《電子技術(shù)應(yīng)用》
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OPM在40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
陳妍,何俊
來源:C114中國(guó)通信網(wǎng)
摘要: 不斷發(fā)展的光智能傳送網(wǎng)給各種傳統(tǒng)光器件及模塊帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,對(duì)于40Gbps傳輸網(wǎng)絡(luò),大多數(shù)常規(guī)光器件及模塊面臨著新的課題。光性能檢測(cè)模塊(OPM)作為一個(gè)在線監(jiān)測(cè)通道光功率、中心波長(zhǎng)及光信噪比(OSNR)等指標(biāo)的功能模塊,在40Gbps的傳輸網(wǎng)絡(luò)中如何適應(yīng)新的需求,創(chuàng)造新的價(jià)值,引入新的技術(shù),正是本文要闡述的主要內(nèi)容。
Abstract:
Key words :

1 OPM簡(jiǎn)介
早在2000年,隨著光通信行業(yè)的興起,OPM作為一個(gè)在線監(jiān)測(cè)通道光功率、中心波長(zhǎng)及光信噪比(OSNR)等指標(biāo)的功能模塊已經(jīng)引起人們的關(guān)注,也有相應(yīng)的產(chǎn)品面世,但一直未能在實(shí)際系統(tǒng)中大規(guī)模的使用。直到2008年,隨著ROADM的技術(shù)成熟,智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和3G網(wǎng)絡(luò)的推廣,OPM才逐漸由一個(gè)可選配件成為光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中不可或缺的一部分,在實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中大量使用。

             圖1 OPM的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)示意圖
    作為一個(gè)類似光譜儀的小型光譜監(jiān)測(cè)模塊,實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段種類繁多,但能夠在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用的主要有兩種:一種是基于衍射型的結(jié)構(gòu),主要由體光柵和陣列探測(cè)器組成,其生產(chǎn)廠商有Accelink(武漢光迅科技股份有限公司)、Bayspec等;另一種是干涉型的結(jié)構(gòu),主要基于TOF(Tunable optical filter)技術(shù),其生產(chǎn)廠商有Axsun、Optoplex等。兩種設(shè)計(jì)方案在滿足基本的光學(xué)指標(biāo)要求時(shí),各有各的優(yōu)點(diǎn):基于衍射型的OPM沒有活動(dòng)部件,能夠?qū)υO(shè)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣,其突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、能夠快速測(cè)量;而基于TOF技術(shù)的OPM則能在體積和成本上占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。
    表1是OPM的光學(xué)性能指標(biāo)(以Accelink的產(chǎn)品為例)。
表1 OPM的主要性能參數(shù)

2 40G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
    光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展基于傳輸容量需求不斷增長(zhǎng),在傳統(tǒng)的光纖線路上來解決這個(gè)矛盾的主要手段有兩種:1、提高傳輸速率;2、增加傳輸?shù)臄?shù)量。40Gbps的傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛的應(yīng)用,40Gbps的光網(wǎng)絡(luò)對(duì)很多傳統(tǒng)的光無源器件提出了較高的色散(CD)和偏振模相關(guān)度(PMD)的要求,而對(duì)OPM而言,其主要的改變?cè)谟趦牲c(diǎn):1、不同種類的碼型帶來信號(hào)識(shí)別的困難;2、高速率下各種碼型的展寬帶來的信號(hào)計(jì)算方法的改變。
    在10Gbps網(wǎng)絡(luò)中,主要的調(diào)整手段為幅度調(diào)制,主要的傳輸碼型為NRZ(非歸零碼),RZ(歸零碼);而在40Gbps網(wǎng)絡(luò)中,由于傳輸速率的提高,相位調(diào)制成為了主要的手段。下表列舉了部分傳輸碼型的調(diào)制方式及光譜特征,其中包含:NRZ(非歸零碼),RZ-50%(占空比50%的歸零碼),PSBT(相位整形二進(jìn)制傳輸),NRZ-DPSK(非歸零-差分相移鍵控),RZ-50% DPSK(占空比50%的歸零碼-差分正交相移鍵控),NRZ-DQPSK(非歸零-差分正交相移鍵控),RZ-50% DQPSK(占空比 50% 歸零碼-差分正交相移鍵控),DP-DQPSK(雙偏振差分正交相移鍵控)。
表2 各種編碼的幅度、相位和光譜

    目前實(shí)際40G系統(tǒng)使用較多的編碼為NRZ-DPSK和NRZ-DQPSK,而隨著光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,傳輸速率會(huì)進(jìn)一步提高,調(diào)制解調(diào)的方式也會(huì)不斷更新。100G將是未來傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。
3 OPM在40G中的應(yīng)用特點(diǎn)
    光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展除了速率不斷提升之外,其智能化程度也在不斷提升。而智能化的管理就需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè),從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制。對(duì)OPM而言,為光網(wǎng)絡(luò)提供可靠、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的信息,成為光網(wǎng)絡(luò)管理的重要環(huán)節(jié),其作用不可小視。在40G的光傳輸網(wǎng)絡(luò)中,我們首先對(duì)幾種儀表及不同傳輸碼型及速率下的測(cè)試能力進(jìn)行對(duì)比,說明OPM在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的特點(diǎn)。
                                              圖2 測(cè)試框圖
    表3說明OPM的測(cè)試能力和光譜儀一致,而光功率計(jì)則只能測(cè)試光功率一項(xiàng)。值得一提的是,對(duì)OSNR的測(cè)試,目前OPM和OSA都是基于外插法進(jìn)行測(cè)試,而對(duì)于40G傳輸下的光信號(hào),由于光譜的展寬往往超出了DWDM的噪聲測(cè)試點(diǎn),所以無法得到準(zhǔn)確的OSNR值,其結(jié)果僅能作為參考。
表3 OPM、光譜儀和光功率計(jì)的對(duì)比結(jié)果

    OPM作為一個(gè)在線模塊,相對(duì)于光譜儀和光功率計(jì)而言其最大的優(yōu)勢(shì)還是體現(xiàn)在其低廉的價(jià)格和高度的集成性。越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和越來越快的傳輸速度,使得OPM承擔(dān)的作用和重要性也越來越大。針對(duì)40Gbps信號(hào)的特點(diǎn),OPM主要面臨以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方:
3.1 尋峰
    無論在任何系統(tǒng)中,首先關(guān)注的問題是OPM能否正確監(jiān)測(cè)出信號(hào)光。實(shí)際使用環(huán)境中,往往是10G信號(hào)與40G信號(hào)混傳的方式,不同的信號(hào)光在經(jīng)過摻鉺光纖放大器(EDFA)、光上下話路(OAMD)等等器件之后,整個(gè)光譜以及信號(hào)光的譜型將發(fā)生很大變化,特別是40G信號(hào)自身的展寬影響,這些都要求尋峰算法提出新的要求。尋峰錯(cuò)誤主要體現(xiàn)為兩種:
1、誤檢
    誤檢,即將實(shí)際不存在的光信號(hào)上報(bào)。在實(shí)際測(cè)試中,產(chǎn)生誤檢的原因主要有:1)噪聲過大,被誤判為信號(hào);2)信號(hào)光的邊模等現(xiàn)象被誤判為信號(hào)。對(duì)于10G系統(tǒng)由于10G信號(hào)本身光譜特性與噪聲背景及毛刺有很大差異,比較容易區(qū)分,而對(duì)于40G系統(tǒng),由于光譜展寬,使得光信號(hào)與噪聲在各種器件后產(chǎn)生的譜形相當(dāng)接近,因而容易產(chǎn)生誤檢。
2、漏波
    所謂漏檢,即沒有上報(bào)出實(shí)際存在的光信號(hào)。在實(shí)際測(cè)試中,產(chǎn)生漏檢的原因主要有:1)信號(hào)過低,低于OPM所設(shè)置的光功率閾值;2)信號(hào)間隔過窄,超出了OPM所設(shè)置的信道間隔閾值。對(duì)于40G信號(hào),由于信號(hào)光譜展寬,其信號(hào)峰值與信號(hào)功率有很大差異,使得基于峰值光功率的判決方式往往導(dǎo)致漏檢。同時(shí),由于光譜展寬,使得信號(hào)峰值位置定位出現(xiàn)偏差,信道間隔計(jì)算誤差較大,一旦計(jì)算結(jié)果偏小也可能導(dǎo)致漏檢。
    由此可以看出,對(duì)40G信號(hào),信號(hào)的自身展寬及信號(hào)對(duì)其他通道的串?dāng)_加劇是導(dǎo)致尋峰判決更加困難。通過對(duì)各種40G信號(hào)的光譜特征及40G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn),建立完善和準(zhǔn)確的判決條件是保障OPM正確尋峰的基本條件。
3.2不同碼型及速率的識(shí)別
    全光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架和智能網(wǎng)絡(luò)的概念普及,最終需要實(shí)現(xiàn)的是不同廠家、不同規(guī)格的光網(wǎng)絡(luò)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的透明傳輸。這就為OPM提出了一個(gè)新的課題:識(shí)別不同碼型及速率。
由表2可以看到,不同的碼型和速率組合得到的光譜形狀不同,這就為OPM提供了識(shí)別不同速率和碼型的理論依據(jù)。
圖3為Accelink的OPM產(chǎn)品的測(cè)試光譜,其中比較了OSA和OPM實(shí)測(cè)40G NRZ和40G NRZ-DPSK的光譜對(duì)比。從圖中可以看出,除了動(dòng)態(tài)范圍的差異,OSA和OPM都能很好的反應(yīng)出40G信號(hào)下兩種碼型的譜寬,從而說明通過對(duì)各種碼型的光譜特征的細(xì)致研究,OPM識(shí)別碼型的功能是可以實(shí)現(xiàn)的。
                             圖3 OSA和OPM測(cè)試的40G NRZ和NRZ-DPSK的光譜對(duì)比
3.3中心波長(zhǎng)的計(jì)算
    對(duì)40G信號(hào)的中心波長(zhǎng)計(jì)算,如果采用原有針對(duì)10G信號(hào)的中心波長(zhǎng)算法,則可能導(dǎo)致波長(zhǎng)探測(cè)精度超標(biāo),這主要是40G傳輸速率下,信號(hào)光譜展寬造成的。OPM自身帶寬及采集點(diǎn)數(shù)量的限制,導(dǎo)致在光譜展寬的情況下,峰值附近的采樣點(diǎn)的大小差異進(jìn)一步減小,計(jì)算中心波長(zhǎng)的條件減弱,從而最終影響其中心波長(zhǎng)的精度。
    針對(duì)各種不同編碼的40G信號(hào)的差異,研究不同的中心波長(zhǎng)計(jì)算方法,是提高40G系統(tǒng)下中心波長(zhǎng)計(jì)算準(zhǔn)確的必要手段。
3.4光功率的計(jì)算
    信號(hào)光功率的計(jì)算是40G系統(tǒng)對(duì)OPM要求最為嚴(yán)格的指標(biāo)之一,也是實(shí)現(xiàn)智能管理的關(guān)鍵指標(biāo)之一。OPM的信號(hào)光功率的計(jì)算準(zhǔn)確度主要取決于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及功率積分帶寬的選擇。相對(duì)于10G信號(hào)的光功率計(jì)算的方法,OPM在計(jì)算40G信號(hào)光功率時(shí),其主要的差別在于參數(shù)的配置及功率校準(zhǔn)的方式。
另一方面,40G信號(hào)間的串?dāng)_問題也是影響計(jì)算功率準(zhǔn)確度的重要因素。在很多實(shí)際的50GHz通道間隔系統(tǒng)中,相鄰信道40G信號(hào)間的串?dāng)_是非常嚴(yán)重的。對(duì)于10G和40G混傳的系統(tǒng),40G信號(hào)對(duì)10G的影響也是較明顯。因此,對(duì)于40G信號(hào)的光功率計(jì)算,需要重點(diǎn)解決的一個(gè)問題就是碼型的識(shí)別,從而進(jìn)行差異化的參數(shù)配置和處理方式。
3.5OSNR的計(jì)算
    對(duì)于OSNR的計(jì)算,傳統(tǒng)的方法是外插法,即在信號(hào)光帶寬以外尋找噪聲點(diǎn),從而估算信號(hào)的噪聲水平。對(duì)于OPM而言,信號(hào)經(jīng)過分光系統(tǒng)后會(huì)發(fā)生展寬,在采用外插法之前,需經(jīng)過去卷積的運(yùn)算,來對(duì)信號(hào)進(jìn)行還原。這種計(jì)算方法基本能夠滿足目前實(shí)際10G傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用方式,可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出信號(hào)的OSNR。
    對(duì)于40G信號(hào)而言,由于光譜展寬往往超過了DWDM的噪聲測(cè)試點(diǎn),原有的噪聲測(cè)試點(diǎn)上同時(shí)有信號(hào)的存在,外插法已不再適用,在這種情況下可采用帶內(nèi)測(cè)試的方案。帶內(nèi)法即噪聲點(diǎn)的選取在信號(hào)帶寬范圍之內(nèi),一般采用信號(hào)光和噪聲光不同的偏振特性來進(jìn)行信號(hào)光與噪聲光的分離,從而準(zhǔn)確的得出OSNR,這將是OPM發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)方向。
    實(shí)際40G傳輸系統(tǒng),由于多采用相位調(diào)制的碼型,而這種碼型在接受端對(duì)信號(hào)OSNR要求遠(yuǎn)低于10G調(diào)幅的解調(diào)方式,所以O(shè)SNR在40G光網(wǎng)絡(luò)中往往作為一個(gè)參考的指標(biāo)出現(xiàn),不再成為評(píng)估系統(tǒng)性能最重要的參數(shù)之一,對(duì)OPM測(cè)試OSNR的范圍和精度也有適度的放松。
4 OPM在40G中的應(yīng)用現(xiàn)狀
    目前,光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠家明確提出了40G OPM的規(guī)格需求,OPM供應(yīng)廠家也能夠在一些常用的碼型下滿足客戶的需求。以Accelink的OPM產(chǎn)品為例,該產(chǎn)品在滿足40G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),兼容10G信號(hào)的識(shí)別,支持多種碼型混傳的識(shí)別、計(jì)算功能,其中包含DPSK,DQPSK等。特別值得一提的是,OPM支持50GHz間隔下40Gbps信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別功能,最大可同時(shí)識(shí)別96個(gè)信道,掃描速度小于200ms。
    雖然OPM在40G光網(wǎng)絡(luò)中有所突破,但全面智能的實(shí)現(xiàn)40G環(huán)境應(yīng)用,還需要進(jìn)一步提升OPM自身的性能指標(biāo),并加強(qiáng)應(yīng)用環(huán)境的研究,才能最終滿足系統(tǒng)的需求。
    OPM需求重點(diǎn)研究的問題如下:
1、40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的各種碼型特征;
2、40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),特別是各種信號(hào)混傳下的光譜特性分析;
3、40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)下對(duì)50GHz間隔的信號(hào)處理方式;
4、帶內(nèi)法測(cè)試OSNR的技術(shù);
5、低成本的解決方案。
    總的來說,無論從技術(shù)手段還是應(yīng)用需求,OPM能夠適應(yīng)40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也必須滿足40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求。目前的OPM在40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用才剛剛起步,需要研究和改進(jìn)的地方還很多。
5 結(jié)束語
    隨著40G光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,OPM面臨了諸多新的問題,如帶內(nèi)OSNR測(cè)試方法、復(fù)雜構(gòu)建下信號(hào)的識(shí)別、越來越小的通道間隔、多碼型的識(shí)別等等,但最大的問題還是OPM的成本問題。隨著光網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)速率的提高及智能化的程度不斷提升,系統(tǒng)對(duì)OPM模塊的需求越來越大,提出的要求也越來越高,OPM模塊只有不斷改進(jìn)和完善,適應(yīng)新的需求,才能進(jìn)一步為光網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定提供保證。
參考文獻(xiàn):
[1] 何俊,楊明,劉明睿,胡強(qiáng)高. “DWDM系統(tǒng)光通道性能在線監(jiān)控模塊”.《光通信研究》. vol.133, p: 48-49, 2006
[2] N.Hanik, A.Gladisch, C.Caspar, and B.Strebel. Application of amplitude histograms to monitor performance of optical channels. Electron. Letts. Vol 35,
403-404, 1999
[3] K.Mueller, N.Hanik, A.Gladisch, H.M.Foisel, C.Caaspar. Application of Amplitude Histograms for Quality of Service Measurements of Optical Channels and Fault Identification. ECOC 98,707-708,1998, Madrid.
[4] R.Habel, K.Roberts, A.Solheim, J.Harley. Optical Domain Performance Monitoring, OFC 2000, 171-173, 2000, Baltimore.
 
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