城域波分組網(wǎng)的若干關(guān)鍵因素考慮

摘要　本文在結(jié)合技術(shù)原理與實際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于城域波分技術(shù)的特點，對城域波分組網(wǎng)設(shè)計時的功能和性能要求進(jìn)行了論述，重點探討了保護(hù)方式、OSNR指標(biāo)、功率和色散預(yù)算等方面的技術(shù)要求。

0、引言

城域波分技術(shù)自誕生之日起就備受青睞，近年來隨著需求增長加速和設(shè)備實用性、性價比的大幅度提升，其大規(guī)模的組網(wǎng)應(yīng)用正在加速。

城域波分應(yīng)用中，大多數(shù)情況下采用環(huán)型組網(wǎng)，OTU等具體板卡的配置可根據(jù)實際需求確定，而系統(tǒng)性能方面的考慮則比較重要，重點考慮的幾個方面包括：保護(hù)方式的選用，光功率預(yù)算，色散和非線性，光信噪比，運維方面的其他考慮等等。上述幾方面的總體原則眾所周知，但實際應(yīng)用中仍有各種各樣的關(guān)鍵細(xì)節(jié)必須注意，下面將逐一進(jìn)行探討。

1、保護(hù)方式的選用

可提供保護(hù)是城域波分相對于裸纖傳送方式的一大優(yōu)點。是否使用波分層面的保護(hù)，采用何種方式保護(hù)，需要根據(jù)實際情況而應(yīng)用。

對于已有保護(hù)的上層信號，如：采用節(jié)點雙歸方式的數(shù)據(jù)信號、采用MS-Spring等保護(hù)方式的SDH信號、采用RPR環(huán)網(wǎng)保護(hù)的RPR信號等，無需在波分層面提供保護(hù)功能。但需要注意的是，對于采用節(jié)點雙歸方式的數(shù)據(jù)電路，在波道安排時必須將兩條起始點相同電路安排在兩個不同流向。

對于沒有上層保護(hù)的電路，如：節(jié)點單掛方式的數(shù)據(jù)電路、SAN電路等，可根據(jù)業(yè)務(wù)重要程度采用波分層面保護(hù)。在具體保護(hù)方式上，UPSR（單向光通道保護(hù)倒換）和BPSR（雙向光通道共享保護(hù)倒換）是最常用的兩種方式：UPSR是最成熟的保護(hù)方式，簡單可靠，所有設(shè)備均支持；BPSR方式較為節(jié)省保護(hù)波道，且改進(jìn)后可克服保護(hù)路由過長的問題，總體上較UPSR為優(yōu)，但在多數(shù)城域網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布為匯聚型的情況下優(yōu)勢不明顯，且需要設(shè)備支持此功能。

對于系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)不多（2～4個節(jié)點），而均為OTM節(jié)點的情況，可選用朱光路的1+1線路保護(hù)功能。與UPSR和BPSR相比，其優(yōu)點是簡單，在這種特定情況下保護(hù)代價不高。

對于同一流向開通了多條電路，配置了多對OTU的情況，可以考慮配置OTU的1:N保護(hù)，以較小的代價提高系統(tǒng)的可靠性。

2、光功率預(yù)算

在波分系統(tǒng)中，線路的衰耗、器件的插入損耗等往往通過光放大器來補償，而光放大器的使用又會引起接收端（Rn參考點）信噪比的下降。因此，系統(tǒng)的光功率預(yù)算需要與光信噪比統(tǒng)一考慮。本小節(jié)中只討論系統(tǒng)發(fā)送與接收光功率的之間的配合問題（包括主光通道與子光通道），更多光功率與信噪比的配合問題在后文論述。

子光通道的光功率預(yù)算即發(fā)送OTU與接收OTU（很多情況下發(fā)送OTU與接收OTU集成在一塊板卡上）之間的功率預(yù)算，可能僅是一個光復(fù)用段或光再生段，也可能包含多個光再生段或光復(fù)用段，其衰耗因子主要包括合/分波器件的插損、光連接器插損、線路衰耗等，而功率提升因子則包括所經(jīng)過的功放、線放、前放的增益。功率預(yù)算通常要滿足下式（單位為dBm、dB）：

發(fā)送OTU的發(fā)光功率-接收OTU的靈敏度>各放大器的增益-線路衰耗-各類插損-富余度。

在主光通道滿足功率預(yù)算的情況下，放大器的增益大于線路衰耗，而發(fā)送OTU的發(fā)光功率-接收OTU的靈敏度通常遠(yuǎn)大于各類插損，因此子光通道的功率預(yù)算往往可以得到滿足。多數(shù)情況下需要增加可調(diào)衰耗器吃掉多余的功率，以免接收端過載。

主光通道的光功率預(yù)算指的是每個光復(fù)用段或光再生段中，前一級光放至下一級光放之間的功率預(yù)算（個別情況下，如果只有前放，則指發(fā)送OTU至前放的功率預(yù)算；如果只有功放，則指功放與接收OTU之間的功率預(yù)算）。主光通道必須滿足—波信號輸入到滿波信號輸入的所有情況。由于可以利用可調(diào)光衰耗器吃掉多余的功率，因此可不考慮光放段的最小衰耗（即過載的情況）。通常，衰耗受限距離采用最壞值法設(shè)計。功率預(yù)算需滿足下式所示：

Ps-Pr-C-Cr>a×L

式中：

Ps：為光放大器單信道的最小輸出功率，單位為dBm。

Pr：為單信道接收端的最小允許輸入功率，單位為dBm。

C：所有光連接器的衰減和，每個光連接器的衰減為0.5dB。

Cr：線路富余度，通常60 km以內(nèi)取3 dB，大于60公里按照0.05 dB/km取值。

a：為光纖損耗系數(shù)（dB/km），包含了光纖衰減、光纖熔接衰減等，以實測值為準(zhǔn)，估算時通常取0.25dB/km。

注：DWDM系統(tǒng)是OSNR受限系統(tǒng)，上式僅反映了光放大器的功率受限情況，OSNR的考慮見下文。

此外，為保證系統(tǒng)的長期運行穩(wěn)定，必須滿足以下要求：

（1）單波及滿波輸入情況下，主光通道均可滿足線路末端的光功率落在接收端放大器的輸入功率范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)平滑擴容或波道調(diào)整；

（2）滿波輸入情況下，主光通道的發(fā)送光功率小于或等于20 dBm，以避免光功率過高引起的非線性等負(fù)面影響；

（2）系統(tǒng)初始投入使用時，各類富余度需通過電可調(diào)衰耗器衰耗掉，運行期間如出現(xiàn)衰耗增大等情況，則可調(diào)節(jié)電可調(diào)衰耗器釋放一定的富余度，從而保證系統(tǒng)功率預(yù)算正常。

3、色度色散

色度色散是由于不同波長的光在光纖中傳播速率不同（光纖中短波長比長波長傳播得快）而造成的接收端信號時域展寬效應(yīng)。色散問題并不是波分復(fù)用所獨有的，但在波分復(fù)用系統(tǒng)中，光的色散斜率不為零，導(dǎo)致了色散特性與波長有關(guān)。不同的波長信道的色散大小是不一樣的，這就給色散技術(shù)帶來了新的問題。好的色散補償技術(shù)應(yīng)同時補償波分復(fù)用的所有波長信道的不同大小的色散，即可以補償色散斜率。

DWDM系統(tǒng)中為減少色散的影響，一方面OTU采用外調(diào)制、預(yù)啁啾等技術(shù)獲取盡量窄的光源譜寬；另一方面可通過采用分布式無源色散補償光纖模塊進(jìn)行補償。

一個端對端鏈路的總色散可由下面公式求得：

Dispersion total（ps/nm）=D（ps/nm.km）×Length（km）

工程設(shè)計時G.652光纖按16～22ps/nm.km考慮色度色散，G.655光纖按4～8ps/nm.km考慮色度色散，以實測值為準(zhǔn)。色散預(yù)算的原則是接收端的色散值在接收器的色散容限范圍之內(nèi)。

我們以某廠家的城域波分設(shè)備為例：對于2.5G WDM系統(tǒng)，受色散限制傳輸距離達(dá)640 km，不需要色散補償；對于10G系統(tǒng)，在G.655光纖上，可實現(xiàn)200km不需要色散補償，在G.652光纖上，可以實現(xiàn)60～80公里不需色散補償。

值得注意的是，與長途波分不同，城域波分多采用OADM站點，某波道承載的業(yè)務(wù)往往在下一個節(jié)點可能是穿通而不是終結(jié)，色散的影響考慮不僅是兩個OADM節(jié)點之間而是兩個上下業(yè)務(wù)節(jié)點之間。因此，通常城域波分的色散是對整個環(huán)網(wǎng)進(jìn)行預(yù)算，同時保證遍歷全環(huán)以及單一復(fù)用段的接收端色散殘余值均不超出OTU的色散容限范圍。

根據(jù)需補償?shù)拈L度不同，色散補償光纖（DCF）可分為40/60/80/100/120 km（等效G.652光纖），多采用分布補償或者后補償方式，好的器件可同時補償光纖色散值和光纖色散斜率。

必須注意，DCF引入的插損是功率預(yù)算需要考慮的。但如同一站點采用多級放大，DCF設(shè)置在兩級放大器之間，則無須在主光通道中考慮DCF的插損。

4、偏振模色散和非線性考慮

城域波分中，傳送距離相對較短，偏振模色散（PMD，又譯作極化模色散）和非線性效應(yīng)的影響比長途波分小，但也需要在一定程度上予以考慮。

偏振模色散是由單模光纖特有的雙折射與偏振引起的。光纖的固有偏振模色散是由非圓形纖芯引起，構(gòu)成雙折射現(xiàn)象導(dǎo)致的色散，而對雙折射引起的偏振模色散是由外部因素如機械壓力、熱壓力等導(dǎo)致的色散。偏振模色散不能避免，只能最小化。

一個端對端鏈路的PMD色散P total可由下面公式求得：

其中，Pfiber：G.655光纖按照計算值，G.652光纖按照計算值。

對于2.5G系統(tǒng)，由于其PMD容限至少為40 ps/nm，故通�？刹豢紤]。對于10G系統(tǒng)，其理論PMD容限為10～18ps/nm。PMD造成的信號劣化，可通過等效增加OSNR的富余度來抵消，即OSNR的提高增加了PMD的容忍度。對應(yīng)關(guān)系可簡單表示如表1：

表1　OSNR的提高折合成PMD容忍度的對應(yīng)表

光纖的非線性效應(yīng)也是限制WDM系統(tǒng)性能的重要因素。光纖的非線性效應(yīng)可分為兩類：散射效應(yīng)和折射效應(yīng)。

散射效應(yīng)主要包括受激布里淵散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。SBS是一種窄帶效應(yīng)。當(dāng)調(diào)制后的激光線寬大于50～100MHz時，便可以有效抑制SBS。實際系統(tǒng)中，10Gbit/s反射機的激光調(diào)制線寬要遠(yuǎn)大于這個數(shù)值，而每一信道的光輸出功率又小于5mW，因此可認(rèn)為SBS對WDM系統(tǒng)無多大影響。SRS是寬帶效應(yīng)，閾值功率較高，約1W。因此也可認(rèn)為SBS對WDM系統(tǒng)無多大影響。

由于散射效應(yīng)與入纖光功率大小有關(guān)系，入纖光功率過大可能會引起散射效應(yīng)的突變。因此這也是限制發(fā)送點入纖光功率的一個原因。國標(biāo)規(guī)定，32/40波的城域波分系統(tǒng)的MPI-S功率常規(guī)應(yīng)用時不大于+17dBm（對應(yīng)每通道為+2/+1 dBm），長距離應(yīng)用時不大于+20dBm（對應(yīng)每通道為+5/+4 dBm）。因此，在光功率預(yù)算時不僅考慮當(dāng)前波道配置的入纖功率，還必須考慮滿波配置時的總功率不超標(biāo)，否則將來擴容是需要調(diào)整主光路功率，影響已開通業(yè)務(wù)。這種情況在某個地區(qū)剛剛引入波分系統(tǒng)時有出現(xiàn)，必須注意避免。

折射效應(yīng)包括自相位調(diào)制效應(yīng)（SPM）、交叉相位調(diào)制效應(yīng)（XPM）和四波混頻效應(yīng)（FWM）。SPM可使傳輸光脈；中寬度壓縮，可以利用SPM補償色散展寬脈沖的效應(yīng)。交叉相位調(diào)制效應(yīng)（XPM）一般發(fā)生在大于40信道的DWDM系統(tǒng)中。四波混頻效應(yīng)（FWM）與光纖色散有很大關(guān)系。使用色散系數(shù)較大的G.652光纖，不會有顯著的FWM。

在工程設(shè)計中，通常可采用光通道代價來統(tǒng)一考慮上述因素的影響。光通道代價包括PMD色散、ASE噪聲、通道串?dāng)_、碼間干擾等的影響，通常取值為1～2dB。光通道代價一般包含在OSNR值的富余度中統(tǒng)一考慮。

5、光信噪比考慮

光信噪比（OSNR）定義為，OSNR=每信道的信號光功率/每信道的噪聲光功率。

光放大器會在幾十納米寬的光譜區(qū)內(nèi)產(chǎn)生所謂放大的自發(fā)輻射ASE。這個ASE對信號光來說就是一個噪聲，在具有若干級聯(lián)EDFA的傳輸系統(tǒng)中光放大器的ASE噪聲將同信號光一樣重復(fù)一個周期性的衰減和放大。

ASE噪聲頻譜分布也是沿系統(tǒng)長度展開的。當(dāng)來自第一個光放大器的ASE噪聲被送入第二個光放大器時，第二個光放大器的增益分布就會因增益飽和效應(yīng)導(dǎo)致ASE噪聲而發(fā)生變化。這種效應(yīng)會向下游傳遞給下一個光放大器，即使在每個光放大器處使用窄帶濾波器，ASE噪聲也會積累起來，這是因為噪聲存在于包含著信號頻段之內(nèi)的緣故。

ASE噪聲積累對系統(tǒng)的SNR有影響，因為接收信號SNR劣化主要是與ASE有關(guān)的差拍噪聲。這種差拍噪聲隨光放大器的數(shù)目的增加而線性增加。因此誤碼率隨光放大器數(shù)目的增加而劣化，此外噪聲是隨放大器的增益幅度以指數(shù)形式積累的。作為光放大器增益的一個結(jié)果，積累了許多個光放大器之后的ASE噪聲頻譜會有一個自發(fā)射效應(yīng)導(dǎo)致的波長尖峰。特別要指出的是，如果考慮采用閉合全光環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)體制，那么若級聯(lián)數(shù)目無限的光放大器，則ASE噪聲就會無限積累起來，SNR會隨光放大器的增多而劣化。城域波分環(huán)中必須設(shè)置一個以上的OTM或并行OADM節(jié)點，以避免此問題。

由此可見，光放大器不僅放大光信號，還在信號周圍和下方加入噪音（額外寄生功率），其影響是劣化光信噪比，而且OSNR隨著光放級聯(lián)數(shù)目的增加而進(jìn)一步降低，最終在接收端增加誤碼率。經(jīng)理論推導(dǎo)及實際測試，可得出接收端OSNR與誤碼率之間的大致關(guān)系曲線，圖1是2.5G系統(tǒng)的BER-OSNR曲線。

圖1　2.5G系統(tǒng)的BER～OSNR對應(yīng)曲線

對于多個級聯(lián)線路光放大器的DWDM系統(tǒng)噪聲的光功率主要由放大的自發(fā)輻射噪聲所支配。光放大器級聯(lián)時的光信噪比OSNR近似計算公式如下：

OSNR=POUT-L-NF-10LogN+58

POUT是每信道的輸出功率（單位為dBm），L是光放大器之間光纖段的損耗（單位為dB），NF是EDFA的噪聲指數(shù)（單位為dB），N是鏈路中光纖段數(shù)，此處假定鏈路中所有光纖段的損耗是相等的。

光信噪比是影響DWDM系統(tǒng)誤碼性能最重要因素之一，由于其復(fù)雜性，故也是波分系統(tǒng)設(shè)計時考慮最多的性能參數(shù)。城域波分系統(tǒng)中，可通過FEC技術(shù)提高接收端的OSNR容忍度，通�？商岣�4～7dB。從圖2中的BER-OSNR曲線可以看出啟用FEC對誤碼率的改善效應(yīng)（以10G系統(tǒng)為例）。

圖2　10G系統(tǒng)的BER-OSNR曲線（帶外FEC與無FEC比較）

系統(tǒng)設(shè)計時通常的原則是，Rn參考點的OSNR模擬計算值必須大于器件標(biāo)稱值（一般為BER=10-15時對應(yīng)的標(biāo)稱值，已考慮光通道代價以及接收機老化等因素）。例如，國標(biāo)規(guī)定，2.5G、10G波分系統(tǒng)的OSNR要求如表2（系統(tǒng)初始值）：

表2　波分系統(tǒng)Rn點OSNR要求

系統(tǒng)類型 2.5G 10G
Rn點每通路最小光信噪比 20 dB（無FEC） 25 dB（無FEC）或20 dB（帶外FEC）

根據(jù)經(jīng)驗，OSNR最好還有1～3 dB的額外富余，以利于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定，超過3 dB的額外富余則參考意義相對不大。

系統(tǒng)設(shè)計中，OSNR對線放站點的設(shè)置也是一個必須考慮的問題。通常，在對系統(tǒng)性能影響不大的情況下，可通過采用FEC等技術(shù)盡量節(jié)省線放站點。但與長途波分不同的是，城域波分多采用OADM站點，某波道承載的業(yè)務(wù)往往在下一個節(jié)點可能是穿通而不是終結(jié)，對OSNR的影響不是兩個OADM節(jié)點之間的距離而是兩個上下業(yè)務(wù)節(jié)點之間的距離，因此線放站的節(jié)省與否必須考慮業(yè)務(wù)的情況而不僅僅是站點間的距離。

6、其他方面的考慮

組網(wǎng)設(shè)計時也需要為系統(tǒng)投入使用后的運行維護(hù)工作而進(jìn)行多方面的考慮，以減少后續(xù)運營成本。

網(wǎng)管是波分系統(tǒng)的一個重要組成部分。要求功能完善、界面友好、操作方便，并通過合理的網(wǎng)管路由規(guī)劃（包括OSC以及外部路由的設(shè)計）實現(xiàn)快速可靠的與網(wǎng)元間通信。

網(wǎng)管管理能力是針對一套網(wǎng)管在保證規(guī)定性能指標(biāo)的情況下所能管理的最大網(wǎng)元數(shù)量。需要通過合理的軟硬件配置來保證網(wǎng)管的操作管控性能優(yōu)良。

系統(tǒng)抖動特性的考慮也是一個方面。整個波分系統(tǒng)中，只有OTU部分具有光/電轉(zhuǎn)換，其余均為全光處理及傳送。因此，OTU是引入抖動的唯一來源，而且在業(yè)務(wù)調(diào)度、轉(zhuǎn)接時需要2～5級級聯(lián)。但是，3R OTU具有良好的抖動抑制特性，通常可實現(xiàn)多級級聯(lián)無誤碼。主流廠家的設(shè)備，對于2.5G OTU級聯(lián)數(shù)目可達(dá)128級以上，對于10G OTU級聯(lián)數(shù)目可達(dá)64級以上。這一指標(biāo)大大高于長途波分實際OTU級聯(lián)應(yīng)用的可能數(shù)目，在城域波分應(yīng)用中更是游刃有余。所以，城域波分設(shè)計中通常不必考慮抖動的影響。

波分系統(tǒng)很大程度上是一個模擬的系統(tǒng)，因此對模擬量的在線定期監(jiān)控是維護(hù)工作中必不可少的部分。系統(tǒng)設(shè)計時可以考慮配置內(nèi)置光譜分析儀，通過系統(tǒng)的不中斷業(yè)務(wù)監(jiān)測口監(jiān)測光功率、OSNR、偏置電流、每波道波長等參數(shù)，并反映在網(wǎng)管的實時界面和歷史記錄當(dāng)中，以便及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患，保證系統(tǒng)性能。

主光路的變動對波分系統(tǒng)的性能有不小的影響，如光路劣化、光纜割接、中斷主光路擴容等，光路參數(shù)的變動將系統(tǒng)性能將發(fā)生變化。因此，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)在主光通道配置電可調(diào)光衰耗器，可以方便快捷的進(jìn)行光功率調(diào)整，重新優(yōu)化系統(tǒng)，恢復(fù)較優(yōu)的性能。

此外，OTU客戶側(cè)接口與業(yè)務(wù)信號的互通對接，具體波道的劃分，是否配置可調(diào)波長OTU用以通用備件等問題也應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計時加以考慮。

7、結(jié)束語

城域波分的大規(guī)模應(yīng)用正在加速，波分復(fù)用是模擬與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，系統(tǒng)的設(shè)計必須重視。細(xì)節(jié)決定成敗，如果全盤照搬廠家的初始方案，而不對關(guān)鍵因素作細(xì)致的檢查，可能會影響城域波分系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，相關(guān)反面例子并不少見。設(shè)計時考慮得越嚴(yán)密周全，系統(tǒng)就會越穩(wěn)定可靠，從而實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的完善。