100Gbit/s傳輸系統(tǒng)性能最優(yōu)化配置方法

羅 濱，王世文，胡 榮，賀志學(xué)

（1.國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074）

光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

100Gbit/s傳輸系統(tǒng)性能最優(yōu)化配置方法

羅 濱1，王世文1，胡 榮2，賀志學(xué)2

（1.國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074）

研究了基于高速相干光接收的100Gbit/s PDM-QPSK（偏振復(fù)用-正交相移鍵控）系統(tǒng)在不規(guī)則跨段配置條件下的傳輸性能優(yōu)化技術(shù)，得到了不規(guī)則跨段下的最優(yōu)鏈路配置解析計(jì)算模型，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的跨段衰減完全補(bǔ)償方案相比，該配置方案Q因子性能可提升1.3dB。該配置方法可應(yīng)用于當(dāng)前100Gbit/s PDM-QPSK系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)和在線優(yōu)化，能有效提升不規(guī)則跨段鏈路下的系統(tǒng)傳輸性能。

100Gbit/s系統(tǒng)；偏振復(fù)用-正交相移鍵控；傳輸性能優(yōu)化

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)流量需求的迅猛增長，100Gbit/s PDM-QPSK（偏振復(fù)用-正交相移鍵控）技術(shù)已開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接探測技術(shù)，成為目前高速長距離光傳輸?shù)闹髁鬟x擇［1-2］。與傳統(tǒng)2.5、10和40Gbit/s直接檢測系統(tǒng)不同的是，100Gbit/s PDM-QPSK系統(tǒng)采用相干光接收和數(shù)字損傷補(bǔ)償，光纖鏈路中不再進(jìn)行光色散補(bǔ)償管理，在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)非線性傳輸性能。

目前，對100Gbit/s系統(tǒng)傳輸性能的研究較多集中在每段鏈路光纖長度、光放大器間距和配置相同的規(guī)則光纖跨段等場景。當(dāng)系統(tǒng)鏈路參數(shù)固定時(shí)，最優(yōu)傳輸性能僅取決于光發(fā)射機(jī)功率。但是，在實(shí)際的高速長距離傳輸場景下，由于地理位置、站點(diǎn)需求等諸多方面的限制，必然會(huì)出現(xiàn)傳輸線路放大器站點(diǎn)之間間距不等，光纖長度不同甚至有較大偏差的情況。在這樣的不規(guī)則鏈路場景下，各光纖跨段經(jīng)歷的傳輸過程不再相同，系統(tǒng)傳輸性能和每一段光纖的長度、入纖功率和放大器增益配置相關(guān)。如何快速地根據(jù)鏈路信息得到最優(yōu)的系統(tǒng)性能和鏈路配置成為100Gbit/s系統(tǒng)應(yīng)用的重要問題。

本文研究了不規(guī)則跨段下100Gbit/s系統(tǒng)傳輸性能及放大器配置的快速優(yōu)化問題，推導(dǎo)了不規(guī)則鏈路場景下的最優(yōu)放大器增益配置。仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)鏈路衰減完全補(bǔ)償?shù)呐渲梅椒?，本文方案可?shí)現(xiàn)1.3dB的Q 因子提升，對當(dāng)前100Gbit/s系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 100Gbit/s鏈路功率最優(yōu)配置計(jì)算模型

在規(guī)則鏈路中，鏈路的初始增益通常設(shè)置為完全補(bǔ)償鏈路中的損耗，即放大器的增益等于對應(yīng)跨段光纖的損耗，在這種增益配置下每個(gè)跨段的入纖功率完全相同，只需要將光纖源節(jié)點(diǎn)的入射功率設(shè)置為最優(yōu)入射功率就能得到整條鏈路的最優(yōu)傳輸性能。但對于不規(guī)則鏈路，每個(gè)跨段的光纖長度不同，相應(yīng)的每個(gè)跨段的最優(yōu)入射功率也不相同，簡單地將每個(gè)跨段的放大器增益設(shè)置為完全補(bǔ)償光纖中的損耗，并不能使光纖鏈路的傳輸性能達(dá)到最優(yōu)，而現(xiàn)網(wǎng)中實(shí)際選取的鏈路多為不規(guī)則鏈路，因此有必要針對不規(guī)則鏈路的優(yōu)化方案進(jìn)行研究。

對100Gbit/s PDM-QPSK系統(tǒng)不規(guī)則鏈路性能評(píng)估模型進(jìn)行分析可以得出：（1）不規(guī)則鏈路各個(gè)跨段的SNR（信噪比）相互獨(dú)立；（2）每一個(gè)跨段中影響傳輸性能的主要因素包括光纖源節(jié)點(diǎn)的入射功率以及各個(gè)EDFA（摻鉺光纖放大器）的增益，二者均為可調(diào)節(jié)參量。每一個(gè)跨段產(chǎn)生的非線性噪聲功率可以表示為其中Pch，n為第n個(gè)跨段的入纖功率，ρNLI，n為該段光纖參數(shù)相關(guān)的非線性噪聲系數(shù)，可以表示為［3］

在第n個(gè)光纖跨段的EDFA輸出端，由該跨段光纖非線性效應(yīng)和放大器ASE（放大自發(fā)輻射）噪聲導(dǎo)致的信號(hào)SNR可以表示為

式中，an、NFn分別為該跨段的光纖損耗和EDFA的噪聲指數(shù)。因此，對于給定的跨段，在跨段參量都已知的情況下，SNRn是跨段入射功率Pch，n的函數(shù)，對每個(gè)跨段的SNRn求導(dǎo)，可以在給定的信道輸入功率Pch，n范圍內(nèi)取得跨段傳輸性能的最優(yōu)值。此時(shí)每個(gè)跨段的傳輸性能與跨段中EDFA的增益無關(guān)，跨段之間相互獨(dú)立，接收端的傳輸性能由每個(gè)跨段的傳輸性能級(jí)聯(lián)得到，取得每個(gè)跨段的最優(yōu)就能得到整個(gè)鏈路的全局最優(yōu)。

對式（2）求導(dǎo)，計(jì)算得到每個(gè)跨段的最優(yōu)入射功率為

假設(shè)第n個(gè)跨段光纖衰減系數(shù)為αn，光纖長度為Lspan，n，EDFA增益為Gopt，n，則第n+1個(gè)跨段的入纖功率可表示為Popt，n+1=Popt，nexp（-αnLspan，n）· Gopt，n，其中每個(gè)光纖跨段的入射功率可以通過調(diào)節(jié)EDFA的增益來設(shè)置。根據(jù)式（3）可以計(jì)算出對應(yīng)的最優(yōu)放大器增益為

此時(shí)系統(tǒng)接收端性能可以表示為［4］

將ASE噪聲功率和非線性損傷功率代入到傳輸性能的表達(dá)式中，對評(píng)估模型進(jìn)行分析，接收端的SNR可表示為

式中，erfc、erfc-1分別為誤差函數(shù)和互補(bǔ)誤差函數(shù)；V為調(diào)制階數(shù)。對于QPSK系統(tǒng)，V=log24=2，SNR和Q值完全相同；但對于其他調(diào)制系統(tǒng)，如16QAM（16階正交幅度調(diào)制）系統(tǒng)，則V=log216= 4，Q和SNR關(guān)系由式（7）給出。

2 系統(tǒng)仿真和驗(yàn)證

在仿真中采用了三種鏈路配置，第一種為傳統(tǒng)鏈路衰減完全補(bǔ)償?shù)呐渲梅桨福?］，此時(shí)各段光纖入纖功率完全一致；第二種為根據(jù)式（3）～（4）計(jì)算的最優(yōu)配置方案；第三種為假設(shè)跨段長度中心點(diǎn)光功率相同的方案［6］，該方案是在傳統(tǒng)10Gbit/s有色散管理的直接探測系統(tǒng)中得出的優(yōu)化方案。

100Gbit/s系統(tǒng)的發(fā)射端采用30GBaud光IQ調(diào)制和偏振復(fù)用，接收端經(jīng)相干接收、光混頻后進(jìn)入4路平衡探測器進(jìn)行接收，經(jīng)過低通濾波、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、電色散補(bǔ)償和基于CMA（恒模算法）的偏振解復(fù)用及均衡后進(jìn)行信號(hào)判決和誤碼統(tǒng)計(jì)。仿真參數(shù)設(shè)置如下：符號(hào)速率為30GBaud，信道間隔為50GHz，信道數(shù)為7個(gè)，跨段數(shù)為10個(gè)，中心波長為1 550nm，光纖衰減為0.2dB/km，光纖色散為17ps/（km·nm），非線性系數(shù)為1.36W·km，EDFA噪聲指數(shù)為6dB。

仿真中所采用的非規(guī)則鏈路系統(tǒng)如圖1所示，光纖鏈路包含10個(gè)跨段，最短和最長的跨段距離分別為30和120km。

圖1　端到端不規(guī)則鏈路

當(dāng)發(fā)射端功率變化時(shí)，3種配置方案的傳輸性能如圖2所示。可以看出，系統(tǒng)Q因子隨著入射功率的增加先增大后減小，這是因?yàn)楫?dāng)入射功率增加到一定程度時(shí)，非線性效應(yīng)對傳輸性能的抑制效果顯著增加，惡化了系統(tǒng)的傳輸性能，每一種增益配置都對應(yīng)一個(gè)最優(yōu)源節(jié)點(diǎn)入射功率。3條曲線的最高點(diǎn)分別為：衰減完全補(bǔ)償方案（-2，19.0），最優(yōu)增益配置（0，20.3），跨段中心功率相同配置（1，20.1）。其中最優(yōu)增益配置與跨段中心功率相同增益配置的最優(yōu)傳輸性能差值小于0.2dB，相對于傳統(tǒng)的跨段衰減完全補(bǔ)償配置方案，Q因子提升了1.3dB。在線性區(qū)域，最優(yōu)增益配置方案傳輸性能始終優(yōu)于跨段中心功率相同的增益配置和傳統(tǒng)衰減完全補(bǔ)償方案，Q因子提升分別超過1.1和2.4dB。因此，盡管跨段中心功率相同的配置方案和最優(yōu)配置方案具有接近的最優(yōu)性能，但僅針對入射功率較大的場景。而無論是小功率線性區(qū)域還是最優(yōu)Q值的區(qū)域，最優(yōu)配置方案均具有明顯優(yōu)勢。

圖2　3種增益配置Q因子對比圖

以損耗完全補(bǔ)償增益配置作為參考初始增益配置，論文進(jìn)一步對比了EDFA的最優(yōu)增益配置與初始增益配置增益的差別，如圖3所示，圖中第3、第10跨段的最優(yōu)增益值和初始增益值相同。

圖3　初始增益配置與最優(yōu)增益配置對比

如圖4所示，相對于初始增益配置，為了取得1.3dB的最優(yōu)傳輸性能的提升，需要將系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)為最優(yōu)增益配置，10個(gè)跨段中有8個(gè)跨段的增益值需要調(diào)節(jié)，并且每個(gè)EDFA的增益調(diào)節(jié)量各有不同。然而，在實(shí)際的光路傳輸系統(tǒng)中，光路整體增益調(diào)節(jié)量過大或調(diào)節(jié)跨段數(shù)過多將會(huì)影響系統(tǒng)的抖動(dòng)、時(shí)延和瞬態(tài)特性，同時(shí)也將增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營開銷，因此，將初始增益配置全部調(diào)節(jié)為最優(yōu)增益配置在實(shí)際系統(tǒng)中不能實(shí)現(xiàn)。為了有效、快速地提升系統(tǒng)的傳輸性能，可以在最優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上加上一定的限制條件，從而保證在盡量少的EDFA調(diào)節(jié)個(gè)數(shù)的情況下，取得盡可能優(yōu)的鏈路傳輸性能。

圖4　初始增益配置與最優(yōu)增益配置差值

3 結(jié)束語

本文通過對100Gbit/s PDM-QPSK非規(guī)則鏈路下傳輸性能進(jìn)行解析建模，得到了非規(guī)則鏈路傳輸性能的最優(yōu)化配置方案的解析計(jì)算公式，并與傳統(tǒng)的鏈路衰減完全補(bǔ)償、鏈路中心功率相同的配置方案進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)鏈路衰減完全補(bǔ)償方案，最優(yōu)配置方案傳輸性能可提升1.3dB；此外，相對于鏈路跨段中心功率相同的配置方案，最優(yōu)配置方案在線性區(qū)域具有1.1dB提升，可實(shí)現(xiàn)100Gbit/s鏈路非規(guī)則系統(tǒng)的最優(yōu)傳輸性能配置。

［1]胡毅，楊家龍.40/100G相干光通信模塊的技術(shù)分析［J］.烽火科技，2011，157（6）：13-15.

［2]Xie Chongjin，Raybon Greg，Chandrasekhar S.Comparison of RZ and NRZ formats in 112-Gbs PDMQPSK long haul coherent transmission systems［C］// OFC/NFOEC 2011.San Diego，California，USA：OSA，2011：JThA39.

［3]Poggiolini P.The GN model of non-linear propagation in uncompensated coherent optical systems［J］.IEEE J Lightwave Technol，2012，30（24）：3857-3879.

［4]Gao G，Zhang J，Wang L，et al.Influence of physical layer configuration on performance of elastic optical OFDM networks［J］.IEEE Communication Letters，2014，18（4）：672-675.

［5]Morea Annalisa，Brogard Nicolas，Leplingard Florence，et al.QoT function and A*routing：an optimized combination for connection search in translucent networks［J］.IEEE J Opt Netw，2008，7（1）：42-61.

［6]Mecozzi A.On the Optimization of the gain distributionof transmission lines with unequal amplifier spacing ［J］.IEEE Photonic Technology Letters，1998，10（7）：1033-1035.

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

羅濱（1959-），男，江蘇南通人。高級(jí)工程師，多年從事電力自動(dòng)化、信息化和通信等方面的管理工作。