100Gbit/s传输系统性能最优化配置方法

罗 滨，王世文，胡 荣，贺志学

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450018； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074）

光通信系统与网络技术

100Gbit/s传输系统性能最优化配置方法

罗 滨1，王世文1，胡 荣2，贺志学2

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450018； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074）

研究了基于高速相干光接收的100Gbit/s PDM-QPSK（偏振复用-正交相移键控）系统在不规则跨段配置条件下的传输性能优化技术，得到了不规则跨段下的最优链路配置解析计算模型，并进行了系统仿真验证。仿真结果表明，与传统的跨段衰减完全补偿方案相比，该配置方案Q因子性能可提升1.3dB。该配置方法可应用于当前100Gbit/s PDM-QPSK系统的链路设计和在线优化，能有效提升不规则跨段链路下的系统传输性能。

100Gbit/s系统；偏振复用-正交相移键控；传输性能优化

0 引 言

随着互联网流量需求的迅猛增长，100Gbit/s PDM-QPSK（偏振复用-正交相移键控）技术已开始代替传统直接探测技术，成为目前高速长距离光传输的主流选择［1-2］。与传统2.5、10和40Gbit/s直接检测系统不同的是，100Gbit/s PDM-QPSK系统采用相干光接收和数字损伤补偿，光纤链路中不再进行光色散补偿管理，在降低成本的同时进一步提高了系统非线性传输性能。

目前，对100Gbit/s系统传输性能的研究较多集中在每段链路光纤长度、光放大器间距和配置相同的规则光纤跨段等场景。当系统链路参数固定时，最优传输性能仅取决于光发射机功率。但是，在实际的高速长距离传输场景下，由于地理位置、站点需求等诸多方面的限制，必然会出现传输线路放大器站点之间间距不等，光纤长度不同甚至有较大偏差的情况。在这样的不规则链路场景下，各光纤跨段经历的传输过程不再相同，系统传输性能和每一段光纤的长度、入纤功率和放大器增益配置相关。如何快速地根据链路信息得到最优的系统性能和链路配置成为100Gbit/s系统应用的重要问题。

本文研究了不规则跨段下100Gbit/s系统传输性能及放大器配置的快速优化问题，推导了不规则链路场景下的最优放大器增益配置。仿真结果表明，相对于传统链路衰减完全补偿的配置方法，本文方案可实现1.3dB的Q 因子提升，对当前100Gbit/s系统规划、设计和优化具有指导意义。

1 100Gbit/s链路功率最优配置计算模型

在规则链路中，链路的初始增益通常设置为完全补偿链路中的损耗，即放大器的增益等于对应跨段光纤的损耗，在这种增益配置下每个跨段的入纤功率完全相同，只需要将光纤源节点的入射功率设置为最优入射功率就能得到整条链路的最优传输性能。但对于不规则链路，每个跨段的光纤长度不同，相应的每个跨段的最优入射功率也不相同，简单地将每个跨段的放大器增益设置为完全补偿光纤中的损耗，并不能使光纤链路的传输性能达到最优，而现网中实际选取的链路多为不规则链路，因此有必要针对不规则链路的优化方案进行研究。

对100Gbit/s PDM-QPSK系统不规则链路性能评估模型进行分析可以得出：（1）不规则链路各个跨段的SNR（信噪比）相互独立；（2）每一个跨段中影响传输性能的主要因素包括光纤源节点的入射功率以及各个EDFA（掺铒光纤放大器）的增益，二者均为可调节参量。每一个跨段产生的非线性噪声功率可以表示为其中Pch，n为第n个跨段的入纤功率，ρNLI，n为该段光纤参数相关的非线性噪声系数，可以表示为［3］

在第n个光纤跨段的EDFA输出端，由该跨段光纤非线性效应和放大器ASE（放大自发辐射）噪声导致的信号SNR可以表示为

式中，an、NFn分别为该跨段的光纤损耗和EDFA的噪声指数。因此，对于给定的跨段，在跨段参量都已知的情况下，SNRn是跨段入射功率Pch，n的函数，对每个跨段的SNRn求导，可以在给定的信道输入功率Pch，n范围内取得跨段传输性能的最优值。此时每个跨段的传输性能与跨段中EDFA的增益无关，跨段之间相互独立，接收端的传输性能由每个跨段的传输性能级联得到，取得每个跨段的最优就能得到整个链路的全局最优。

对式（2）求导，计算得到每个跨段的最优入射功率为

假设第n个跨段光纤衰减系数为αn，光纤长度为Lspan，n，EDFA增益为Gopt，n，则第n+1个跨段的入纤功率可表示为Popt，n+1=Popt，nexp（-αnLspan，n）· Gopt，n，其中每个光纤跨段的入射功率可以通过调节EDFA的增益来设置。根据式（3）可以计算出对应的最优放大器增益为

此时系统接收端性能可以表示为［4］

将ASE噪声功率和非线性损伤功率代入到传输性能的表达式中，对评估模型进行分析，接收端的SNR可表示为

式中，erfc、erfc-1分别为误差函数和互补误差函数；V为调制阶数。对于QPSK系统，V=log24=2，SNR和Q值完全相同；但对于其他调制系统，如16QAM（16阶正交幅度调制）系统，则V=log216= 4，Q和SNR关系由式（7）给出。

2 系统仿真和验证

在仿真中采用了三种链路配置，第一种为传统链路衰减完全补偿的配置方案［5］，此时各段光纤入纤功率完全一致；第二种为根据式（3）～（4）计算的最优配置方案；第三种为假设跨段长度中心点光功率相同的方案［6］，该方案是在传统10Gbit/s有色散管理的直接探测系统中得出的优化方案。

100Gbit/s系统的发射端采用30GBaud光IQ调制和偏振复用，接收端经相干接收、光混频后进入4路平衡探测器进行接收，经过低通滤波、数/模转换、电色散补偿和基于CMA（恒模算法）的偏振解复用及均衡后进行信号判决和误码统计。仿真参数设置如下：符号速率为30GBaud，信道间隔为50GHz，信道数为7个，跨段数为10个，中心波长为1 550nm，光纤衰减为0.2dB/km，光纤色散为17ps/（km·nm），非线性系数为1.36W·km，EDFA噪声指数为6dB。

仿真中所采用的非规则链路系统如图1所示，光纤链路包含10个跨段，最短和最长的跨段距离分别为30和120km。

图1　端到端不规则链路

当发射端功率变化时，3种配置方案的传输性能如图2所示。可以看出，系统Q因子随着入射功率的增加先增大后减小，这是因为当入射功率增加到一定程度时，非线性效应对传输性能的抑制效果显著增加，恶化了系统的传输性能，每一种增益配置都对应一个最优源节点入射功率。3条曲线的最高点分别为：衰减完全补偿方案（-2，19.0），最优增益配置（0，20.3），跨段中心功率相同配置（1，20.1）。其中最优增益配置与跨段中心功率相同增益配置的最优传输性能差值小于0.2dB，相对于传统的跨段衰减完全补偿配置方案，Q因子提升了1.3dB。在线性区域，最优增益配置方案传输性能始终优于跨段中心功率相同的增益配置和传统衰减完全补偿方案，Q因子提升分别超过1.1和2.4dB。因此，尽管跨段中心功率相同的配置方案和最优配置方案具有接近的最优性能，但仅针对入射功率较大的场景。而无论是小功率线性区域还是最优Q值的区域，最优配置方案均具有明显优势。

图2　3种增益配置Q因子对比图

以损耗完全补偿增益配置作为参考初始增益配置，论文进一步对比了EDFA的最优增益配置与初始增益配置增益的差别，如图3所示，图中第3、第10跨段的最优增益值和初始增益值相同。

图3　初始增益配置与最优增益配置对比

如图4所示，相对于初始增益配置，为了取得1.3dB的最优传输性能的提升，需要将系统的增益调节为最优增益配置，10个跨段中有8个跨段的增益值需要调节，并且每个EDFA的增益调节量各有不同。然而，在实际的光路传输系统中，光路整体增益调节量过大或调节跨段数过多将会影响系统的抖动、时延和瞬态特性，同时也将增加网络的运营开销，因此，将初始增益配置全部调节为最优增益配置在实际系统中不能实现。为了有效、快速地提升系统的传输性能，可以在最优化算法的基础上加上一定的限制条件，从而保证在尽量少的EDFA调节个数的情况下，取得尽可能优的链路传输性能。

图4　初始增益配置与最优增益配置差值

3 结束语

本文通过对100Gbit/s PDM-QPSK非规则链路下传输性能进行解析建模，得到了非规则链路传输性能的最优化配置方案的解析计算公式，并与传统的链路衰减完全补偿、链路中心功率相同的配置方案进行了对比。仿真结果表明，相对于传统链路衰减完全补偿方案，最优配置方案传输性能可提升1.3dB；此外，相对于链路跨段中心功率相同的配置方案，最优配置方案在线性区域具有1.1dB提升，可实现100Gbit/s链路非规则系统的最优传输性能配置。

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Research on the Techniques of Quality of Transmission Estimation for 100Gbit/s PDM-QPSK Systems

LUO Bin1，WANG Shi-wen1，HU Rong2，HE Zhi-xue2
（1.State Grid Henan Electric Power Company Information and Communication Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

The techniques of transmission performance optimization for high-speed coherent optical detection based 100Gbit/s PDM-QPSK systems is studied under the irregular fiber span configuration scenario.The analytical calculation model for the optimal link configurations is obtained under the irregular fiber span scenario.Numerical simulations are carried out for verification.Simulation results show that the optimal configuration scheme outperforms the conventional full span loss compensation scheme with 1.3dB Qfactor improvement.This optimal configuration method can be effectively applied for current link design and online performance optimizations in 100Gbit/s PDM-QPSK systems，to improve their transmission performance under the irregular span scenarios.

100Gbit/s systems；PDM-QPSK；Transmission performance optimization

TN929.11

A

1005-8788（2016）02-0001-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.001

2015-12-21

罗滨（1959-），男，江苏南通人。高级工程师，多年从事电力自动化、信息化和通信等方面的管理工作。