大容量100G OTN關鍵技術及其在電力通信中的應用研究

郭小溪+王穎+唐佳+劉識+廣澤晶+張寧+張書林

摘要：為滿足“十三五”期間數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)萬兆上聯(lián)需求以及智能電網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展需要，需建設具備高速率、多業(yè)務、大寬帶的通信傳輸網(wǎng)絡。文章闡述了100G OTN系統(tǒng)中正交四進制相位調制、相干接收、軟判決糾錯編碼接收等關鍵技術，分析了100G OTN關鍵技術在大容量、長距離光傳輸網(wǎng)中的可行性應用，提出了其在電力通信大容量光傳輸網(wǎng)中的技術應用方案。方案解決了電力通信大容量光傳輸網(wǎng)絡大跨距大帶寬傳輸?shù)碾y題，全面提升了網(wǎng)絡的安全性、可管理性、可擴展性，為保障公司信息通信網(wǎng)絡應用深化和完善提供了堅實基礎。

關鍵詞：100G OTN；電力通信；長距離傳輸

O 引言

隨著通信技術和互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的快速發(fā)展，遠程和大容量化成為通信傳輸?shù)闹匾l(fā)展趨向。自1966年高琨提出用玻璃光纖傳送信號可降低損耗之20dB/km開始，光纖通信經歷了從多模到單模，從單波到波分復用的迅猛發(fā)展。不同于按照時隙上進行劃分的時分復用（ TDM），和按照載波頻率進行劃分的頻分復用（ FDM），波分復用（WDM）在發(fā)送端經復用器將不同波長的光載波信號復用進同一根光纖中進行傳送，在接收端經解復用器將各波長的光載波分離，然后由光接收機進行數(shù)字處理以恢復原信號。

光傳輸網(wǎng)（OTN）正是以WDM技術為基礎，包括了光層和電層的完整體系結構及業(yè)務調度能力，各層都有相應的管理監(jiān)控機制，可提供完善的保護功能和維護管理功能[1-2]。由于OTN系統(tǒng)在WDM基礎上引入了電域子層，為業(yè)務提供在波長/子波長上進行傳送、復用、交換、監(jiān)控和保護恢復的技術，較好地克服了單純WDM技術組網(wǎng)的缺陷。因此，OTN應成為建設大容量通信網(wǎng)絡的首選技術，以滿足新型大顆粒度、多類型業(yè)務日益增長的傳送需要。

現(xiàn)階段成熟應用的OTN技術主要有N*lOG、N*40G和N*lOOG三種。N*lOG OTN系統(tǒng)基于幅度調制，單波速率為10G，常用波道數(shù)量為40波，是大容量通信網(wǎng)傳輸最常采用的技術選擇。N*40GOTN系統(tǒng)在N*lOG的基礎上將容量提升了4倍，屬于10G向100G的過渡技術，現(xiàn)實應用并不廣泛。N*lOOG OTN系統(tǒng)綜合采用PDM-QPSK調制、數(shù)字相干接收、基于電域的數(shù)字處理、軟判決FEC等技術，具有超大的傳輸容量、超長的傳輸距離、超強的糾錯編碼、超快保護恢復等性能優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)內大容量光傳輸?shù)闹髁魇走x技術。

1 100G OTN關鍵技術

光傳輸網(wǎng)（ OTN）是一種以波分復用與光傳送體系為核心的新型通信網(wǎng)絡傳送體系，它由OTN電交叉設備、OTN光交叉連接、OTN光電混合交叉設備、OTN終端復用設備、光放大器等網(wǎng)元設備組成，具有超大傳送容量、對承載信號語義透明及在電層和光層面上實現(xiàn)保護和路由功能的特點，它解決了傳統(tǒng)SDH的大帶寬業(yè)務適配效率低、帶寬粒度小以及WDM組網(wǎng)能力弱和保護能力差等問題，是光互聯(lián)網(wǎng)的基礎結構，即OTN=WDM/ROADM（光層）+ODUk（電層）[3]。

N*lOOG OTN系統(tǒng)綜合采用PDM-QPSK調制、數(shù)字相干接收、基于電域的數(shù)字處理、軟判決FEC等技術，具有超大的傳輸容量、超長的傳輸距離、超強的糾錯編碼、超快保護恢復等性能優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)內大容量光傳輸?shù)闹髁魇走x技術。

1.1 編碼調劑方式

在光纖通信中，傳輸信道為帶通型信道，信號需要在所規(guī)定的信道頻帶內傳輸。光纖通信中采用G652型光纖，可在波長15 50nm處實現(xiàn)最小衰耗。編碼調制的重大意義在于減小數(shù)字光信號的頻譜帶寬，提高頻帶利用率。光信號光譜帶寬由波特率決定，傳送相同比特率的數(shù)字信號，若信號頻譜帶寬越窄，則波特率越小，頻帶利用率越高。

100G OTN系統(tǒng)采用的正交相移鍵控QPSK（ Quadrature Phase Shift Keyin）調制，其原理是通過在光場相位上選取四個可能的取值，使得在線路速率不變的情況下，數(shù)字光信號的波特率降低一半，因而光信號的頻譜帶寬降低一半。100G信號比特率為112Gbps，如直接采用QPSK調制，會對系統(tǒng)的光電轉換器件提出非常高的技術要求，因此引入了光偏振復用（ Polarization Multiplexed）技術，偏振復用采用兩路獨立的光偏振態(tài)來承載56GHz業(yè)務，每路偏振態(tài)都采用QPSK調制方式可以將波特率進一步降低至28Gbps。因此，國際標準化組織綜合此兩種技術選擇偏振復用正交四進制相位調制（ PDM QPSK）作為標準100G光調制方式。

與傳統(tǒng)二進制調制不同，PDM-QPSK采用恒定幅度四級相位調制和正交偏振復用相結合的方式將傳輸波特率降低為二進制調制的四分之一，即100G傳輸中，采用PDM-QPSK技術后，實際線路波特率僅為25G。

1.2 數(shù)字相干接收

相干接收技術主要解決了對光信號的電場的檢測問題。光信號對業(yè)務信息是以電場的形式承載的，在光信號的傳輸過程中，其電場特性會受到光纖色散、光纖PMD、光纖非線性效應以及濾波效應等因素的影響而趨于劣化。常規(guī)的直接檢測方式只能探測光信號電場的模平方包絡（即光強），因此無法分解出上述劣化效應的影響并給予消除。相干接收技術可得到PDM-QPSK信號的所有信息，包括每個偏振方向上的電場的實部和虛部的強弱和相互的相位信息，為傳輸中各項劣化效應的分解和補償提供了可能。高速ADC（模數(shù)轉換芯片）則在不損失信息的前提下將檢測出的模擬信號轉化為數(shù)字信號，并由DSP芯片完成時鐘恢復、載波恢復、色散補償、PMD補償?shù)汝P鍵處理。

1.3 軟判決前向糾錯

在100G相干電處理技術的產業(yè)化力量的驅使下，借助高速集成電路技術的發(fā)展，目前引進了基于軟判決的FEC編碼技術。軟硬判決的區(qū)別在于其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特數(shù)位1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特位對信號進行量化，采用“00”、“01”、“10"‘11”判決，通過維特比算法提高判決的準確率，大大提升了100G系統(tǒng)的傳輸能力。100G系統(tǒng)中，硬判決和軟判決兩種技術適用于不同距離的不同應用場景。endprint

100G的PM-QPSK信號調整，采用20%的軟判決糾錯編碼技術，凈編碼增益理論極限可達12.7dB，100G背靠背OSNR容限在13dB左右，基本達到了與10G相同量級的傳輸能力。

1.4 數(shù)字信號處理

PDM-QPSK的調制方式主要是降低100G傳輸中光信號的波特率，降低100G傳輸碼型的頻譜寬度，使之能實現(xiàn)50GHZ間隔傳輸，并部分解決了100G傳輸?shù)腛SNR要求過高問題，但100G系統(tǒng)的色散容限過小和PMD容限過小的問題依然存在，這對長距離100G傳輸尤其不利。

色散和PMD效應均是在光電場的相位或偏振上引入的線性調制或畸變，如果能探測出光信號的電場，則可以采用線性補償?shù)霓k法，在廣場上抵消色度色散和PMD效應，這就是光學DSP處理的核心。

在100G PDM_QPSK傳輸中，主要利用光數(shù)字信號處理技術（ DSP）在電域實現(xiàn)偏振解復用和通道線性損傷（ CD、PMD）補償，即通過數(shù)字化算法，在電域進行色度色散補償以及偏振態(tài)色散補償，以此減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴。

采用這種基于電域的DSP技術，在100G系統(tǒng)上可實現(xiàn)高達50000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限。在100G OTN組網(wǎng)設計時，傳輸線路上將不再放置DCM模塊，PMD效應也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，使得100G系統(tǒng)具備長距離傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

國網(wǎng)公司已于2013年建成40波*10G大容量光傳輸網(wǎng)，對骨干通信網(wǎng)絡進行了全局性擴容和結構化調整，滿足了非實時、高帶寬信息業(yè)務的快速增長需要。大容量光傳輸網(wǎng)采用OTN電交叉技術進行組網(wǎng)和業(yè)務調度， 雙光方向電中繼站采用OTN電交叉設備，上下業(yè)務站點及多光方向有電路調度需求的站點采用OTN電交叉設備。容災中心節(jié)點配置雙OTN設備，其他業(yè)務節(jié)點配置單套OTN設備。

大容量光傳輸網(wǎng)實現(xiàn)了公司總部、信息容災中心（北京、上海、西安）、六個分部、除新疆、西藏外各省（自治區(qū)、直轄市）電力公司，以及省級以上通信第二匯聚點大顆粒業(yè)務傳輸?shù)娜采w，在全國范圍內形成“三縱三橫”的總體網(wǎng)絡結構，北京、華北、華東、華中、東北、西北區(qū)域分別形成局部環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡網(wǎng)孔在整體框架基礎上進一步縮小。各業(yè)務調度站點采用串接或支線接入干線方式，各業(yè)務節(jié)點具備雙路由上聯(lián)至數(shù)據(jù)中心、容災中心的能力。大容量光傳輸網(wǎng)邏輯示意圖如圖1所示：

3 技術應用模型

3.1 系統(tǒng)需求

“十三五”期間通信數(shù)據(jù)網(wǎng)的主要業(yè)務有：信息化業(yè)務、客戶服務、視頻/多媒體業(yè)務、容災備份、行政電話及其他數(shù)據(jù)業(yè)務等。在未來的10-20年內，隨著新一代國家電網(wǎng)公司SG-ERP規(guī)劃和建設，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動技術等廣泛應用，信息平臺承載能力和業(yè)務應用水平將進一步提升。華東、華北、華中等人口眾多、電網(wǎng)結構密集的區(qū)域通信數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務最大流量將遠超lOGbit/s，現(xiàn)有的40*10G OTN系統(tǒng)將無法滿足高速發(fā)展的數(shù)據(jù)業(yè)務需求。

電力通信覆蓋范圍內的新疆、西藏、青海等地區(qū)地域廣闊，地質條件復雜，可設置的通信站的之間距離較遠，光纜線路和通信站條件較差，對大容量光傳輸網(wǎng)建設提出了超長距離和高可靠性的要求。因此，在國網(wǎng)大容量光傳輸網(wǎng)中推廣應用100GOTN技術十分必要。

3.2 傳輸系統(tǒng)模型

100G OTN技術在電力通信中的應用研究考慮以單波100G帶寬、300km傳輸距離的點到點光纖傳輸系統(tǒng)為模型。系統(tǒng)光線路部分包括放大系統(tǒng)、合分波器等板卡，以及公共部分包括系統(tǒng)控制、交叉矩陣、機框等設備板卡按照網(wǎng)絡拓撲結構、lOOGGb/s系統(tǒng)規(guī)模配置。OTN再生站之間根據(jù)線路衰耗采用加入相應的光放大站（OLA站），再生站之間配置OMS和Och路徑。100G大容量、長距離、多跨段光傳輸系統(tǒng)模型圖如圖2所示：

3.3 業(yè)務保護配置方案

OTN業(yè)務保護方式根據(jù)保護倒換發(fā)生的層面可分為光層和電層兩類，根據(jù)保護結構可分為線性保護和環(huán)網(wǎng)保護兩類。線性保護包括基于光層的光線路保護OLP、光復用段保護和光通道保護，以及基于電層的ODUk SNCP保護。光線路保護和光復用段保護主要對光纜故障進行保護，保護粒度是整根光纖上所有波道。環(huán)網(wǎng)保護包括基于光層的光波長共享環(huán)網(wǎng)保護，以及基于電層的ODUk環(huán)網(wǎng)保護。

考慮到電力通信中大容量光傳輸網(wǎng)覆蓋范圍廣、傳輸距離長、光纜資源有限，各區(qū)域間為鏈狀拓撲結構，區(qū)域內少部分傳輸段可具備兩條不同路由。因此采用光線路保護OLP和電層ODUk SNCP保護相輔相成的方式配置保護。

（1）光線路保護OLP

運用OLP板的雙發(fā)選收功能對線路光纖進行保護，分段對合波后的光信號進行保護，站點間使用分離路由。OLP通過占用T作及保護2對光纖的方式實現(xiàn)對線路信號的保護。OLP采用的保護方式為雙發(fā)選收、單端倒換[11]。OLP保護方式示意圖如圖3所示。

（2） ODUk SNCP保護

與SDH類似，子網(wǎng)連接保護可以看作是失效條件的檢測是在服務層網(wǎng)絡、子層或其他傳送網(wǎng)絡，而保護倒換的動作發(fā)生在客戶層網(wǎng)絡的保護方法。ODUk SNCP保護運用OTN電層交叉的雙發(fā)選收功能，對線路板和OCh光纖進行保護[12]。交叉粒度為ODUO、ODU1、ODU2信號等。ODUk SNCP保護原理如圖4所示。

4 結語

“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，促使電力通信網(wǎng)向更大帶寬、更長距離的方向發(fā)展，國網(wǎng)大容量通信網(wǎng)目前的10G帶寬已逐漸無法滿足將來5-10年信息通信業(yè)務的需求。100G OTN系統(tǒng)整合編碼調制方式、相干接收、軟判決前向糾錯等效率更高、性能更優(yōu)的通信底層傳輸技術，為更大帶寬、更長距離的通信傳輸提供可能。建設100G OTN平臺可有效提高國網(wǎng)公司骨干通信系統(tǒng)的安全性，提高傳輸網(wǎng)的承載能力，使各類信息、視頻業(yè)務傳輸有了多種選擇，能夠根據(jù)業(yè)務類型和特點，有效降低現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡的運行壓力，可為建設堅強電力通信網(wǎng)提供重要支撐和基礎保障。endprint