辛鵬

(中國電力科學(xué)研究院，北京 102401)

OTN超長(zhǎng)距離傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)分析

辛鵬

(中國電力科學(xué)研究院，北京 102401)

隨著數(shù)字業(yè)務(wù)的飛速增長(zhǎng)，光傳送網(wǎng)技術(shù)OTN由于具有大容量、遠(yuǎn)距離傳送的優(yōu)勢(shì)，成為下一代傳送網(wǎng)發(fā)展的主要方向。在大容量OTN超長(zhǎng)距離傳輸中，由于損耗、噪聲、色散、非線性效應(yīng)等影響，造成信號(hào)質(zhì)量下降、誤碼率增加。光放大器、色散補(bǔ)償、前向糾錯(cuò)、編碼調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)能夠有效解決這些問題，提高信號(hào)的質(zhì)量、降低誤碼，提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)大容量和超長(zhǎng)距離傳輸。

OTN；超長(zhǎng)距；非線性效應(yīng)

1 引言

隨著數(shù)字業(yè)務(wù)的飛速增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)的豐富性提高了對(duì)大容量多業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)的更高需求。OTN（OpticalTransportNetwork）作為全新的光傳送網(wǎng)技術(shù)，由于其具有高可靠性、低成本、大容量、遠(yuǎn)距離傳送的優(yōu)勢(shì)，將成為下一代骨干網(wǎng)發(fā)展的主要方向。

在大容量OTN超長(zhǎng)距離傳輸中，會(huì)遇到損耗、噪聲、色散、非線性效應(yīng)等對(duì)光纖傳輸信號(hào)的影響，造成信號(hào)質(zhì)量的下降、誤碼率增加。為了解決這些問題，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離傳輸，適宜采用以下關(guān)鍵技術(shù)，主要包括光放大器技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、前向糾錯(cuò)技術(shù)、編碼調(diào)制技術(shù)等。

2 光放大器技術(shù)

光信號(hào)在光纖中的衰耗是光信號(hào)在傳輸過程中的能量損失，能量損失主要源于材料對(duì)光波的吸收和光波本身在傳輸過程中由于散射（主要是瑞利散射）而引起的能量減少。通過放大器技術(shù)，可以提高光信號(hào)功率，延長(zhǎng)傳輸距離。

光放大器是超長(zhǎng)跨距光纖通信系統(tǒng)中相當(dāng)重要的一部分。光放大器按照其原理來分，可以分為：半導(dǎo)體光放大器，摻稀土元素光纖放大器，非線性光纖放大器[1]。

圖1 光放大器分類

在OTN超長(zhǎng)距離傳輸中較為成熟使用的光放大技術(shù)主要為摻鉺光纖放大器、拉曼光纖放大器、遙泵放大器、高階拉曼放大技術(shù)與二階遙泵技術(shù)等。

2.1 摻鉺光纖放大器（EDFA）

摻鉺光纖放大器（EDFA,ErbiumDopedFiberAmplifier）使用稀土鉺元素（Er）作為光纖放大器的增益介質(zhì)，利用受激輻射對(duì)入射的光信號(hào)進(jìn)行放大。在工程應(yīng)用中一般通過EDFA不同配置方案來解決光器件的插入損耗及傳輸損耗問題。

EDFA增益較高、噪聲比相對(duì)較低，非常適用于C波段的WDM通信。由于通信業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，C波段的通信容量已經(jīng)接近飽和，而EDFA無法擴(kuò)展到其它波段使用，這大大限制了EDFA的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 拉曼光纖放大器（RFA）

拉曼光纖放大器（FRA）是一種利用光纖非線性效應(yīng)——拉曼散射原理的光纖放大器。它通過將信號(hào)附加一束強(qiáng)泵浦光同時(shí)注入光纖，使得能量由泵浦光流向信號(hào)光，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的放大。

FRA與EDFA的最大不同是帶寬可以擴(kuò)展到C波段之外的其它波段。FRA的響應(yīng)時(shí)間比很快，為fs量級(jí)，適合對(duì)超短脈沖的信號(hào)進(jìn)行放大。而且RFA噪聲低，可以滿足小信號(hào)放大時(shí)對(duì)光信噪比的要求。

2.3 遙泵放大器（ROPA）

遙泵放大器（ROPA）是一個(gè)無源器件，它是將泵浦源與增益介質(zhì)放置在不同地點(diǎn)的光纖放大器。它將無源器件（如摻鉺光纖和隔離器等）部分內(nèi)置于光纖中，將有源部分（如泵浦）放置在局端。ROPA本質(zhì)是一種特殊形式的遠(yuǎn)程EDFA。ROPA不需要配套電源、機(jī)房等設(shè)施，可靠性較高。因此，在超長(zhǎng)單跨段LHP（Long Hop）傳輸系統(tǒng)中經(jīng)常使用ROPA作為功率補(bǔ)償元件。

ROPA可以提高大功率信號(hào)的光信噪比（OSNR）參數(shù)。ROPA輸入端信號(hào)的光功率越小，輸出信號(hào)的OSNR越低；輸入端信號(hào)的光功率越大，輸出信號(hào)的OSNR越高，因此為防止噪聲將信號(hào)淹沒，應(yīng)避免對(duì)低功率信號(hào)光進(jìn)行放大。

但是，ROPA配置的泵浦源功率較高，一般可以達(dá)到2W～4W。在實(shí)際應(yīng)用中，如果光纖接頭工藝不可靠，存在灰塵，容易導(dǎo)致燒毀光纜纖芯。而且ROPA的高功率也為工程施工和運(yùn)維人員帶來了較大的人身危險(xiǎn)。從安全的角度，如非必需，在工程中盡量避免使用。

2.4 高階拉曼放大技術(shù)與二階遙泵技術(shù)

高階拉曼效應(yīng)也稱多次拉曼散射。前面提到的FRA利用的是光纖中的一階拉曼散射。如果光纖中入射光功率足夠大，除一階拉曼散射外，還會(huì)激起高階的拉曼散射，同樣也可以利用其對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

以二階拉曼放大技術(shù)為例，它首先利用二階泵浦光對(duì)一階泵浦進(jìn)行拉曼放大，然后再通過一階泵浦對(duì)信號(hào)進(jìn)行拉曼放大。與一階RFA相比，對(duì)一階泵浦光的功率需求即可大幅度降低。二階RFA可以大幅度降低系統(tǒng)造價(jià)，有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

二階遙泵放大器是高階拉曼放大與遙泵技術(shù)相結(jié)合的另一個(gè)應(yīng)用。其原理與高階拉曼類似。

高階拉曼放大器與二階遙泵技術(shù)在噪聲系數(shù)上比一階拉曼和遙泵技術(shù)有非常明顯的改善。

3 色散補(bǔ)償技術(shù)

色散補(bǔ)償?shù)幕驹硎峭ㄟ^使用負(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖(DCF)對(duì)光纖的正色散進(jìn)行抵消，同時(shí)對(duì)光纖中的色散累積進(jìn)行補(bǔ)償，降低系統(tǒng)的總色散量。

DCF是一種無源器件，是一種色散為負(fù)的特殊光纖，安裝靈活方便，不僅可對(duì)寬帶色散、一階色散和二階色散進(jìn)行全補(bǔ)償，還可與1310nm零色散單模光纖兼容。并且通過適當(dāng)控制DCF的模場(chǎng)直徑、改善熔接技術(shù)等手段能夠得到更小的插入損耗。DCF可對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，但是由于DCF的負(fù)色散值是固定的，因此只有一個(gè)波長(zhǎng)能夠被完全補(bǔ)償，其它波長(zhǎng)不可避免會(huì)出現(xiàn)色散不匹配的現(xiàn)象。

4 前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC）

前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC）是一種利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電域內(nèi)降低系統(tǒng)中線性及非線性因素影響的技術(shù)，它通過在編碼中插入校驗(yàn)碼來實(shí)現(xiàn)信號(hào)糾錯(cuò)。利用FEC技術(shù)，可以在接收端光信噪比（OSNR）較低的情況下降低系統(tǒng)誤碼指標(biāo)，提高OSNR的容限，提升信道速率，延長(zhǎng)傳輸距離。

但是由于FEC技術(shù)使碼組長(zhǎng)度增加，會(huì)造成系統(tǒng)的信息傳輸速率有所下降。OTN系統(tǒng)中主要采用帶外糾錯(cuò)（outof-band FEC）的方式，增加信道帶寬，從而提高系統(tǒng)性能。

G.872、G.709、G.798等系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了新一代OTN技術(shù)光傳送網(wǎng)，一方面改善了線路的傳輸性能，另一方面也保證了不同設(shè)備在傳輸網(wǎng)中的互通性[2]。

對(duì)于高速率長(zhǎng)距離系統(tǒng)，F(xiàn)EC是一種必要的傳送技術(shù)。通過級(jí)聯(lián)的FEC技術(shù)還可以獲得更高的編碼增益。

5 編碼調(diào)制技術(shù)

編碼調(diào)制技術(shù)是通過綜合考慮不同線路的功率、帶寬、復(fù)雜度以及業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）要求等各項(xiàng)因素，通過配置合理的碼型方案達(dá)到降低噪聲、色散、非線性影響的技術(shù)。編碼調(diào)制技術(shù)是長(zhǎng)距離、大容量光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以在不增加其他設(shè)施的條件下延長(zhǎng)光通信系統(tǒng)的最大傳輸距離。

數(shù)字光傳輸系統(tǒng)的調(diào)制編碼格式主要包括歸零碼（RZ）、非歸零碼（NRZ）、載頻抑制歸零碼（CS-RZ）碼、啁啾歸零碼（CRZ）、雙二進(jìn)制RZ碼、雙二進(jìn)制載波抑制RZ碼、色散管理孤子（DMS）、光雙極性碼（ODB）、差分相移鍵控歸零碼（DPSK）等線路碼型，不同的碼型可對(duì)應(yīng)不同的場(chǎng)合抑制光纖傳輸?shù)姆蔷€性和偏振模色散等效應(yīng)。

6 結(jié)論

OTN技術(shù)將SDH的可運(yùn)營和可管理能力應(yīng)用到WDM系統(tǒng)中[3]，同時(shí)具備了SDH的安全與調(diào)度和WDM大容量遠(yuǎn)距離傳送的雙重優(yōu)勢(shì)，能最大程度地滿足多業(yè)務(wù)、大顆粒、大容量的傳送需求。通過光放大器技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、前向糾錯(cuò)技術(shù)、編碼調(diào)制等技術(shù)彌補(bǔ)光纖衰耗、減少系統(tǒng)噪聲、補(bǔ)償色散、抑制非線性效應(yīng)等損傷的影響，提高信號(hào)的質(zhì)量、降低誤碼，實(shí)現(xiàn)大容量、超長(zhǎng)距離傳輸。

[1]許偉成，黃俊華，戴鰲前．光放大技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)距離電力通信傳輸網(wǎng)[J]．電力系統(tǒng)通信，2005(5)：14-17．

[2]冶娟．OTN技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J]．中國新通信，2015(13)：71．

[3]趙文玉．光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)應(yīng)用分析[J]．通信世界．2008 (9)：16-17．

Analysison the Key Technologies of OTN ULH Transmission

Xin Peng
(China Electric Power Research Institute,Beijing 102401)

With the rapid grow th of digitalbusiness,OTN technology becomesamain developmentdirection of the nextgeneration of transport network because of its large capacity and long-distance transmission.In large capacity of ULH,the signal quality declines and biterror rate increases due to the loss,noise,dispersion and nonlinear effect.The technologies of opticalamplifier,dispersion compensation,FEC and codemodulation can effectively solve the problems,improve the signalquality and system reliability,reduce thebiterror rate,and achieve large capacity and long distance transm ission.

OTN;ULH;nonlineareffect

TN929.1

A

1008-6609(2017)06-0012-03

辛鵬(1972-)，女，江西人，碩士，高工，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信及電力特種光纜，。

國網(wǎng)科技項(xiàng)目：《基于塔內(nèi)光中繼技術(shù)的超長(zhǎng)距骨干光通信系統(tǒng)應(yīng)用研究》，項(xiàng)目編號(hào)：XXB17201500152。