8×10Gb/s光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉其超，歐陽(yáng)長(zhǎng)冬，史朝翔，常建新，高 猛

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065；2.新普矽谷科技(北京)有限公司，北京100000）

8×10Gb/s光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉其超1，歐陽(yáng)長(zhǎng)冬1，史朝翔1，常建新2，高 猛2

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065；2.新普矽谷科技(北京)有限公司，北京100000）

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于數(shù)字包封裝技術(shù)的小型化、低成本、高可靠和可靈活配置的8×10G光纖傳輸系統(tǒng)，從接收靈敏度、色散代價(jià)、編碼增益和傳輸誤碼率等幾個(gè)方面有效驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。經(jīng)實(shí)測(cè)，系統(tǒng)具有較好的傳輸性能。

8×10G E；FPG A；數(shù)字包封；In-band網(wǎng)絡(luò)管理

0 引言

隨著寬帶、IPTV和視頻等業(yè)務(wù)需求量的爆炸式增長(zhǎng)，利用Hub-spoken傳輸模式的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（P2MP）應(yīng)用需求也日益增多，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形拓?fù)鋄1]。一般在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中，用光監(jiān)控信道（OSC）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)元（NE）之間的監(jiān)控管理，而對(duì)于P2MP應(yīng)用，若使用OSC來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，則需要與線(xiàn)路側(cè)端口數(shù)目相當(dāng)?shù)腛SC通道，這無(wú)疑大大增加了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成本和復(fù)雜度。本文提出了一種8×10G光纖傳輸系統(tǒng)方案，系統(tǒng)根據(jù)ITU-T G.709[2]標(biāo)準(zhǔn)，將用戶(hù)側(cè)信號(hào)透明封裝為數(shù)字包封幀，其標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)中有豐富的開(kāi)銷(xiāo)并提供FEC功能，使其具有完善的性能和故障監(jiān)測(cè)能力，采用GCC0來(lái)承載網(wǎng)管信息，利用FPGA插入/提取網(wǎng)管信息，使得系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)8個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理配置，在極大提高信號(hào)傳輸質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省波長(zhǎng)資源，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

1 系統(tǒng)概述

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景

本文提出了一種基于數(shù)字包封技術(shù)可靈活配置的、小型化和低成本的8×10G光纖傳輸系統(tǒng)，此系統(tǒng)可應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、企業(yè)大樓、城域網(wǎng)及接入網(wǎng)等。其典型應(yīng)用有三種：點(diǎn)到點(diǎn)WDM傳輸、城域WDM環(huán)網(wǎng)以及P2MP應(yīng)用中的星形傳輸。在點(diǎn)到點(diǎn)及環(huán)形WDM應(yīng)用中，使用傳統(tǒng)的OSC來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能；在P2MP應(yīng)用中分兩種連接方式，一種終端模式，另一種為中繼模式。終端模式下，此系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)HUB，上層置有路由器或交換機(jī)，線(xiàn)路側(cè)與之相連的8個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)為用戶(hù)終端設(shè)備。通過(guò)線(xiàn)路側(cè)光信號(hào)接口，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)用戶(hù)終端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在提供良好的用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)諸如對(duì)光模塊的功率、風(fēng)扇、電源和信號(hào)等方面的錯(cuò)誤或缺失的告警以及系統(tǒng)配置等方面的OAM功能。中繼模式下，此系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)“3R”中繼設(shè)備，并且也能提供OAM功能。與終端模式不同之處在于，終端模式只能管理與線(xiàn)路側(cè)相連的遠(yuǎn)程終端，而中繼模式下用戶(hù)側(cè)和線(xiàn)路側(cè)兩邊都有In-band管理信息，兩邊都可實(shí)現(xiàn)In-band管理。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示為8×10G傳輸系統(tǒng)框圖。在局端，用戶(hù)側(cè)進(jìn)來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)10G光模塊（SFP+）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)SFP+模塊的高速接口SFI傳送到數(shù)字包封芯片封裝為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字包封幀。在設(shè)計(jì)中，我們選取Vitesse公司的VSC8492芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字包封功能，它是一種雙通道10G成幀芯片，可同時(shí)將兩路10G信號(hào)進(jìn)行封裝成幀，在封裝成標(biāo)準(zhǔn)OTN幀后通過(guò)長(zhǎng)距1550nm 10G光模塊從線(xiàn)路側(cè)傳輸?shù)娇蛻?hù)終端設(shè)備；系統(tǒng)的主控芯片選用飛思卡爾公司（Freescale）的MPC8250處理器，利用其通信處理模塊（CPM）中的串行通信控制器SCC1來(lái)提供以太網(wǎng)接口。In-band管理信息由FPGA來(lái)進(jìn)行插入或提取，和用戶(hù)數(shù)據(jù)一同被封裝在數(shù)字包封幀中，可同時(shí)對(duì)8個(gè)通道的In-band管理信息進(jìn)行處理。

圖1 8×10G傳輸系統(tǒng)框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 In-band管理幀定義

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字包封In-band網(wǎng)絡(luò)管理，我們定義一個(gè)in-band管理信息的幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

幀結(jié)構(gòu)定義如下：

①SFD：幀開(kāi)始標(biāo)識(shí)符，表示一個(gè)幀的開(kāi)始；

②TYP：定義幀的封裝類(lèi)型；

圖2 In-band管理信息的幀結(jié)構(gòu)

③RES：保留字節(jié)；

④Length：凈荷的長(zhǎng)度；

⑤Payload：凈荷；

⑥CRC：BIP8偶校驗(yàn)。

2.2 In-band管理原理

若網(wǎng)管人員想查看設(shè)備的工作狀態(tài)或做某些配置 （包括遠(yuǎn)程設(shè)備），管理端通過(guò)以太網(wǎng)口RJ45與HUB端連接，并給HUB端發(fā)以太網(wǎng)幀。HUB主板上的CPU將請(qǐng)求包通過(guò)總線(xiàn)接口傳送給FPGA，F(xiàn)PGA的狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到這個(gè)包后逐個(gè)比特地將其插入到OTN兩個(gè)字節(jié)的GCC0開(kāi)銷(xiāo)中去，F(xiàn)PGA中用8個(gè)雙口RAM來(lái)緩存網(wǎng)管信息 （由于FPGA用的時(shí)鐘為33.33MHZ，而VSC8492的工作時(shí)鐘為41.8MHz，時(shí)鐘不同步，會(huì)使管理信息溢出，造成數(shù)據(jù)丟失出錯(cuò)）。網(wǎng)管信息隨業(yè)務(wù)信號(hào)一起傳輸?shù)娇蛻?hù)終端設(shè)備，客戶(hù)終端設(shè)備的FPGA會(huì)不斷檢測(cè)接收到的OTN幀頭。檢測(cè)到幀頭中有相應(yīng)的管理配置信息時(shí)，待管理幀全部接收完后，判斷管理幀的類(lèi)型，若為IP封裝，則FPGA給CPU一個(gè)中斷，CPU即會(huì)根據(jù)OTN幀兩個(gè)字節(jié)GCC0開(kāi)銷(xiāo)信息的內(nèi)容去讀取本地采集到的相應(yīng)信息，然后再以相同的過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)；若為高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）封裝，則FPGA不跟CPU交互，由FPGA直接解析命令并做相應(yīng)的動(dòng)作。

圖3 OSNR測(cè)試框圖

3 測(cè)試方案與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方案

圖3為系統(tǒng)OSNR測(cè)試框圖?？蛻?hù)側(cè)使用短距1310nm的10G光模塊，線(xiàn)路側(cè)采用ITU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率間隔為100GHz波長(zhǎng)范圍從λ1=1560.61nm到λ8= 1554.94nm 的 8個(gè) 10G光模 塊， 誤碼 儀采 用MD1230A，速率為10GE（10.3125Gb/s）。圖3中有3個(gè)摻鉺光纖放大器 （EDFA），其中EDFA1為ASE噪聲源。為避免噪聲功率太小而無(wú)法產(chǎn)生誤碼，則使用EDFA2和可調(diào)節(jié)衰減器ATT1對(duì)其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，ATT2則用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)功率。1:1功率耦合器將信號(hào)和噪聲功率耦合進(jìn)入一根光纖傳輸，通過(guò)功率放大器EDFA3放大后在單模G.652光纖上傳輸80km。通過(guò)公式，我們可算出不同誤碼率下的光信噪比。其中，Bm為噪聲等效帶寬，Br為參考光帶寬，Pi為第i個(gè)通路的信號(hào)功率，Ni為等效噪聲帶寬Bm范圍內(nèi)竄入的噪聲功率[3]。圖4為160km傳輸測(cè)試框圖，其中-10dB衰減器用來(lái)防止功率放大器（BA）的輸出功率較大而產(chǎn)生嚴(yán)重的布里淵散射效應(yīng)，前置放大器（PA）用來(lái)補(bǔ)償信號(hào)的功率衰減，色散補(bǔ)償模塊（DCM）用來(lái)補(bǔ)償光信號(hào)傳輸過(guò)程的色散。

圖4 160km傳輸測(cè)試框圖

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)的接收靈敏度、色散代價(jià)和OSNR編碼增益測(cè)試結(jié)果分別如圖5～圖7所示。由圖5可知，通過(guò)命令行關(guān)閉線(xiàn)路側(cè)FEC功能時(shí)，實(shí)測(cè)得到的線(xiàn)路側(cè)接收靈敏度為-20dBm左右；而在GFEC模式下，接收靈敏度為-26dBm左右；在EFEC模式下，接收靈敏度為-29dBm左右。圖6中兩條曲線(xiàn)上的點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)80km標(biāo)準(zhǔn)G.652單模光纖傳輸、用-20dB衰減器傳輸?shù)木€(xiàn)路側(cè)接收靈敏度，將兩種方式測(cè)得的接收靈敏度相減便得到系統(tǒng)通過(guò)80km光纖傳輸?shù)纳⒋鷥r(jià)。由于在實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇EFEC模式，因此本文主要關(guān)注系統(tǒng)在EFEC模式下的色散代價(jià)，實(shí)測(cè)系統(tǒng)的色散代價(jià)大概為1.347～2.489dB。從圖7可看出，在誤碼率為10-10時(shí)，GFEC的編碼增益為 3.27dB，EFEC的編碼增益為8dB。從實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到在EFEC模式下，誤碼率分別為10-10、10-11、10-12時(shí)對(duì)應(yīng)的信噪比只有微小的變化。另外，在測(cè)試時(shí)間≥24h的情況下，沒(méi)有一個(gè)誤碼出現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 線(xiàn)路側(cè)接收靈敏度測(cè)試結(jié)果

圖6 色散代價(jià)測(cè)試結(jié)果

圖7 OSNR測(cè)試結(jié)果

表1 8個(gè)通道的測(cè)試參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于數(shù)字包封技術(shù)的小型化、低成本的8×10G光纖傳輸系統(tǒng)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下可根據(jù)用戶(hù)需要進(jìn)行靈活配置。本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)為在一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)應(yīng)用中，采用高速FPGA芯片將管理信息插入到OTN幀2個(gè)字節(jié)的GCC0開(kāi)銷(xiāo)中隨業(yè)務(wù)信號(hào)在一個(gè)波長(zhǎng)中傳輸，這樣便可在HUB端同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)與之通信的客戶(hù)終端設(shè)備的Inband管理，節(jié)省了波長(zhǎng)資源和開(kāi)發(fā)成本。另外，可靈活配置FEC的模式，極大地提高了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量，并從線(xiàn)路側(cè)接收靈敏度、色散代價(jià)和編碼增益等幾個(gè)方面進(jìn)行了驗(yàn)證。另外用160km G.652光纖進(jìn)行誤碼率傳輸測(cè)試，測(cè)試速率為10.325Gb/s，在大于24小時(shí)的測(cè)試過(guò)程中，沒(méi)有誤碼出現(xiàn)，系統(tǒng)性能良好。

[1]ZHEN C，YINGJIN L.Hub-Spoken Major Appliance Logistics Net Work Building and Practice[C]//2013 International Conference on Computational and Information Sciences(ICCIS 2013),Shiyan,21-23 June 2013. Shiyan:IEEE,2013:383-387.

[2]ITU-T Recommendation G.709，Interface for the Optical Transport Net-works[S].2009.

[3]呂增元.積分法測(cè)試OSNR[J].甘肅科技，2013，29(17)：25-27.

Design and validation of 8×10Gb/s optical transmission system

LIU Qi-chao1，OUYANG Chang-dong1，SHI Chao-xiang1，CHANG Jian-xin2，GAO Meng2
(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China; 2.CNMP Networks Inc.(P.R.China)，Beijing 100000，China)

A low cost,small form factor,high-reliability and flexible 8×10G optical transmission system based on digital-wrapper technology is designed and implemented.The paper has verified the system performances from the receiver sensitivity,dispersion penalty,coding gain and the transmission error rate effectively,the test result show that the system has good transmission performance.

8×10GE,FPGA,digital-wrapper,in-band network management

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0023-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.007

2015-11-12。

劉其超（1990-），女，碩士生，主要從事光通信設(shè)備的研究。