低比特传输成本的方向发展，并已由传统的WDM波分进一步进化为OTN波分，伴随着移动互联网数据业务的迅速增长和宽带化应用的增加，前期OTN网络在城域网骨干网络进行了规模部署。预计2013年，随着LTE网络的建设，在数据流量繁忙的骨干网上，已经规模使用的10G波分传输系统将日趋呈现带宽紧张的趋势。此外，以太网业务的100GE或者相应的POS接口的出现，对传输承载网的带宽提出了更高的要求。骨干传输网要求支持100G传输的需求越来越强。

本文以某地市热点地区城域骨干网OTN系统为例，分析网络现状，探讨后期网络建设。

2.骨干层OTN现状

2.1 现网网络架构

现网所部署的OTN网络主要作为城域传送网的汇聚层及IP城域网的骨干网，承载PTN、OLT等上行业务及部分大颗粒专线业务，还为IP城域网各节点路由器之间提供高可靠性的传输链路，如图2.1-1所示。

2.2 主要承载业务分析

2.2.1 业务现状

系统一般配置为40波*10G，满配容量400G，详细如下：

专线业务主要承载核心机房之间的IP承载网/CMNet业务和乡镇到市的大颗粒专线业务；

PTN业务主要承载2G、3G基站业务回传至核心机房落地和部分小颗粒专线；

OLT业务主要承载各乡镇、各县的OLT上行业务；

数据业务主要承载SR/BRAS县到市的业务；

2.2.2 业务特点

本地网是地市所辖行政区域内，承担所有城市内/县/乡业务节点到城域核心节点业务流量的承载网络，其骨干层OTN所承载业务具有以下特点：

●现网上有大量的GE业务，来自宽带接入和大客户接入的GPON设备上行，接入层PTN设备的上行（2G/3G业务）。

●有一定量2.5G/10GE POS业务，来自IP城域网各节点路由器之间传输需求，要求OTN层面高可靠的保护，不要求汇聚。

●有少量的MSTP网络STM-N信号，OTN替代裸光纤使用。

●各个城市内/县/乡业务节点的业务以多数以双归属方式流向两个城域核心出口。

●核心节点间存在一定量的业务，各个汇聚环/接入环之间存在少量点对点业务，有调度需求。

●3G/4G基站业务要求OTN能够透传1588V2时间同步信息或同步以太网。

●各业务QoS要求不同，有的业务需要高可靠性ODUk保护，有的不需要保护。

●统计复用业务较多，有一定的弹性承载需求。

2.3 后期发展建议

未来2G/3G业务的新增需求仍将长期存在，其承载方式也统一为PTN承载。结合三年滚动规划的发展目标及前期本地区的2G/3G新增业务占比，现有OTN系统完全可以满足截止2013年底的2G/3G新增基站业务量。表2.3-1为某地市三年滚动规划中的波道利用预测：

虽然现网O T N 系统整体利用率仅为46%，但考虑到未来LTE网络建设带来的带宽激增及其他城域数据业务带宽需求的冲击，2014底年波道利用率将达到81.5%，超过80%的网络扩容升级临界值，并且现网存在个别环网节点过多的安全隐患。为避免未来两个波分系统间业务的大量割接，并且在10G波分系统预留一定量波道为有双平面承载要求的业务提供高可靠保护，本文建议在进行大规模LTE建设前率先引入更大容量的40*100G OTN系统，可结合与LTE配套PTN的扩容工程同步建设，未来两个OTN系统可形成双平面，对于重要的大颗粒业务可实现双平面保护和负荷分担。

3.N*10G、N*40G、N*100G技术比较

第一代OTN 10G设备支持ODU0/1/2交叉颗粒，交叉容量小于1T，虽在现网大规模部署，但不足以应对未来业务流量的增长需求。城域网需要新建更高速率更大容量的OTN网络。

第二代OTN 40G设备支持ODU0/1/2/2e/3交叉颗粒，交叉容量达到1T以上，但其自身的技术缺陷限制了其发展：

●对系统OSNR、色散、非线性要求苛刻，传输能力差

●对线路偏振模色散PMD要求较高，对光纤线路有限制

●存在多种调制方式，系统设计复杂

●对系统OSNR等参数的监测能力不及10G系统

●复用段层保护不能达到电信级要求，保护能力不如10G、100G系统

另外40G系统开通后光纤参数会随着环境发生变化，影响系统性能，后期维护工作量大。新建40G系统，其系统维护的复杂度和网络维护成本都将比10G系统要高。

第三代OTN 100G设备的引入不仅大幅提高带宽速率，在城域网骨干层应用并部署支路线路分离的OTN系统，为GE/10GE等各种颗粒业务提供汇聚、交叉，可以满足现网各种类型业务的承载，实现100G的高速带宽复用。100G系统具有以下优势：

●采用统一解决方案：偏振复用-正交相移键控(PM-QPSK)+相干光接收

●调制解调标准单一，有利于光电器件的开发供货和快速市场部署

●相干接收可使100G超过1000km无电中继传输不需要色散补偿和PMD补偿，大大方便了工程部署和网络运维

●100G具有与现存的10G系统相当的传输性能，并兼容10G波分系统（工程设计规则、光放大器、保护方式等）

●可以消除100G路由器部署的障碍，加速100G路由器的规模部署

●系统色度色散容限更好：＞800ps/nm

●系统偏振模色散PMD容限更好：＞10ps DGD

●采用PM-QPSK调制技术和相干接收，并结合高编码增益的前向纠错(FEC)技术，电域信号处理替代原有色散补偿，建设与运维更加便捷。如图3-2所示。

综合上述内容，100G波分与现网10G波分相比具有更好的色散容限，实验室测试在2000公里内可不进行色散补偿，因此在城域范围内组网时可不考虑进行色度色散和偏振模色散的补偿，大大降低组网难度，加快网络部署进度。

但由于采用新的数字信号调制技术，系统带来的非线性效影响相较10G系统要多，为避免更严重的非线性效应影响，100G系统发送端输出光功率最高限制在1dBm，而原有10G系统的输出光功率可达8dBm，两者相差7dB。根据原有10G系统的建网经验，现有G.652光纤衰耗系数在0.3dB每公里左右，因此相同系统条件下，100G系统的光中继段距离理论上比10G系统少23.3公里左右。

图2.1-1 OTN网络在现网应用示意图

图3-1 100G相干调制与FEC示意图

4.N*100G在现网应用的条件

目前已有多家设备商包括华为、中兴、阿朗、诺西等推出N*100G的OTN产品，也有其他运营商在国内完成100G波分设备的入网商用。

随着100G的基本成熟和商用，运营商也希望加快推进100G应用部署的步伐。根据某运营商发布的建设指导意见，也明确目前限制40G波分的应用，100G测试及试点的完成会加速100G的商用部署，并将导致100G迅速替代40G应用需求，完成从10G到100G的直接跨越。

5.规划和建设中需重点关注的问题

5.1 网络拓扑及网元类型

环网主要包含OTM站点、OLA站点等，为方便光层业务调度，可将部分站点配置为ROADM类型。

5.2 网络保护策略

为保证OTN网络的安全可靠，可采用多种保护方式，主要如表5.2-1。

建议根据光缆建设情况考虑进行OLP光线路保护部署，要求具备备用光缆路由而且主备通道差异门限应小于5dB；对现网PTN/OLT上行、IP城域网等重要业务进行ODUk SNCP保护；对于重要专线业务可考虑进行客户侧1+1保护；少量的STM-N信号可不进行保护。

表2.3-1 某地市未来两年业务预测表

表5.2-1 OTN网络保护方式

5.3 光功率

100G波分系统具有与10G系统相似的光功率要求。由于目前已知的有光纤距离和光纤类型，因此可做如下估算：

线路衰耗=光纤长度×0.3dB/km(G.652光纤衰耗系数)+3dB(光纤老化余量)+光纤跳转站点的衰耗(按0.5dB/站考虑)

以神木—石拉沟段为例，线路衰耗=60km×0.3dB/km+3dB+0.5dB*2=22dB。

根据所配置设备的发送和接受光功率指标，再考虑如何配置光放大设备。

5.4 色散

传统10G波分中色散因素主要考虑色度色散和偏振模色散参数，在实际工程中主要考虑色度色散，在长距离传输的情况下，需根据色散估算值采用色散补偿模块（DCM）进行补偿。

色散受限距离(km)=色散容限(ps/nm)/色散系数(ps/nm.km)

对于10Gb/s系统，当光复用段距离大于40km(G.652光纤)或133km(G.655光纤)时，就需要配置DCM。

100G系统采用正交相移键控QPSK调制技术后所产生的信号与10G系统调制数字信号不同，原有10G系统信号通过高低电平来判决0和1，而100G系统信号在接收端通过相位来区分0和1。由于色散能够影响数字信号的脉冲展宽或者收窄，从而造成接收端判决抽样时出错；而采用相位信息来传递0/1信息的信号基本不受其影响，因为信号传递的只是相位信息，不存在脉冲宽度的概念，只要相位判决正确，接收机就能准确恢复出正确的0/1序列。因此采用QPSK调制技术的100G信号对光纤带色散要求比10G波分系统要低很多。在城域范围组网时光中继段不必进行类似10G系统的色散补偿。

5.5 光信噪比

OSNR（光信噪比Optical Signal to Noise Ratio）与光功率预算和配置的光放大器有关；可使用相关计算工具算出OSNR值；不同OTU的OSNR容限不同；当计算出来的OSNR值不满足OTU的OSNR要求时，可以考虑使用拉曼放大器、更高输出光功率的放大器或增加中继站等。

OSNR(dB)

=P信号(dBm) -P噪声(dBm)

5.6 非线性效应

非线性效应的影响通常作为附加的OSNR代价，10G规划时，一般考虑2dB的OSNR冗余作为非线性效应的影响；而且系统初始提供OSNR容限时，已经加入了2dB的非线性代价。考虑到100G系统非线性效应的影响相较10G系统要高，建议按3dB冗余代价来考虑。

6.结论

综合上述内容，城域光缆网基础资源建设的日趋完善和100G波分系统的成熟商用，为即将开始的LTE承载网大规模建设和其他宽带化业务的承载提供了可行性很高的建设方案，100G波分系统在地市城域网骨干层的布局难度要小于40G波分系统，且能带来更高效率和大容量的传输能力，为今后网络发展和全业务竞争提供有力保障。