不同传输速率系统的光线路保护解决方案研究
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【摘 要】
随着光纤网络传输速率的不断提高，OLP作为保证其可靠性的有效技术，也不断面临着新的问题和挑战。基于OLP系统的工作原理，分析了目前主流的10Gbit/s及以下速率传输系统中OLP的关注要点及其解决方案；针对40Gbit/s传输系统的特殊性，尤其是色散补偿方面的问题，分析并给出了可行的解决方法；对于100Gbit/s传输系统，通过对其核心实现技术——基于相干检测的DP-QPSK调制技术的分析，结合OLP技术原理，给出了该速率下OLP系统可行的解决方案。
【关键词】
光线路保护 40Gbit/s系统 100Gbit/s系统 色散补偿
中图分类号：TN913.7 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-18-0059-05
Research on Optical Line Protection Solution in Different Transmission Rate System
SONG Yan-tao1， CHEN Hong2
（1. China Telecom Corporation Henan Branch， Zhengzhou 450016， China；
2. Accelink Technologies Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）
[Abstract]
With the acceleration of optical fibre link transmission， new problems and challenges are brought to OLP to ensure the reliability. Based on the principle of OLP system， this paper analyzes the key point and the solution for the OLP system of 10Gbit/s and below it. For the transmission system of 40Gbit/s， especially for the dispersion compensation， the paper analyzes and proposes the available solution. As to the transmission system of 100Gbit/s， the paper introduces a feasible scheme for the OLP system， combined with OLP technic principle and analysis of the core technique which is DP-QPSK modulating based on coherent detection.
[Key words]
optical line protection 40Gbit/s transmission system 100Gbit/s transmission system dispersion compensation
收稿日期：2013-08-28
1 引言
在当前的光传输网络保护技术中，OLP（Optical Line Protection，光线路保护）被证实为一种经济、实用、可靠的解决方案，在目前主流的10Gbit/s及以下速率传输系统中有着良好的应用。随着通信业务容量的持续膨胀，系统对传输带宽的需求也越来越高，密集波分复用技术的普及与传输速率的不断提高成为解决带宽问题的关键。近年来，40Gbit/s传输系统已经进行了大规模的商用部署，其维护工作也给现有的维护手段带来了新的挑战，在OLP介入40Gbit/s系统时，面临着诸多技术层面的问题亟需解决。更进一步，100Gbit/s传输系统的标准制定及发展规划事实上是与40Gbit/s系统同时展开的，只是由于当前技术条件下其商用成本过高，因而暂时未能全面走向实用。但是，未来100Gbit/s系统的部署将是必然趋势。OLP在100Gbit/s时代如何实现与传输系统的对接，从而起到对系统的保护功能，也是当前需要研究的问题。
2 OLP概述及其在10Gbit/s速率下的解
决方案
OLP是物理上独立于传输系统之外的第三方子系统，其对光纤线路的保护功能建立在系统含有主用及备用线路的基础上。完整的OLP解决方案包括：硬件切换装置（实现当主用线路中断或光纤性能劣化严重时，自动切换光信号到备用线路进行传输）、软件网管系统（实现对系统的远程配置与光缆参数的实时监控）。
OLP要实现对传输系统的保护功能，必须确保切换的有效性，即保证切换完成后，传输设备光功率保持不变，且业务无误码告警。因此，系统在部署时必须确保备用线路与主用线路传输性能一致，具体包括线路衰耗、色度色散、OSNR（Optical Signal Noise Ratio，光信噪比）等参数。由于实际应用中主备线路在长度、型号、新旧等方面通常都有所差异，因此主备线路的衰耗和色散值会不一致，需要进行相应的调整。
在10Gbit/s及低于该速率的传输系统中，采用常规的EDFA（Erbium-doped Optical Fiber Amplifer，掺铒光纤放大器）和色散补偿模块就可以对光功率及色度色散进行相应调整。而对于OSNR，需要进行全面评估以确保其在门限之内，否则必须采用FEC（Forward Error Correction，前向纠错编码）技术或RFA（Raman Fiber Amplifer，拉曼光纤放大器）来降低其阈值。此外，在该传输速率范围内，光纤的其他性能参数对信号传输及识别影响甚微。因此，以上所述的OLP方案可确保传输设备切换至备用线路时正常工作，从而达到线路保护的目的。
3 40Gbit/s系统OLP面临的问题及解决
方案
3.1 40Gbit/s系统OLP面临的问题
（1）PMD问题
PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）是由于信号光的两个相互垂直方向的偏振模式在光纤中传输速率存在差异，从而产生的色散现象，具有一定的随机性。当传输速率达到40Gbit/s时，在3dB代价下，系统的PMD容限也只有3.75ps，严重限制了系统的无中继传输距离[1]。光纤的PMD系数会随着其老化程度及外在因素的累加影响而变大，而PMD补偿技术价格高昂，商用难以普及。
（2）CD问题
CD（Chromatic Dispersion，色度色散）是由于不同波长的光在光纤中传输速率不一致产生的，使得信号脉冲展宽，从而导致在接收端产生误码。常规NRZ（Not Return to Zero，不归零）码型的40Gbit/s系统的色散容限仅有50ps/nm，加之色散斜率的原因，使得不同通道的色散补偿量要求也不一致，且外力、温度等不确定因素都会影响到不同通道的色散值。因此，在40Gbit/s系统的线路保护中，由于备用光缆与主用光缆的长度、型号、新旧等不一致，以及对各通道色散值补偿存在差异，常规DCM（Dispersion Compensation Module，色散补偿模块）是无法满足其色散补偿要求的。
（3）OSNR（光信噪比）问题
40Gbit/s系统的OSNR容限比10Gbit/s系统高6dB，虽然通过各种先进的FEC技术可以使该阈值降低6～8dB，但是考虑非线性效应，其入纤功率要求比10Gbit/s系统又进一步降低。因此，在不使用拉曼放大器改善系统OSNR的前提下，很难满足如此高的容限，这直接限制了系统的传输距离[2]。
3.2 40Gbit/s系统OLP解决方案
（1）备用光缆的选择
由于光纤的PMD系数会随着光缆的老化等因素而变大，而PMD补偿技术的价格又过于高昂，因此在40Gbit/s系统的OLP实施上，要求选用合适的备用光缆，以避免PMD系数过大。国内运营商在大多数地区铺设的光缆都较新，建议选择2005年后铺设的光缆作为备用光缆较为合适。
（2）对色度色散进行精确补偿
在40Gbit/s如此高的传输速率下，色度色散是引发传输误码的主要因素，严重制约了系统的传输距离。传输系统本身在编码调制技术上做了大量改进，极大地提高了系统的色散门限[3]。另外，传输系统自身的色散补偿方案为综合运用固定值的大范围光纤型DCM以及在接收端配置TDCM（Tunable Dispersion Compensation Module，可调式色散补偿模块）的方式，从而可以实现对各波长分别进行精确的色散补偿。
由此可以看出，因为传输系统自身TDCM的存在，在OLP的实施上就不用考虑在备用线路上对各波长分别进行色散的补偿了，这大大简化了OLP部署的难度和成本。但是由于TDCM的工作是动态的，为了达到OLP的切换时间要求，必须保证切换完成后，接收端的TDCM不做动作，否则恢复时间将达到数分钟以上[4]。因此，OLP系统部署的关键就是必须对备用光纤的色散进行完美的精确补偿，使其与主用线路色散精确一致，从而达到切换后系统快速恢复并保持正常传输的目的。主要有以下三种色散补偿技术来实现：
1）大公里数光纤型DCM：补偿范围20～120km，补偿精度10km。针对G655和G652光纤，均有正色散补偿和负色散补偿两种。
2）小公里数光纤型DCM：补偿精度0.5km。针对G655和G652光纤，均有正色散补偿和负色散补偿两种。
3）MTC（多波长TDCM）：针对80×40Gbit/s系统，对每通道进行相同量的色散补偿，调节范围为-1200～1200ps/nm，调节精度为5ps/nm，可进行远程监控及调节。
（3）光功率补偿及OSNR改善
为确保OLP切换后传输系统正常工作，需要保证主备光缆引入的衰耗一致。由于主备光缆长度和类型在大多数情况下都不同，加之色散补偿模块引入的额外衰耗，导致主备光缆的整体等效衰耗通常存在差异，需要进行光功率的补偿。
对于DWDM（Dense Wave Division Multiplexing，密集波分复用）系统，常规的多波长增益平坦型EDFA就可以满足功率补偿的需求。但是由于40Gbit/s系统的OSNR容限较高，而EDFA是造成系统信噪比劣化的主要因素，因此需要根据系统当前的信噪比情况慎重考虑。
另一种方案是采用RFA（拉曼光纤放大器），因其噪声指数一般为0dB左右，故在实现功率补偿的同时不会造成系统的OSNR劣化。但是，RFA成本较高，且其维护难度较大。
因此，对于40Gbit/s系统的OLP实施应根据具体的线路情况，即主备线路光功率差异以及系统当前OSNR情况综合分析，选择EDFA或RFA进行光功率补偿，从而达到性能和成本的平衡。
（4）40Gbit/s系统OLP解决方案总结
综合以上分析，得出40Gbit/s系统OLP完整解决方案，详见表1所示。其中，DCM为光纤型色散补偿模块。
表1 40Gbit/s系统OLP完整解决方案
传输线路情况
（光缆类型） 实施方案配置
主用光缆 备用光缆 色散补偿 光功率补偿/OSNR 备注
G.652 G.652 G.652型 DCM+MTC（可选） EDFA/RFA 根据线路光功率及OSNR具体情况配置EDFA或RFA进行补偿
G.652 G.655 DCM+MTC EDFA/RFA
G.655 G.652 DCM+MTC EDFA/RFA
G.655 G.655 G.655型 DCM+MTC（可选） EDFA/RFA
以上方案经试验测试表明，光功率补偿技术可有效保证系统功率，OLP介入对于系统几乎无影响；色散补偿技术在进行调节时，由于色散斜率的存在，对系统性能的影响有差异，根据具体线路情况，通过选择最佳的补偿量，可以保证系统从主用切换至备用线路后产生的性能变化很小，不会导致误码率的明显上升，可确保系统正常工作。对系统切换时间的测试，进行了两次主备线路间的切换，结果如表2所示。
表2 系统切换时间测试结果
波长 主用到备用1/ms 备用到主用1/ms 主用到备用2/ms 备用到主用2/ms
C60 135 120.9 91.5 75.3
C41 121.5 98.6 86.6 129
C21 115 107 120 101
由此可见，系统切换时间比之前的10Gbit/s系统下50ms的切换时间有所增加，但最大不会超过140ms。
40Gbit/s系统OLP解决方案在实际应用中运行良好，通过在某运营商的系统上进行实验局开通，运行结果与理论计算基本符合。
4 100Gbit/s系统OLP面临的问题及解决
方案
通过分析传输速率从10Gbit/s到40Gbit/s的提升对OLP系统实施带来的影响可以看到，各项性能指标要求随着速率的提高而产生急剧提升，在技术层面上带来了极大的挑战。当前100Gbit/s系统的研究和推动也非常迅猛，系统全面商用也不再是遥远的事情。在100Gbit/s时代，传输线路的安全保护工作将会更加重要，OLP系统要继续发挥其作用，将会面临怎样的问题以及该如何解决，都是亟需研究和探讨的。
4.1 100Gbit/s系统OLP面临的问题
（1）100Gbit/s系统技术要点
为了弄清100Gbit/s系统中OLP可能面临的技术问题，首先需要从100Gbit/s系统的工作原理着手进行分析。
传统的光纤数字传输速率提高，即是指光纤中每秒钟传送的脉冲数增加。脉冲之间的间隔越来越小，色散等因素对于信号分辨的影响也就越来越大。如果按照这样的思路把数字速率提高到100Gbit/s的话，色散、非线性效应、OSNR等问题几乎已经不可能解决，因此需要开拓新的思路。
通过综合评估与比较，IEEE制定的标准明确了100Gbit/s系统的核心实现技术，即基于相干检测的DP-QPSK（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying，双偏振正交相移键控）调制技术。该编码技术实质是一种多进制编码技术，从光信号的相位和偏振态两个维度定义信息[5]。DP-QPSK规定了四个相位（0，π/2，π，-π/2）分别代表四组数字信息（00，01，10，11），加上两个偏振态携带不同信息，则一个光脉冲可以携带16种状态，相当于二进制编码技术下4个连续脉冲携带的信息量。而相干检测接收技术的最大优点是灵敏度非常高，这也极大地提升了100Gbit/s系统的长距离传输能力。
（2）100Gbit/s系统OLP面临的问题
OLP是工作在物理光层的保护系统，主要关注线路中光纤的三方面光学指标，即光功率、OSNR及色散。参照100Gbit/s系统的相关标准，目前主流的系统设备商提供的100Gbit/s设备相关指标如表3所示：
表3 100Gbit/s系统光学指标
指标 描述
工作波长/nm 1 530.6～1 568.6
发光功率/dBm -2
收光灵敏度/dBm -18
OSNR容限/dB 17.5
色散容限/（ps/nm） 50 000
由此可见，100Gbit/s系统并没有因为传输速率的提高而提升相关的光学指标门限；相反，由于编码及接收技术的原因，有的指标要求甚至有所降低。由于100Gbit/s系统在光纤中的脉冲传输速率与10Gbit/s系统中相差不大，加之相干检测接收技术大幅提高了系统的接收能力，尤其是系统色散容限的提高，为100Gbit/s系统的OLP实施带来了极大便利。
4.2 100Gbit/s系统OLP解决方案
OLP系统需保证光缆故障情况下的迅速切换保护以及传输系统在备用线路上正常工作。100Gbit/s系统的色散容限达50 000ps/nm，因此在OLP的实施过程中已经不用考虑线路的色散补偿。
（1）系统光功率：100Gbit/s系统接收灵敏度为-18dBm，1：1型OLP介入带来2.5dB左右的插损，而系统工作波长为C波段，现有的常规EDFA即可实现对光功率的放大。在主备光缆衰耗不一致的情况下，根据实际情况进行相应的功率调整。
（2）全面评估系统OSNR：100Gbit/s系统的OSNR门限为17.5dB，考虑OLP的介入是否对系统OSNR造成影响，需要计算备用线路接入EDFA的情况下系统OSNR值，保证其在门限之内。否则，可以采用FEC技术进一步降低系统的OSNR门限。
据悉，目前仅有武汉光迅科技公司的OLP系列产品通过了现网测试，该测试于2012年由中国移动组织进行。测试中，该公司的OLP系列产品与华为、中兴等多家厂商的100Gbit/s传输设备均实现了良好的对接。测试示意图如图1所示。
测试通过拔纤操作模拟传输线路光缆中断故障，记录OLP系统告警情况以及切换后业务恢复时间，结果见表4所示。测试条件为传输系统双向对发OTU4/STM64业务。
表4 100Gbit/s系统OLP切换后业务恢复时间测试结果
业务类型 倒换条件 倒换时间 备注
第1次/ms 第2次/ms
OTU4
（TS4，软判） 福州一厂发
断纤 53.9/78.7 40.4/86.7 备线路拔纤返回
33.0/1.0 33.3/36.5
连江收断纤 63.4/70.3 69.5/33.7 第二次自动返回
34.8/0.9 33.65/7.5
强制倒换 33.7/37.2 32.0/43.2
35.9/0.5 37.6/6.6
此次模拟断纤的倒换测试中，OLP切换后的业务恢复时间包含了人工拔纤等操作的时间，尤其是在拔纤过程中的抖动延迟等因素（经验数据表明一般为30～50ms）带来的附加时间，导致自动模式下的切换时间最高为86.7ms。在实际的工程应用中，由于实际线路故障不存在人工试验条件下的抖动因素，加之合理设置符合具体线路情况的切换阈值，即可避免这方面的影响，从而满足系统50ms的切换时间要求。
5 结束语
OLP是光纤传输线路经济有效的保护方式，在10Gbit/s及以下传输速率系统中得到了有效的应用。针对40Gbit/s系统OLP面临的问题，综合运用多种色散补偿技术及光功率补偿技术，给出了完整的解决方案；针对100Gbit/s系统的特点，设计了相应的解决方案。最后通过实验室及现场测试，验证了上述方案的可行性。
参考文献：
[1] 涂昌伟. 单模光纤色散及测试[J]. 光通信， 2004（1）： 42-45.
[2] 陈浩祺. 40G DWDM系统的关键技术[J]. 光通信技术， 2011（3）： 22-24.
[3] 赵康. 40Gbit/s传输的几种主流调制码型应用浅析[J]. 科技资讯， 2012（1）： 25.
[4] 郭鑫，李盛彤. 40Gbit/s传输系统的OLP解决方案研究[J]. 光通信研究， 2013（2）： 9-11.
[5] 王占硕，张芙蓉，张建新. 100G WDM传输系统的发展研究[J]. 现代电信科技， 2011（8）： 61-64.
作者简介
宋彦韬：工程师，硕士毕业于武汉大学，现任职于中国电信集团公司河南省电信分公司网络运行维护部，主要研究方向为光通信。
陈鸿：助理工程师，学士毕业于重庆邮电大学，现任职于武汉光迅科技股份有限公司，主要研究方向为光通信。