高速相干光傳輸系統(tǒng)鏈路優(yōu)化方案

李 雄，劉 博，黎 偲，胡 榮

（1.國(guó)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）

高速相干光傳輸系統(tǒng)鏈路優(yōu)化方案

李 雄1，劉 博1，黎 偲2，胡 榮2

（1.國(guó)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）

針對(duì)高速相干光傳輸系統(tǒng)的鏈路優(yōu)化配置問(wèn)題，提出了基于逐次優(yōu)化思想的鏈路EDFA（摻鉺光纖放大器）增益配置方案，以優(yōu)化不規(guī)則鏈路配置條件下的系統(tǒng)性能和調(diào)節(jié)代價(jià)。優(yōu)化目標(biāo)是在系統(tǒng)性能達(dá)到要求或接近最優(yōu)的同時(shí)，盡量降低鏈路中所需調(diào)節(jié)的EDFA個(gè)數(shù)，以盡可能減少或避免由于鏈路功率調(diào)節(jié)所引入的調(diào)節(jié)時(shí)延、瞬態(tài)效應(yīng)及代價(jià)。仿真結(jié)果表明，采用該方案可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)性能接近最優(yōu)的同時(shí)，將鏈路所需調(diào)節(jié)的EDFA個(gè)數(shù)從8個(gè)減少到4個(gè)，從而有效降低了最優(yōu)化方案中由于過(guò)多的EDFA調(diào)節(jié)所引入的調(diào)節(jié)代價(jià)。

相干光傳輸；傳輸性能優(yōu)化；鏈路調(diào)節(jié)

0 引 言

目前，基于相干光接收及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)補(bǔ)償色散和偏振模色散已成為長(zhǎng)距離、骨干和大容量光纖傳輸系統(tǒng)的主流選擇［1-2］。對(duì)高速相干光通信系統(tǒng)的非線性傳輸性能管理和優(yōu)化大多基于規(guī)則跨段配置場(chǎng)景，即系統(tǒng)中每個(gè)光纖跨段的光纖類(lèi)型、長(zhǎng)度和放大器增益配置完全相同。此時(shí)每個(gè)跨段非線性作用互不相關(guān)，各跨段采用相同的最優(yōu)入纖功率即可取得最優(yōu)系統(tǒng)性能。但是，在實(shí)際部署過(guò)程中，常常出現(xiàn)各跨段光纖長(zhǎng)度并不相同甚至有較大差別的情況。針對(duì)非規(guī)則鏈路，在每個(gè)光纖跨段完全補(bǔ)償該段鏈路衰減的傳統(tǒng)功率控制方案無(wú)法取得最優(yōu)性能，而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的傳輸性能則往往需要較多的跨段功率和光放大器增益調(diào)節(jié)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)中存在較大的調(diào)節(jié)時(shí)延、瞬態(tài)效應(yīng)和代價(jià)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種不規(guī)則跨段下的跨段功率及光放大器增益配置方案，在保證系統(tǒng)傳輸性能達(dá)到預(yù)定要求的同時(shí)，盡量減少鏈路中所需調(diào)節(jié)的光放大器個(gè)數(shù)，以減輕或避免由于過(guò)多的鏈路調(diào)節(jié)而導(dǎo)致的代價(jià)。仿真表明，對(duì)于10跨段系統(tǒng)，相對(duì)于性能最優(yōu)配置方案，該優(yōu)化方法可將鏈路中所需調(diào)節(jié)的EDFA（摻鉺光纖放大器）個(gè)數(shù)從8個(gè)降低到4個(gè)，而傳輸性能僅下降0.2 d B。該方案對(duì)實(shí)現(xiàn)快速的高速相干光系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部署和性能在線優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 高速相干光傳輸逐次優(yōu)化配置算法

對(duì)于鏈路不規(guī)則、無(wú)色散補(bǔ)償?shù)母咚傧喔晒鈧鬏斚到y(tǒng)，如圖1所示，由于鏈路中的色散、偏振模色散均通過(guò)接收端數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)完全補(bǔ)償，因此系統(tǒng)性能主要受限于鏈路EDFA引入的ASE（放大自發(fā)輻射）噪聲和光纖非線性效應(yīng)。

圖1 鏈路跨段不規(guī)則系統(tǒng)示意圖

針對(duì)圖1所示的不規(guī)則鏈路傳輸系統(tǒng)，每個(gè)光纖跨段均存在最優(yōu)入射功率及最優(yōu)的放大器增益，其中各跨段放大器的最優(yōu)增益可以表示如下：

式中，αn、Lspan，n分別為第n個(gè)光纖跨段的光纖衰減系數(shù)和光纖長(zhǎng)度。接收端系統(tǒng)相應(yīng)的Q因子可以參考非規(guī)則跨段條件下接收端SNR（信噪比）的級(jí)聯(lián)規(guī)則計(jì)算得到［3-4］：

式中，snr（n）為每一段的SNR，其計(jì)算與該段光纖的相關(guān)參數(shù)、入纖功率和放大器的配置相關(guān)［4］。

對(duì)于不同的調(diào)制格式，如BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）、QPSK（正交相移鍵控）和16 QAM（16階正交幅度調(diào)制）等，SNR、Q因子和BER（誤碼率）的關(guān)系由下式給出［5］：

式中，V表示調(diào)制階數(shù)，erfc和erfc-1分別為誤差和互補(bǔ)誤差函數(shù)。

對(duì)于一個(gè)給定增益配置（通常為鏈路衰減完全補(bǔ)償）的傳輸鏈路，通過(guò)公式（1）給出的最優(yōu)化光纖配置可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。但是，在最優(yōu)化配置過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生鏈路EDFA調(diào)節(jié)過(guò)多導(dǎo)致較大的調(diào)節(jié)時(shí)延和瞬態(tài)效應(yīng)等問(wèn)題。因此，在保證系統(tǒng)性能達(dá)到要求或接近最優(yōu)的同時(shí)，盡量減少系統(tǒng)中需要調(diào)節(jié)的EDFA個(gè)數(shù)成為高速相干光傳輸系統(tǒng)鏈路優(yōu)化的主要目標(biāo)。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出根據(jù)鏈路順序從前向后逐次優(yōu)化的策略，主要思路為首先計(jì)算出最優(yōu)增益配置，然后按照從前向后的跨段順序逐次計(jì)算將放大器的初始增益調(diào)整到對(duì)應(yīng)的最優(yōu)增益值時(shí)的傳輸性能，直到傳輸性能達(dá)到給定參考閾值完成優(yōu)化計(jì)算。在優(yōu)化過(guò)程中，為保證系統(tǒng)性能達(dá)到要求，設(shè)置Q≥Qref，其中Qref為保證光路可靠性傳輸所要求達(dá)到的指標(biāo)。

假設(shè)光傳輸系統(tǒng)鏈路存在NS個(gè)跨段，在系統(tǒng)接收端，信號(hào)的質(zhì)量參數(shù)Q受發(fā)射端入纖光功率Pin，1、各放大器的增益Gn（n=1，…，NS）、各跨段的長(zhǎng)度Ln（n=1，…，NS）以及各放大器的噪聲特性的影響。對(duì)于給定的鏈路，其中可調(diào)節(jié)的參量包括第一段光纖的入射功率Pin，1及每一跨段對(duì)應(yīng)的放大器增益Gn。在系統(tǒng)優(yōu)化前，存在入纖功率初始值Porig和各放大器增益初始值Gorig，n（n=1，…，NS）。在各跨段的衰減、各放大器噪聲特性均確定的條件下，Q值最優(yōu)（Qopt）時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)為最優(yōu)入纖功率Popt、最優(yōu)增益配置Gopt，n（n=1，…，NS）。逐次優(yōu)化配置算法的流程圖如圖2所示。

圖2 逐次優(yōu)化配置算法流程圖

步驟1：通過(guò)管理或控制平面數(shù)據(jù)庫(kù)獲取光纖的鏈路配置，包括光路各傳輸跨段的傳輸光纖色散、衰減和非線性系數(shù)等參數(shù)，以及光纖第一跨段入射功率Pin，1、各可調(diào)放大器增益或衰減器的衰減、調(diào)節(jié)范圍等信息。采用公式（3）計(jì)算出當(dāng)前配置下的Q因子（Qorig），并根據(jù)Qorig設(shè)置Qref。

步驟2：在實(shí)際器件允許范圍內(nèi)，根據(jù)公式（1）計(jì)算出不規(guī)則鏈路的最優(yōu)增益配置Gopt，n（n=1，…，NS）及相應(yīng)的最優(yōu)入射功率Popt，并根據(jù)最優(yōu)化算法計(jì)算出接收端的最優(yōu)傳輸性能Qopt。

步驟3：按鏈路順序優(yōu)先的方式，先將源節(jié)點(diǎn)入纖功率Pin，1選取為Popt，將G1設(shè)置為Gopt，1，采用公式（3）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Q1，比較Q1與Qref，若Q1＞Qref，取Q1對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)量，優(yōu)化結(jié)束，轉(zhuǎn)至步驟6；否則，繼續(xù)步驟4，取k=1。

步驟4：令k=k+1，將Gk設(shè)置為Gopt，k，采用公式（3）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Qk。

步驟5：比較Qk與Qref，若Qk＞Qref，優(yōu)化結(jié)束，轉(zhuǎn)至步驟6；否則，比較k與n，若k＜n，繼續(xù)步驟4，否則，取Qk對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)量，優(yōu)化結(jié)束，轉(zhuǎn)至步驟6。

步驟6：將采用該優(yōu)化方法得到的調(diào)節(jié)量通過(guò)網(wǎng)管或控制平面發(fā)送到各功率可調(diào)單元（如EDFA或可調(diào)光衰減器），進(jìn)行發(fā)射機(jī)功率或相關(guān)光放大器增益的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并將最新的配置參數(shù)保存在網(wǎng)管或控制平面的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

優(yōu)化配置計(jì)算過(guò)程中，首先根據(jù)鏈路初始增益配置傳輸性能，設(shè)置參考閾值，然后計(jì)算傳輸鏈路的最優(yōu)傳輸性能及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)入纖功率和最優(yōu)增益配置，最后通過(guò)逐次優(yōu)化策略調(diào)節(jié)鏈路中的增益配置，直到傳輸性能達(dá)到參考閾值。

2 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)上述方法，對(duì)鏈路跨段不規(guī)則的100 Gbit/s PDM-QPSK（偏分復(fù)用-QPSK）系統(tǒng)進(jìn)行仿真。鏈路由10個(gè)光纖長(zhǎng)度不同、EDFA增益不同的跨段組成。各EDFA的噪聲指數(shù)均為6 dB，各跨段均由G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖構(gòu)成，其衰減、色散和非線性系數(shù)分別為0.2 dB/km、17 ps/（nm·km）及1.36 W/km，各跨段光纖長(zhǎng)度如表1所示。根據(jù)非規(guī)則鏈路的傳統(tǒng)增益配置方法，將各跨段EDFA的初始增益值配置為完全補(bǔ)償該跨段光纖衰減所對(duì)應(yīng)的增益。在理論計(jì)算中假設(shè)信道個(gè)數(shù)為80個(gè)，在仿真中將信道個(gè)數(shù)設(shè)置為17個(gè)。

表1 跨段參數(shù)配置及優(yōu)化結(jié)果

采用初始增益配置、最優(yōu)增益配置和逐次優(yōu)化增益配置3種方法，得到的最優(yōu)系統(tǒng)性能及EDFA增益調(diào)節(jié)分布如圖3所示。

圖3 Q隨調(diào)節(jié)次數(shù)變化圖

在逐次優(yōu)化策略中將Qref設(shè)置為20 dB，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于鏈路衰減完全補(bǔ)償?shù)某跏荚鲆媾渲梅桨?，逐次?yōu)化方案和各跨段EDFA都調(diào)節(jié)的最佳配置方案，其Q因子提升了1.2 d B。但是，對(duì)于最優(yōu)配置方案而言，為實(shí)現(xiàn)1.2 dB的性能提升，幾乎所有的EDFA都進(jìn)行了增益調(diào)節(jié)。而過(guò)多地調(diào)節(jié)站點(diǎn)個(gè)數(shù)造成了較大的調(diào)節(jié)時(shí)延和調(diào)節(jié)代價(jià)，在線增益調(diào)節(jié)過(guò)程中還會(huì)造成瞬態(tài)效應(yīng)等性能損傷。本文所設(shè)計(jì)的逐次優(yōu)化配置算法在盡可能提高并保證接收端性能要求的同時(shí)，按照從前向后的調(diào)節(jié)次序盡可能減少需要調(diào)節(jié)的EDFA個(gè)數(shù)。由圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)，僅對(duì)前4個(gè)EDFA進(jìn)行增益優(yōu)化配置后，系統(tǒng)Q因子就提升了1.1 d B，接近最優(yōu)增益配置方案。圖3（b）的系統(tǒng)仿真結(jié)果同樣證明通過(guò)從前向后逐次調(diào)節(jié)前4個(gè)節(jié)點(diǎn)的EDFA增益值，系統(tǒng)Q因子相對(duì)于初始增益配置提升了1.1 d B，非常接近最優(yōu)配置方案下的系統(tǒng)性能。因此逐次優(yōu)化方案在顯著提升系統(tǒng)性能、滿足傳輸質(zhì)量需求的同時(shí)，能夠盡量減小鏈路所需調(diào)節(jié)的EDFA個(gè)數(shù)，從而有效降低實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能提升所需的調(diào)節(jié)代價(jià)，具有性能提升快、調(diào)節(jié)代價(jià)低等優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著高速相干光通信在長(zhǎng)距、大容量、骨干光傳輸中的大規(guī)模應(yīng)用，鏈路中的功率管理和增益優(yōu)化配置成為實(shí)際部署過(guò)程中的重要問(wèn)題。本文提出了基于逐次優(yōu)化思想的鏈路功率及增益配置方案，旨在提升系統(tǒng)傳輸性能的同時(shí)盡量降低系統(tǒng)中所需調(diào)節(jié)的EDFA數(shù)量，以避免由于過(guò)多的功率調(diào)節(jié)導(dǎo)致的時(shí)延、瞬態(tài)效應(yīng)和調(diào)節(jié)代價(jià)。仿真結(jié)果證明，使用逐次優(yōu)化方法，系統(tǒng)傳輸性能在逼近最優(yōu)的同時(shí)，所需調(diào)節(jié)的EDFA數(shù)量相對(duì)于最優(yōu)性能方案降低了一半，為高速相干光通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)規(guī)劃和在線優(yōu)化提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。

［1］ 胡毅，楊家龍.40/100 G相干光通信模塊的技術(shù)分析［J］.烽火科技，2011，（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.Los Angeles，CA，USA：OSA，2011：JTh A39.

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

［4］ 李煒，陳寶靖，柴京，等.100 Gb/s PDM-QPSK系統(tǒng)傳輸性能評(píng)估技術(shù)研究［J］.光通信技術(shù)，2015，（4）：15-17.

［5］ 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.

Research on the of Scheme of Link Optimization for High-Speed Coherent Optical Transmission Systems

LI Xiong1，LIU Bo1，LI Cai2，HU Rong2
（1.Information and Communication Company，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

Targeting on the link optimization configuration problem for high-speed coherent optical transmission systems，a successive optimization principle based link EDFA gain configuration scheme is proposedto optimize the system performance improvement and tuning cost in irregular link configurations.The optimization object is to reduce the number of adjusted EDFAs in the transmission link when the optimal performance is achieved.Such scheme aims to reduce or even avoid the delay，transient and costs induced by the link power adjustment.The simulation results show that the proposed scheme can reduce the number of adjusted EDFAs from 8 to 4，when the system performance is still close to the optimum value.Thus this scheme effectively reduces the tuning cost caused by frequently adjusting the EDFA gain in the optimal configuration scheme.

coherent optical transmission；transmission performance optimization；link adjustment

TN914

A

1005-8788（2016）03-0007-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.003

2015-12-09

李雄（1976-），男，四川資陽(yáng)人。高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信研究及管理工作。