100G波分在城域網中的應用研究

中國移動通信集團設計院有限公司陜西分公司咨詢設計一所 張云飛

1.引言

波分傳輸技術一直沿著更高傳輸容量、更長傳輸距離和更低比特傳輸成本的方向發(fā)展，并已由傳統(tǒng)的WDM波分進一步進化為OTN波分，伴隨著移動互聯網數據業(yè)務的迅速增長和寬帶化應用的增加，前期OTN網絡在城域網骨干網絡進行了規(guī)模部署。預計2013年，隨著LTE網絡的建設，在數據流量繁忙的骨干網上，已經規(guī)模使用的10G波分傳輸系統(tǒng)將日趨呈現帶寬緊張的趨勢。此外，以太網業(yè)務的100GE或者相應的POS接口的出現，對傳輸承載網的帶寬提出了更高的要求。骨干傳輸網要求支持100G傳輸的需求越來越強。

本文以某地市熱點地區(qū)城域骨干網OTN系統(tǒng)為例，分析網絡現狀，探討后期網絡建設。

2.骨干層OTN現狀

2.1 現網網絡架構

現網所部署的OTN網絡主要作為城域傳送網的匯聚層及IP城域網的骨干網，承載PTN、OLT等上行業(yè)務及部分大顆粒專線業(yè)務，還為IP城域網各節(jié)點路由器之間提供高可靠性的傳輸鏈路，如圖2.1-1所示。

2.2 主要承載業(yè)務分析

2.2.1 業(yè)務現狀

系統(tǒng)一般配置為40波*10G，滿配容量400G，詳細如下：

專線業(yè)務主要承載核心機房之間的IP承載網/CMNet業(yè)務和鄉(xiāng)鎮(zhèn)到市的大顆粒專線業(yè)務；

PTN業(yè)務主要承載2G、3G基站業(yè)務回傳至核心機房落地和部分小顆粒專線；

OLT業(yè)務主要承載各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、各縣的OLT上行業(yè)務；

數據業(yè)務主要承載SR/BRAS縣到市的業(yè)務；

2.2.2 業(yè)務特點

本地網是地市所轄行政區(qū)域內，承擔所有城市內/縣/鄉(xiāng)業(yè)務節(jié)點到城域核心節(jié)點業(yè)務流量的承載網絡，其骨干層OTN所承載業(yè)務具有以下特點：

●現網上有大量的GE業(yè)務，來自寬帶接入和大客戶接入的GPON設備上行，接入層PTN設備的上行（2G/3G業(yè)務）。

●有一定量2.5G/10GE POS業(yè)務，來自IP城域網各節(jié)點路由器之間傳輸需求，要求OTN層面高可靠的保護，不要求匯聚。

●有少量的MSTP網絡STM-N信號，OTN替代裸光纖使用。

●各個城市內/縣/鄉(xiāng)業(yè)務節(jié)點的業(yè)務以多數以雙歸屬方式流向兩個城域核心出口。

●核心節(jié)點間存在一定量的業(yè)務，各個匯聚環(huán)/接入環(huán)之間存在少量點對點業(yè)務，有調度需求。

●3G/4G基站業(yè)務要求OTN能夠透傳1588V2時間同步信息或同步以太網。

●各業(yè)務QoS要求不同，有的業(yè)務需要高可靠性ODUk保護，有的不需要保護。

●統(tǒng)計復用業(yè)務較多，有一定的彈性承載需求。

2.3 后期發(fā)展建議

未來2G/3G業(yè)務的新增需求仍將長期存在，其承載方式也統(tǒng)一為PTN承載。結合三年滾動規(guī)劃的發(fā)展目標及前期本地區(qū)的2G/3G新增業(yè)務占比，現有OTN系統(tǒng)完全可以滿足截止2013年底的2G/3G新增基站業(yè)務量。表2.3-1為某地市三年滾動規(guī)劃中的波道利用預測：

雖然現網O T N 系統(tǒng)整體利用率僅為46%，但考慮到未來LTE網絡建設帶來的帶寬激增及其他城域數據業(yè)務帶寬需求的沖擊，2014底年波道利用率將達到81.5%，超過80%的網絡擴容升級臨界值，并且現網存在個別環(huán)網節(jié)點過多的安全隱患。為避免未來兩個波分系統(tǒng)間業(yè)務的大量割接，并且在10G波分系統(tǒng)預留一定量波道為有雙平面承載要求的業(yè)務提供高可靠保護，本文建議在進行大規(guī)模LTE建設前率先引入更大容量的40*100G OTN系統(tǒng)，可結合與LTE配套PTN的擴容工程同步建設，未來兩個OTN系統(tǒng)可形成雙平面，對于重要的大顆粒業(yè)務可實現雙平面保護和負荷分擔。

3.N*10G、N*40G、N*100G技術比較

第一代OTN 10G設備支持ODU0/1/2交叉顆粒，交叉容量小于1T，雖在現網大規(guī)模部署，但不足以應對未來業(yè)務流量的增長需求。城域網需要新建更高速率更大容量的OTN網絡。

第二代OTN 40G設備支持ODU0/1/2/2e/3交叉顆粒，交叉容量達到1T以上，但其自身的技術缺陷限制了其發(fā)展：

●對系統(tǒng)OSNR、色散、非線性要求苛刻，傳輸能力差

●對線路偏振模色散PMD要求較高，對光纖線路有限制

●存在多種調制方式，系統(tǒng)設計復雜

●對系統(tǒng)OSNR等參數的監(jiān)測能力不及10G系統(tǒng)

●復用段層保護不能達到電信級要求，保護能力不如10G、100G系統(tǒng)

另外40G系統(tǒng)開通后光纖參數會隨著環(huán)境發(fā)生變化，影響系統(tǒng)性能，后期維護工作量大。新建40G系統(tǒng)，其系統(tǒng)維護的復雜度和網絡維護成本都將比10G系統(tǒng)要高。

第三代OTN 100G設備的引入不僅大幅提高帶寬速率，在城域網骨干層應用并部署支路線路分離的OTN系統(tǒng)，為GE/10GE等各種顆粒業(yè)務提供匯聚、交叉，可以滿足現網各種類型業(yè)務的承載，實現100G的高速帶寬復用。100G系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

●采用統(tǒng)一解決方案：偏振復用-正交相移鍵控(PM-QPSK)+相干光接收

●調制解調標準單一，有利于光電器件的開發(fā)供貨和快速市場部署

●相干接收可使100G超過1000km無電中繼傳輸不需要色散補償和PMD補償，大大方便了工程部署和網絡運維

●100G具有與現存的10G系統(tǒng)相當的傳輸性能，并兼容10G波分系統(tǒng)（工程設計規(guī)則、光放大器、保護方式等）

●可以消除100G路由器部署的障礙，加速100G路由器的規(guī)模部署

●系統(tǒng)色度色散容限更好：＞800ps/nm

●系統(tǒng)偏振模色散PMD容限更好：＞10ps DGD

●采用PM-QPSK調制技術和相干接收，并結合高編碼增益的前向糾錯(FEC)技術，電域信號處理替代原有色散補償，建設與運維更加便捷。如圖3-2所示。

綜合上述內容，100G波分與現網10G波分相比具有更好的色散容限，實驗室測試在2000公里內可不進行色散補償，因此在城域范圍內組網時可不考慮進行色度色散和偏振模色散的補償，大大降低組網難度，加快網絡部署進度。

但由于采用新的數字信號調制技術，系統(tǒng)帶來的非線性效影響相較10G系統(tǒng)要多，為避免更嚴重的非線性效應影響，100G系統(tǒng)發(fā)送端輸出光功率最高限制在1dBm，而原有10G系統(tǒng)的輸出光功率可達8dBm，兩者相差7dB。根據原有10G系統(tǒng)的建網經驗，現有G.652光纖衰耗系數在0.3dB每公里左右，因此相同系統(tǒng)條件下，100G系統(tǒng)的光中繼段距離理論上比10G系統(tǒng)少23.3公里左右。

圖2.1-1 OTN網絡在現網應用示意圖

圖3-1 100G相干調制與FEC示意圖

4.N*100G在現網應用的條件

目前已有多家設備商包括華為、中興、阿朗、諾西等推出N*100G的OTN產品，也有其他運營商在國內完成100G波分設備的入網商用。

隨著100G的基本成熟和商用，運營商也希望加快推進100G應用部署的步伐。根據某運營商發(fā)布的建設指導意見，也明確目前限制40G波分的應用，100G測試及試點的完成會加速100G的商用部署，并將導致100G迅速替代40G應用需求，完成從10G到100G的直接跨越。

5.規(guī)劃和建設中需重點關注的問題

5.1 網絡拓撲及網元類型

環(huán)網主要包含OTM站點、OLA站點等，為方便光層業(yè)務調度，可將部分站點配置為ROADM類型。

5.2 網絡保護策略

為保證OTN網絡的安全可靠，可采用多種保護方式，主要如表5.2-1。

建議根據光纜建設情況考慮進行OLP光線路保護部署，要求具備備用光纜路由而且主備通道差異門限應小于5dB；對現網PTN/OLT上行、IP城域網等重要業(yè)務進行ODUk SNCP保護；對于重要專線業(yè)務可考慮進行客戶側1+1保護；少量的STM-N信號可不進行保護。

表2.3-1 某地市未來兩年業(yè)務預測表

表5.2-1 OTN網絡保護方式

5.3 光功率

100G波分系統(tǒng)具有與10G系統(tǒng)相似的光功率要求。由于目前已知的有光纖距離和光纖類型，因此可做如下估算：

線路衰耗=光纖長度×0.3dB/km(G.652光纖衰耗系數)+3dB(光纖老化余量)+光纖跳轉站點的衰耗(按0.5dB/站考慮)

以神木—石拉溝段為例，線路衰耗=60km×0.3dB/km+3dB+0.5dB*2=22dB。

根據所配置設備的發(fā)送和接受光功率指標，再考慮如何配置光放大設備。

5.4 色散

傳統(tǒng)10G波分中色散因素主要考慮色度色散和偏振模色散參數，在實際工程中主要考慮色度色散，在長距離傳輸的情況下，需根據色散估算值采用色散補償模塊（DCM）進行補償。

色散受限距離(km)=色散容限(ps/nm)/色散系數(ps/nm.km)

對于10Gb/s系統(tǒng)，當光復用段距離大于40km(G.652光纖)或133km(G.655光纖)時，就需要配置DCM。

100G系統(tǒng)采用正交相移鍵控QPSK調制技術后所產生的信號與10G系統(tǒng)調制數字信號不同，原有10G系統(tǒng)信號通過高低電平來判決0和1，而100G系統(tǒng)信號在接收端通過相位來區(qū)分0和1。由于色散能夠影響數字信號的脈沖展寬或者收窄，從而造成接收端判決抽樣時出錯；而采用相位信息來傳遞0/1信息的信號基本不受其影響，因為信號傳遞的只是相位信息，不存在脈沖寬度的概念，只要相位判決正確，接收機就能準確恢復出正確的0/1序列。因此采用QPSK調制技術的100G信號對光纖帶色散要求比10G波分系統(tǒng)要低很多。在城域范圍組網時光中繼段不必進行類似10G系統(tǒng)的色散補償。

5.5 光信噪比

OSNR（光信噪比Optical Signal to Noise Ratio）與光功率預算和配置的光放大器有關；可使用相關計算工具算出OSNR值；不同OTU的OSNR容限不同；當計算出來的OSNR值不滿足OTU的OSNR要求時，可以考慮使用拉曼放大器、更高輸出光功率的放大器或增加中繼站等。

OSNR(dB)

=P信號(dBm) -P噪聲(dBm)

5.6 非線性效應

非線性效應的影響通常作為附加的OSNR代價，10G規(guī)劃時，一般考慮2dB的OSNR冗余作為非線性效應的影響；而且系統(tǒng)初始提供OSNR容限時，已經加入了2dB的非線性代價?？紤]到100G系統(tǒng)非線性效應的影響相較10G系統(tǒng)要高，建議按3dB冗余代價來考慮。

6.結論

綜合上述內容，城域光纜網基礎資源建設的日趨完善和100G波分系統(tǒng)的成熟商用，為即將開始的LTE承載網大規(guī)模建設和其他寬帶化業(yè)務的承載提供了可行性很高的建設方案，100G波分系統(tǒng)在地市城域網骨干層的布局難度要小于40G波分系統(tǒng)，且能帶來更高效率和大容量的傳輸能力，為今后網絡發(fā)展和全業(yè)務競爭提供有力保障。