基于新型光纖的長(zhǎng)距高速傳輸系統(tǒng)部署實(shí)踐

吳 宇，康 帥，林 玲

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司 規(guī)劃技術(shù)部，南京 210029； 2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 有線所，北京 100080；3.烽火通信科技股份有限公司，南京 210019）

0 引 言

100Gbit／s（Gbit／s，下文中簡(jiǎn)稱為 G）光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）技術(shù)在長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)中得到大規(guī)模應(yīng)用后，業(yè)界各方均把目光投向超100GOTN系統(tǒng)，對(duì)200G／400G的研究和測(cè)試工作推進(jìn)加快。從較早的軟件仿真分析［1］，到實(shí)驗(yàn)室全面測(cè)試對(duì)比［2－4］，進(jìn)入省內(nèi)干線試驗(yàn)段［5］，再到近期的典型國(guó)家干線應(yīng)用［6］，超100G 相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施及核心技術(shù)已經(jīng)歷各環(huán)節(jié)的考驗(yàn)和改進(jìn)，當(dāng)前正處于從現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)走向規(guī)模商用部署的過(guò)渡階段。

200G／400GOTN系統(tǒng)能夠成倍增加截面容量，對(duì)于滿足高速增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求具有顯著優(yōu)勢(shì)，但高速OTN系統(tǒng)也存在兩個(gè)短板：一是對(duì)信噪比要求高，限制了無(wú)電中繼傳輸距離，從而導(dǎo)致頻繁的光－電－光中繼，抬升了系統(tǒng)整體代價(jià)，在長(zhǎng)距離傳輸場(chǎng)景的實(shí)用性變差；二是200G／400G系統(tǒng)有靈活調(diào)整波道間隔以優(yōu)化匹配傳輸通道指標(biāo)的要求，而50GHz波道間隔的傳統(tǒng)固定格柵（Fixed－Grid）光器件無(wú)法滿足。如何取其長(zhǎng)處、補(bǔ)足短板，是現(xiàn)網(wǎng)部署應(yīng)用長(zhǎng)距離200G／400GOTN系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2018年9月～2019年2月，中國(guó)移動(dòng)組織了現(xiàn)網(wǎng)部署新型長(zhǎng)距離大容量OTN系統(tǒng)的技術(shù)試點(diǎn)項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱本項(xiàng)目），集中應(yīng)用了一批OTN應(yīng)用領(lǐng)域的前沿新技術(shù)，探索了下一代長(zhǎng)途OTN干線傳輸系統(tǒng)中具有代表性的技術(shù)演進(jìn)方向，包括新型G.654E低損耗大有效面積光纖的國(guó)家干線端到端部署、靈活格柵（Flex－Grid）光器件和拉曼光纖放大器的工程應(yīng)用等，并且首次用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回答了200G／400G系統(tǒng)在新型光纖上的性能改善度和當(dāng)前無(wú)電中繼傳輸距離等關(guān)鍵問(wèn)題。本項(xiàng)目涉及北京、天津、河北、山東、安徽和江蘇等省市，線路最長(zhǎng)距離約1 539km，在江蘇南京和徐州各設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)端光 終 端 復(fù) 用 （Optical Terminal Multiplexer，OTM）站，本文將結(jié)合全程測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行解析并提出相關(guān)策略建議。

1 需求分析及本項(xiàng)目關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)需求特性分析

在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中，長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)的需求特性排序?yàn)椋菏紫仁谴笕萘康统杀荆黄浯问歉呖煽康蜁r(shí)延；再次是靈活性。在滿足前兩者的前提下，可以通過(guò)提前精心測(cè)算并規(guī)劃電路局向和帶寬預(yù)留來(lái)部分滿足靈活性的需求。具體需求及演進(jìn)方向如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)需求特性及近期技術(shù)演進(jìn)方向示意圖

實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理中，因系統(tǒng)整體管理穩(wěn)定和維護(hù)界面清晰的要求，長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)對(duì)靈活性的需求比城域網(wǎng)低，通常僅要求電路局向靈活可調(diào)和帶寬可按需分配，現(xiàn)階段對(duì)動(dòng)態(tài)快速建立拆除電路的要求并不高（除特定的高等級(jí)集團(tuán)客戶專網(wǎng)系統(tǒng)之外）。

1.2 測(cè)試驗(yàn)證的關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)上述針對(duì)需求特性的分析，我們梳理了近期長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)路徑，并選取其中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在本項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，表1所示為演進(jìn)路徑及近期關(guān)鍵點(diǎn)。

表1 演進(jìn)路徑及近期關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)上述思路，項(xiàng)目中主要完成了以下各項(xiàng)測(cè)試驗(yàn)證工作：

（1）全程應(yīng)用新型G.654E纖芯，實(shí)測(cè)了現(xiàn)網(wǎng)部署的G.654E光纖損耗和熔接損耗情況。同時(shí)，借助同路由和同纜的G.652D纖芯，比較了在完全相同的環(huán)境條件和系統(tǒng)組網(wǎng)條件下，G.654E光纖承載指標(biāo)相比G.652D光纖的優(yōu)勢(shì)。

（2）測(cè)試路徑基于現(xiàn)網(wǎng)真實(shí)環(huán)境，長(zhǎng)度超出國(guó)內(nèi)典型段落要求，測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)能力上限，給出可信的無(wú)電中繼傳輸距離數(shù)據(jù)。其中少量長(zhǎng)距離段落應(yīng)用了拉曼／摻鉺光纖放大器組合放大器。

（3）測(cè)試組網(wǎng)采用支持Flex－Grid的 WSS器件，不僅滿足過(guò)路波長(zhǎng)的低插損要求，還驗(yàn)證了多種速率波道共存。

（4）測(cè)試4種典型的線路側(cè)板卡，涵蓋長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)當(dāng)前熱點(diǎn)技術(shù)，并比較其單位能效。

（5）驗(yàn)證長(zhǎng)途鏈路的端到端在線監(jiān)測(cè)能力，并與儀表監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)。

2 組網(wǎng)概況

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2018年3月～8月完成了OTN系統(tǒng)搭建，包含遠(yuǎn)端OTM 站6個(gè)、光放大器（Optical Amplifier，OA）站17個(gè)；于2018年9月～2019年2月在該組網(wǎng)環(huán)境中完成了指標(biāo)測(cè)試。圖2所示為測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測(cè)試環(huán)境

圖3所示為測(cè)試環(huán)境示意圖。

圖3 測(cè)試環(huán)境示意圖

因本項(xiàng)目光層采用WSS器件，因此在OTM站C和D處，測(cè)試波道采用經(jīng)WSS直通的方式，未采用傳統(tǒng)的合分波器背靠背連接方式。具體測(cè)試波道及其路徑情況如表2所示。

表2 測(cè)試波道和測(cè)試路徑情況

本項(xiàng)目中有多個(gè)主流OTN廠商設(shè)備參與，各廠商分別獨(dú)立組建全程系統(tǒng)，但均采用現(xiàn)網(wǎng)已規(guī)模部署的主流設(shè)備型號(hào)，其中烽火通信提供了Fonst6000系列產(chǎn)品參測(cè)。

3 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果分析

3.1 G.654E光纖承載性能

同等條件下，G.654E光纖相對(duì)G.652D光纖的性能指標(biāo)存在明顯優(yōu)勢(shì)，表3所示為兩種光纖承載性能比較。

系統(tǒng)要求OSNR指標(biāo)余量應(yīng)≥5dB、Q值指標(biāo)余量應(yīng)≥3dB（表中用 和 分別標(biāo)出了指標(biāo)余量滿足和不滿足系統(tǒng)要求）。

表3 G.654E與G.652D光纖承載性能比較表

由表可知，對(duì)于長(zhǎng)距200G波道，G.654E光纖的承載性能指標(biāo)提升最為明顯。對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)已大規(guī)模部署的100G波道，改用G.654E光纖后性能提升幅度有限，必要性不大。對(duì)于短距400G波道，因線路噪聲累積不明顯，改用G.654E光纖后改善幅度不及200G波道，但仍能改善通道的指標(biāo)余量，對(duì)提高通道運(yùn)行的可靠性有利。另一方面，單載波200G（16QAM）仍不能很好地滿足1 000km的無(wú)電中繼傳輸距離要求，為此，補(bǔ)充測(cè)試了該波道的實(shí)際傳輸能力，表4所示為f2波道補(bǔ)測(cè)情況。

表4 f2波道補(bǔ)測(cè)情況

3.2 G.654E光纖自身參數(shù)

對(duì)本項(xiàng)目中使用的光纖進(jìn)行實(shí)測(cè)，表5所示為兩種光纖自身參數(shù)比較。

表5 兩種光纖自身參數(shù)比較

G.654E光纖自身具備低衰減系數(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)測(cè)平均性能優(yōu)勢(shì)約為0.017dB／km。但在長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)工程應(yīng)用中真正起作用的不是纖芯自身衰耗，而是鏈路衰耗指標(biāo)，它將會(huì)受到光纜敷設(shè)質(zhì)量、熔接接頭質(zhì)量和尾纖匹配等多種因素的影響，如果這些環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不佳，將導(dǎo)致最終落地的優(yōu)勢(shì)減弱。其中，影響最大的是熔接接頭質(zhì)量，由于G.654E與G.652D纖芯之間的有效面積差異大，其互熔損耗常常會(huì)超過(guò)0.15dB／個(gè)［7］，顯著超出了陸地干線光纜接續(xù)要求（平均接續(xù)損耗＜0.04dB、最大值不超過(guò)0.08dB）［8］，這樣的互熔接頭直接抵消了 G.654E自身的低衰減系數(shù)優(yōu)勢(shì)。G.654E光纖的大有效面積優(yōu)勢(shì)，可減輕光纖非線性效應(yīng)的影響，降低了OSNR代價(jià)，本項(xiàng)目中實(shí)測(cè)可提高入纖功率約1dB。

因此，低衰減和大有效面積這兩方面的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合［9］，將點(diǎn)滴的優(yōu)勢(shì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的光信號(hào)傳輸積累，匯集并顯現(xiàn)出來(lái)，最終形成了本文前一小節(jié)中的G.654E光纖承載性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，基于光纖放大器的2R 技術(shù)（Reshaping and Re－amplification，對(duì)劣化的光信號(hào)進(jìn)行再整形和再放大）并不能完善地解決脈沖重新整形的問(wèn)題［10］，所以，單載波400G光信號(hào)尚無(wú)法長(zhǎng)距離直接傳輸，G.654E光纖承載400 G波道的性能優(yōu)勢(shì)還不明顯。未來(lái)，更苛刻的傳輸性能需求將使得G.654E光纖的使用成為一種趨勢(shì)［11］，隨著設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，其優(yōu)勢(shì)將會(huì)逐步顯現(xiàn)。

3.3 線路側(cè)板卡單位功耗

近年來(lái)高速傳輸系統(tǒng)的能耗隨容量快速增長(zhǎng)，已開始接近單機(jī)架散熱能力的上限，個(gè)別干線節(jié)點(diǎn)已在機(jī)房中形成局部熱島。因此，一方面仍需繼續(xù)努力提升核心傳輸機(jī)房的單架散熱容限；另一方面作為OTN系統(tǒng)中能耗占比較高的線路側(cè)板卡，無(wú)論采用何種新技術(shù)，均應(yīng)做到單位功耗的持平或下降，以免很快觸及散熱瓶頸。圖4所示為各型線路側(cè)板卡單位功耗測(cè)試結(jié)果比較示意圖。

圖4 各型線路側(cè)板卡單位功耗測(cè)試結(jié)果比較示意圖

由圖可知，采用高速率波道在線路側(cè)板卡單位功耗方面相比已成熟穩(wěn)定的100G波道仍有一定優(yōu)勢(shì)，但目前優(yōu)勢(shì)尚不明顯。而高速率波道提升了對(duì)設(shè)備槽位和交叉容量的利用效率（端口速率提升、槽位占用減少），因此，折算成單條10G電路估算功耗之后則優(yōu)勢(shì)更為突出，這一點(diǎn)同時(shí)也表明了進(jìn)行綜合折算功耗比較而非僅僅線路側(cè)單位功耗比較的意義。

3.4 線路時(shí)延指標(biāo)及在線測(cè)量

對(duì)時(shí)延測(cè)量的結(jié)果表明，現(xiàn)有技術(shù)手段已經(jīng)可以對(duì)線路時(shí)延進(jìn)行相當(dāng)精確的在線測(cè)量，長(zhǎng)距離測(cè)量的誤差在0.5%以內(nèi)。同時(shí)，線路時(shí)延測(cè)量結(jié)果接近理論值，表明了全程無(wú)電中繼的OTN電路更適于承載時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)。表6所示為線路時(shí)延指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。

表6 線路時(shí)延指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

3.5 在線OTDR監(jiān)測(cè)

OTN系統(tǒng)內(nèi)置OTDR監(jiān)測(cè)功能已經(jīng)可以對(duì)線路長(zhǎng)度進(jìn)行相當(dāng)精確的在線測(cè)量，誤差在0.04%以內(nèi)。段落衰耗測(cè)量結(jié)果仍有4%以內(nèi)的誤差，尚需繼續(xù)改進(jìn)。以其中某跨段部分光纖測(cè)試結(jié)果為例，如表7所示。

表7 在線OTRD測(cè)試結(jié)果

以上測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)中包含了活動(dòng)接頭、熔接接頭和尾纖等衰耗，且實(shí)際選用的尾纖長(zhǎng)度有差異，引入一定誤差，因此，并不作為兩種類型光纖的鏈路衰耗測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)使用。

4 存在的問(wèn)題及后續(xù)技術(shù)引入

4.1 線路技術(shù)

纖芯選擇和光纜：低衰減和大有效面積這兩方面的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使G.654E光纖成為面向400G／500G／1Tbit／s超高速傳輸技術(shù)的首選光纖，但當(dāng)前存在的問(wèn)題是G.654E與G.652互熔的衰耗較高，且自熔操作要求略有差異（熔接G.654E時(shí)要求增加預(yù)熔及放電時(shí)間）。面向5G部署后的流量持續(xù)增長(zhǎng)，建議長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)新敷設(shè)光纜或存量線路整體改造項(xiàng)目均應(yīng)盡快轉(zhuǎn)向G.654E。為減輕維護(hù)管理和故障搶修難度，新建光纜段落不建議選用G.654E＋G.652D混合光纜產(chǎn)品。

工程應(yīng)用要求：實(shí)際工程應(yīng)用中建議不在一個(gè)光放段內(nèi)出現(xiàn)G.654E和G.652的接續(xù)混用，應(yīng)采用與G.654E線路光纖相匹配的跳纖和尾纖，以保障全程維護(hù)的一致性。

熔接施工要求：首先，需樹立G.654E熔接質(zhì)量關(guān)乎工程性價(jià)比指標(biāo)的觀念；其次，需要加強(qiáng)G.654E光纖熔接培訓(xùn)，切實(shí)要求操作人員掌握G.654E光纖的熔接要點(diǎn)；再次，需注意熔接機(jī)顯示的接頭衰耗僅為估算參考值，需要采用OTDR進(jìn)行雙向接頭衰耗測(cè)試取均值才能作為驗(yàn)收指標(biāo)，從而嚴(yán)格熔接質(zhì)量管理。建議要求G.654E光纜工程驗(yàn)收階段的鏈路平均衰耗指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于G.652約0.02dB／km（含接頭），以便充分體現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，凸顯項(xiàng)目性價(jià)比，并為后續(xù)高速系統(tǒng)加載做好準(zhǔn)備。

4.2 設(shè)備技術(shù)

單載波200G（16QAM）可作為近期優(yōu)選：該技術(shù)當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是仍無(wú)法滿足1 000km無(wú)電中繼要求，但在無(wú)電中繼距離和頻譜利用效率上已取得了較好的平衡，基于G.652光纖的實(shí)用無(wú)電中繼傳輸距離超過(guò)600km，可在中國(guó)現(xiàn)有約84%的光復(fù)用段部署［12］?；贕.654E光纖的實(shí)用無(wú)電中繼傳輸距離可擴(kuò)展至750km以上，可在約95%以上光復(fù)用段部署。同時(shí)，其波道間隔為50GHz，現(xiàn)有光層器件即可支撐其部署要求，無(wú)需更新為Flex－Grid器件，對(duì)系統(tǒng)改造的要求低。建議后續(xù)長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)大流量截面的擴(kuò)容波道應(yīng)優(yōu)選該技術(shù)。

單載波400G（16QAM）近期成熟度仍有待提高：該技術(shù)基于G.652光纖的實(shí)用無(wú)電中繼距離當(dāng)前僅約100km，仍難以滿足長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)的需要。基于G.654E光纖并結(jié)合應(yīng)用拉曼光纖放大器提升其傳輸性能之后，實(shí)用無(wú)電中繼距離仍難以超過(guò)150km，暫無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的商用部署，僅適用于少量數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場(chǎng)景。同時(shí)，該技術(shù)與現(xiàn)有的Fixed－Grid器件并不兼容，不適合從現(xiàn)有光層系統(tǒng)直接升級(jí)，應(yīng)優(yōu)選新建系統(tǒng)部署。

現(xiàn)階段可做好向單載波400G演進(jìn)的技術(shù)準(zhǔn)備：新建長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)時(shí)，建議優(yōu)選Flex－Grid光層器件，以利系統(tǒng)后續(xù)向更高波道速率平滑演進(jìn)?？紤]各種載波速率將會(huì)長(zhǎng)期混傳共存［13］，分別適用不同的傳輸距離／容量組合場(chǎng)景，F(xiàn)lex－Grid器件的額外成本將在后續(xù)波道配置組合的靈活性方面得到補(bǔ)償，且基于Flex－Grid構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)生命周期會(huì)更長(zhǎng)［14］。

針對(duì)骨干路由器400G端口互聯(lián)需求，逐步在短距段落應(yīng)用單載波400G（16QAM）技術(shù)，并結(jié)合使用G.654E光纖和拉曼光纖放大器進(jìn)一步提升其在長(zhǎng)跨段的傳輸性能，待無(wú)電中繼傳輸距離達(dá)到600km后，推進(jìn)規(guī)模商用部署。

規(guī)模引入在線監(jiān)測(cè)技術(shù)：考慮時(shí)延和OTDR等在線監(jiān)測(cè)功能對(duì)系統(tǒng)維護(hù)和業(yè)務(wù)質(zhì)量跟蹤均具備顯著效用，建議作為必備功能引入。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目的現(xiàn)網(wǎng)部署實(shí)踐，驗(yàn)證了在長(zhǎng)途干線OTN傳輸系統(tǒng)中引入各項(xiàng)新技術(shù)并組合應(yīng)用，顯現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值并改善系統(tǒng)指標(biāo)，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)將成為下一階段系統(tǒng)演進(jìn)的重要和優(yōu)先選擇。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，我們提出了下一階段系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)選擇建議。未來(lái)，隨著單載波速率和系統(tǒng)總?cè)萘康倪M(jìn)一步提升，長(zhǎng)途干線系統(tǒng)的靈活調(diào)度功能將逐步轉(zhuǎn)向通過(guò)光交叉、光背板和支路上下波長(zhǎng)選擇器來(lái)提供［15］，但本文中涉及的長(zhǎng)距離和大容量線路側(cè)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，仍將是新型系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。