N×100Gbit/s波分关键技术浅析及系统保护研究与测试

陈宏标，沙庆良，吴 飞，沈步阳

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 引言

数据业务的爆发式增长，消耗了大量的带宽，承载网面临着严峻的挑战，现有的10 Gbit/s/40 Gbit/s波分系统不能满足骨干网对大量数据传输的需求。随着100 Gbit/s标准的完备和100 Gbit/s技术的逐步成熟，业界普遍更看好100 Gbit/s系统的发展前景，认为其在未来将得到广泛的部署和应用，并且会像10 Gbit/s系统那样具有较长的生命周期。相对于40 Gbit/s线路速率而言，100 Gbit/s线路速率能更好地解决运营商日益面临的业务流量及网络带宽持续增长方面的压力。另一方面，近年来对网络维护的要求越来越高，各运营商均在干线波分上应用OLP以减少光缆阻断对网络的影响，但由于40 Gbit/s波分技术上的限制，40 Gbit/s波分系统OLP的可实施性、可操作性很差，对传输网的维护造成了很大的压力，100Gbit/s波分的技术能否解决上述问题、其OLP能否方便实施成为运维部门重点关注的问题。

2 100Gbit/s波分关键技术

随着比特率的增加和传输距离的延长，波分系统的长距离传输受OSNR、色散、非线性效应、PMD等物理条件限制。40 Gbit/s、100 Gbit/s传输系统面临的挑战如图1所示。

为了克服上述挑战，100 Gbit/s引入了以下关键技术，包括100 Gbit/s调制技术、相干接收和DSP技术以及SD-FEC（硬判决FEC）技术。

图1 40Gbit/s、100Gbit/s传输系统面临的挑战

2.1 100Gbit/s调制技术

（1）调制技术及其频谱效率

相同数据速率情况下，调制符号所表示的比特数越大，所需符号传输的波特率越小，所需传输带宽越窄，频谱效率越高。目前QPSK是100 Gbit/s调制方式的最佳选择，比特率是112 Gbit/s或者更高。调制技术及其频谱效率对比如图2所示。

图2 调制技术及其频谱效率对比

（2）偏振复用

如果直接采用QPSK调制，会对系统的光/电器件质量提出非常高的要求，业界提出了偏振复用方案。偏振复用方案采用两路独立的光偏振态承载56 GHz业务，每路偏振态都采用QPSK调制方式，可以将100 Gbit/s信号速率降低到28 Gbit/s，降低了对光/电器件的带宽要求。

偏振复用和QPSK的使用，可以将调制速率降为1/4，使100 Gbit/s系统能使用成本更低的技术。而更低的调制速率可以降低光信号传输参数的灵敏度，相比10 Gbit/s系统，100 Gbit/s在CD和PMD上拥有更好的容限。

（3）100 Gbit/s系统不同调制码型的性能

100 Gbit/s系统不同调制码型的性能对比见表1。

表1 100Gbit/s系统不同调制码型的性能对比

2.2 相干接收和DSP技术

（1）相干接收

相干接收的原理如图3所示。相干接收不但可以提高接收信号的信噪比，而且可以补偿一些信号在传输中产生的损失。相干接收可以保存光信号的相位信息，用电处理的方式还原出两路偏振态，并且补偿信号由于长距离传输造成的一些损伤。

图3 相干接收原理

（2）DSP技术

DSP技术的引入可以有效地消除由于CD和PMD所带来的眼图上的失真和码间干扰。基于DSP技术的100 Gbit/s系统，色散容限可以达到40 000～60 000 ps/nm，PMD容限可以达到25～30 ps。线路中不再需要色散补偿模块，PMD也不再是传输距离的限制因素。

2.3 SD-FEC技术

相比10 Gbit/s系统，100 Gbit/s的OSNR需要提高10倍，因此，除了调制和接收技术外，还需要FEC技术。

在SD-FEC中，解码器判断信号的标准时，在二进制的“0”和“1”之间选择，这种编码模式丢弃了信号的一些统计特性。软判决可以最大限度地使用信号中包含的信息，精细化分信号的判断标准，然后应用这些丰富的信息判断接收到的信号是“1”还是“0”。使用这种采样信息，解码器可以提供更高的解码准确率，从而提高系统性能。在相同的速率下，软判决FEC比硬判决FEC的净编码增益高1～2 dB，如图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波分采用了偏振复用和QPSK调制技术、相干接收和DSP技术以及SDFEC，100 Gbit/s波分具有较低的OSNR容限，色散容限可以达到40 000～60 000 ps/nm，PMD容限可以达到25～30 ps，线路中不再需要色散补偿模块，PMD也不再是传输距离的限制因素，因此相比40 Gbit/s波分，100 Gbit/s波分更易于实施OLP。

3.1 OLP原理

OLP即光线路保护，一般采用双发选收的方式，即传输设备Tx口发出的光经过OLP设备后，在发端通过OLP的分光器把业务光分为相等的2路，50%作为业务光，在主用路由上传输，50%作为测试光，在备用路由上传输，用来对备用路由的指标进行实时监控。OLP原理如图5所示。OLP设备检测到主用路由线路出现故障时，设备切换到备用路由，实现整个线路的倒换，不会影响到业务的传输，也不需要判断两端设备通信后是否切换线路。

需要注意的是，为了保证OLP的顺利实施，需主备路由线路的衰耗、色散、PMD等参数尽可能一致，但现网中很难做到主备路由线路完全一致，而40 Gbit/s波分系统的色散容限、PMD容限指标非常小，备用线路极小的参数变化都可能超出40 Gbit/s波分系统的指标范围，因此40 Gbit/s波分系统难以实现OLP。

图4 软判决FEC与硬判决FEC净码增益对比

图5 OLP原理

3.2 100Gbit/s波分OLP关键因素

（1）色散

100Gbit/s波分系统的色散容限为40 000～60 000 ps/nm，并且线路中不再使用色散补偿模块，而是采用DSP技术进行色散补偿，因此，备用线路的色散变化不会超出系统指标范围，从而影响系统性能。

（2）PMD

100 Gbit/s波分系统的PMD容限为25～30 ps，通常情况下纤芯的PMD系数为0.07，由此推算传输距离为127 550～183 670 km，PMD不再是传输距离的限制因素，因此，备用线路的PMD变化也不会超出系统指标范围，从而影响系统性能。

（3）衰耗

假定系统的主用路由光纤为G.652或G.655光纤，计划实施OLP的光放段长度为L（km），VOA可调节范围为1～V（dB），当前VOA值为V1。相比无OLP的系统，实施OLP后由于光路一分为二导致线路光功率一般降低3～4 dB（含OLP板卡的插损），典型值为3 dB。光纤的衰耗系数一般取值为0.25 dB/km。

对于计划实施OLP的光放段，首先需要增加OLP板卡，相应需要调整VOA设置值为V1-3；其次，再计算主备路由距离的差异范围。

根据上述参数，可推算出备用路由增长光纤可多引入衰耗的最大值为：

备用路由缩短光纤可少引入衰耗的最大值为：

由此得出备用纤芯的衰耗变化范围可为：

由式（3），推算出备用纤芯的长度范围Lnew为：

由于G.652、G.655光纤的衰耗系数一致，因此，备用纤芯采用相同或不同光纤类型不会影响OLP的性能。

综上所述，100 Gbit/s波分系统的OLP无需考虑色散和PMD因素，只要考虑衰耗因素即可，即只要备用路由纤芯相比主用路由增加或减少的衰耗在VOA冗余范围内，100 Gbit/s波分系统的OLP即可成功实现。

4 100Gbit/s波分OLP测试验证

为了验证100 Gbit/s波分系统的OLP，笔者于2012年7月对F厂商100 Gbit/s波分系统进行了测试。

4.1 测试环境

该波分系统的设备型号为FONST5000 100 Gbit/s，码型为PM-QPSK，网络拓扑如图6所示。测试仪表包括AQ6317光谱分析仪和JDSU ONT-506 100 Gbit/s信号分析仪等。

图6 F厂商100 Gbit/s波分系统拓扑

在线路方面，节点1与节点2之间为G.655 75 km光纤，节点3与节点4之间为G.652 75 km光纤，其余节点间均为G.652光纤。选定节点3与节点4之间的光放段进行OLP测试。

4.2 理论计算

依据第3.2节所述的方法，了解系统相关参数。所选段落的光纤类型为G.652，长度为75 km，VOA可调范围为1～21 dB，当前VOA值为11。只考虑衰耗因素，计算备用路由的长度范围：

·根据计算，采用同类型光纤（即G.652）备用路由的长度范围为23～103 km；

·采用不同类型光纤（即G.655）备用路由的长度范围为23～103 km。

4.3 测试结果

依照上述计算结果，搭建OLP进行测试验证。

（1）备用路由使用与主用路由类型相同光纤（G.652）

主备路由相同的光纤倒换时间测试结果见表2。

表2 主备路由相同的光纤倒换时间测试结果

在主备路由类型相同的光纤情况下，OLP在备用路由50～100 km范围成功，业务恢复正常。测试结果符合预期。

（2）备用路由使用与主用路由类型不同光纤（G.655）

主备路由不同的光纤倒换时间测试结果见表3。

表3 主备路由相同的光纤倒换时间测试结果

在主备路由类型不同的光纤情况下，OLP也在备用路由50～100 km范围成功，业务恢复正常。测试结果符合预期。

（3）备用路由使用混合类型光纤（G.652+G.655）

主备路由使用混合光纤的倒换时间测试结果见表4。

表4 主备路由使用混合光纤的倒换时间测试结果

在备用路由使用混合类型的光纤情况下，OLP也取得成功，业务恢复正常。测试结果符合预期。

测试结果表明，本文提出的100 Gbit/s波分系统OLP结论可行，即100 Gbit/s波分OLP无需考虑色散和PMD因素，只要备用路由纤芯相比主用路由增加或减少的衰耗在VOA冗余范围内，即可成功实现。

5 结束语

本文分析了100 Gbit/s波分关键技术，提出了100 Gbit/s波分OLP无需考虑主备路由的色散和PMD的差异，只需要保证备用路由引入的衰耗在光放大器VOA的冗余范围内，即可确保OLP倒换成功进行的结论，并进行了测试验证，测试结果符合预期。测试结果证明，本文提出的100 Gbit/s波分系统OLP结论可行，可操作性强，可以指导100 Gbit/s波分系统OLP的实际操作，对解决100 Gbit/s波分系统OLP问题具有重要的参考意义。

1 YDB 077-2012.中华人民共和国行业通信行业标准.N×100 Gbit/s光波分复用（WDM）系统技术要求，2012

2 YDT 1159-2001.中华人民共和国行业通信行业标准.光波分复用（WDM）系统测试方法,2001

3 YD/T 1266-2003.中华人民共和国行业通信行业标准.SDH环网保护倒换测试方法,2003