高速率大容量DWDM系统优化

             西门子（广州）传输系统有限公司     王树敏
摘要：本文以西门子Surpass hiT密集波分系统为例，阐述高速率大容量DWDM设备的系统优化过程。
关键词：DWDM，优化，OSNR，斜率，OTU
一．引言
　　随着带宽需求的急剧增长和DWDM技术的成熟，高速率大容量DWDM系统在各大电信业务运营商新建的骨干传输网中应用越来越普遍。中国联通全国骨干网和中国移动东部网以及后续扩建项目均采用了西门子最新的160*10Gb/s波分复用产品Surpass hiT 7550。这些DWDM干线的特点是高速率、大容量、超长距离、承载重要业务，因此工程期间的系统优化和在维护中保持系统优化状态相当重要。以下通过介绍西门子Surpass hiT设备的系统优化，希望能够对用户有所帮助，同时也抛砖引玉，希望对其他DWDM干线的系统优化有一定参考作用。
二．DWDM系统优化的定义
    DWDM系统优化是指根据实际线路光缆的各种参数，例如衰耗和色散，利用科学的算法工具对DWDM链路进行最优化计算和配置，并在工程执行期间进行具体的优化调整，尽可能消除或抑制信号传输过程中的失真和劣化，使DWDM系统处于相对最优工作状态，确保高质量传输的整个过程。
三．系统优化的原因及基本措施
    业务信号通过DWDM系统传播的过程中，由于系统和传输媒介的特点，会发生不同程度的信号失真，2.5Gb/s以下速率的信号因速率低而受失真的影响不大；而10Gb/s以上的高速率信号对这些信号失真非常敏感，受影响很大，因此系统优化对保证高速率大容量DWDM系统的高性能至关重要。造成信号失真的因素主要有如下两大类:
1.线性失真
    线性失真主要是由于线路光纤的色度色散和衰耗引起的失真，这种失真不依赖于信号强度。
    光纤色散对光信号中的不同频率成分产生不同程度的时延，最终导致整个光信号在到达链路末端时产生脉冲展宽而失真,失真程度随着光缆长度的增加而增强且因为不同类型的光纤而不同。解决累积色散问题的办法是每隔一定的光纤长度接入色散特性相反、长度合适的色散补偿光纤模块（DCM）。
    线路衰耗会削弱信号光功率，造成信号质量劣化。信号劣化到了一定限度，将被噪声掩盖而无法正常通信。解决累积衰耗问题的途径是设立光中继站，利用EDFA光放大器和外置泵浦源实现光信号再生。
    关于色散和衰耗还存在斜率(tilt)问题。同一根光纤对不同波长的信号所产生的色散和衰耗是有差别的，实际EDFA放大器也不可能达到理想的增益平坦，所以，如果没有采取相应措施，各波信号经过多跨段、长距离的传输到达末端后，在通道光功率、光信噪比（OSNR）、累积色散等参数上会有很大的差别，形成所谓的功率tilt、OSNR tilt和色散tilt，导致信号质量参差不齐。色散tilt通过带斜率补偿的特殊DCM解决，而OSNR和功率tilt处理方法有：特殊放大器的tilt控制；功率均衡和预加重调整。
2．非线性失真
    当入纤光功率较强时,光纤的基本参数折射率n受光功率变化影响较大，呈现出非线性，称为克尔效应。克尔效应主要表现形式有四波混频(FWM)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)等。
    非线性失真还包括随信号强度而变化的各种散射过程，如：受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)。
    非线性效应也会导致光信号脉冲展宽，产生失真、畸变，从而影响传输质量。
    削弱或消除非线性失真的主要措施有：器件设计的噪声抑制；控制入纤功率在合适范围；适当的残留色散利于抑制FWM；信号预加重调整。
四．优化的基本过程
    广义的DWDM系统优化是一个涉及面很广的过程，包括了项目招投标时基本配置的确定、工程执行期间对实际参数的测量、根据测量结果调整DCM模块和泵浦卡以及各个具体段的实际参数设置、信号预加重调整等过程。
下面以西门子的Surpass hiT 7550设备为例，说明高速率、大容量DWDM系统的优化过程。
    每一个DWDM单位优化链路（OTT-OTT段）的优化是独立分开的，具体过程如下：
1．项目招投标时根据客户提供的光缆参数，利用专用工具进行计算，确定DWDM链路的基本配置，如OA站设置、DCM和泵浦卡的配置等，长链路选用带斜率补偿的放大器和DCM；
2．工程开始前期，对每段线路光纤的长度、衰耗、色散等参数进行实际测量；各站的设备硬件安装同步进行，同时确保每个光接头的高度清洁；
3．根据各段光纤的实际参数，利用专用工具进行重新计算，得出各站点实际需要的DCM和泵浦卡，以及各个光放盘的光功率、拉曼斜率等参数；
4．根据最新计算结果，调整各站的DCM和泵浦卡，设置光放盘相关参数；
5．对于超长链路，进行整条链路或分段的残留色散测量,将测量结果输入专用工具进行分析，根据分析结果微调DCM模块。这种测量残留色散的方法最大的特点是其测量结果是整条OTT-OTT优化链路的残留色散，包括了设备EDFA的色散、各段线路光纤的色散和DCM模块的补偿色散相互抵消后的总的残留色散。所以这种色散优化的方法非常精确、科学；
6．激活单位优化链路的主光通道，检查各站点放大器的收发光功率，对衰耗不正常的段落进行调整；
7．狭义系统优化：信号功率均衡和预加重。示意图如下：
OTU:10Gb/s或2.5Gb/s波长转换器
OTT：波分链路终端站
OLR：波分链路OA站
OSA：光谱分析仪
LCT with Monipoint and Unigate:安装有OSNR测量软件和设备监控软件的笔记本电脑
       
狭义系统优化基本过程：
    如上图所示，该优化操作分成相互独立的两个方向进行。
在链路末端OTT站前放的输出点，用OSA测量源头OTT站传输过来的各波的信号功率和OSNR值，通过GPIB卡与OSA连接并通信的笔记本电脑将OSA采集的数据保存成一个文件。比较各波OSNR值的绝对值和最大相差值，如没有达到优化要求（一般绝对值要大于22dB，最大差值小于1.0dB），则通过光监控通道将数据文件输入源头OTT设备，并执行信号预加重命令，源头OTT根据末端信号情况调整本端合波器上自带的相应波道的VOA（可自动调节的可变衰耗器）数值，从而优化均衡各波入纤功率，直到末端OSNR值符合标准。整个系统的调节功能和分波器上的VOA调节还能确保末端OTT站各波输出功率在合适的范围。
另一方向也做同样的操作；
8．激活OTU自动优化功能（寻找信号的最佳点）和FEC调节功能（前向纠错），这两个功能是OTU盘本身的优化功能；
9．必要的性能监测和相关数据的记录、整理、存档。整个系统优化过程完成。
五．系统优化注意事项
    DWDM系统优化是一个科学、严谨的过程，必须严格按照相关的操作指示和计算结果，不允许凭空想象、随意而为；另外，鉴于光纤接头清洁对于10Gb/s速率DWDM系统的重要性，必须确保整条链路每个光接头都是完好的和干净的，否则会影响优化结果、导致系统性能下降。
六．系统优化的作用和效果
    由前面系统优化的原因和基本过程，可以看出系统优化最终所起的主要作用如下：
1．光缆绝对色散的补偿。通过实际光纤色散测量、科学计算和DCM模块最优化配置，解决了线路光纤色散的补偿问题，而残留色散测量和DCM微调使得整条链路的色散补偿更精确有效。
2．色散tilt的补偿。具有色散斜率补偿特性的DCM模块，有效地实现了不同波长信号的色散均衡补偿。
3．绝对功率和OSNR劣化问题的解决。通过模拟工具的计算，配置合适的OA站、放大器、泵浦卡，控制每段的信号入纤光功率，可以非常有效地在链路终点获得足够的信号功率和OSNR值。
4．通道功率tilt和OSNR tilt的补偿。通过计算选用带斜率补偿的放大器、优化过程中的功率均衡命令，已经很好地对链路的整体功率tilt和OSNR tilt进行了补偿，而信号预加重调整对这种补偿进行了细化并最终确保了末端OTT站的OSNR值在指标范围内。
5．系统非线性效应的抑制。系统器件设计时采取的噪声抑制措施（如:西门子部分OTU具有软件调节抑制自激布里渊散射的功能）、通过计算在确保绝对OSNR值前提下控制入纤功率不要太高、色散预补偿和欠补偿措施抑制四波混频、信号均衡和预加重调整削弱非线性效应（如自激拉曼散射、SPM、XPM）等等措施确保系统非线性效应的影响得到有效抑制。
6．西门子OTU板卡的自动优化功能和带外FEC功能极大地提高了系统的抗干扰能力。
    检验系统优化效果的方法很多，常见的有：测量OSNR值、下挂OTU和SDH设备的性能监测、利用10Gb/s仪表挂表测试、测量链路末端的信号眼图和消光比；除此之外，西门子的OTU还提供了监测信号Q值和FEC误码率等有效的措施。
七．系统优化经典案例
     中国联通天津-沈阳DWDM链路，选用西门子Surpass hiT 7550设备（10Gb/s*160波产品），共12个跨段，全长约1000公里，采用G.652光纤，2002年2月份调试优化完毕，是中国当时最长的纯光中继DWDM链路。该链路为非常典型的高速率、大容量、长距离的DWDM链路，并且由于跨段较多，光缆路由复杂，因此系统优化的难度较大。该DWDM链路的系统优化工作由德国西门子总部技术专家主持，从测纤、计算、调整DCM和泵浦模块，到分两段进行残留色散测量、信号的功率均衡和预加重调整，包括光接头清洁和衰耗调整等细节，整个过程的系统优化工作非常规范、科学。系统优化后，末端OTT站的OSNR最小值为25.2dB，OSNR差值为0.5dB，性能非常良好。该链路作为重点测试链路，于2002年5月底通过了中国联通总部的验收测试。并且从投入试运行至今一年多的时间，该链路没有发生过任何因为系统性能劣化而中断业务的故障。
八．系统再优化
    优化后的DWDM系统主要参数的裕余度一般是：单段衰耗3dB,全程色散约400ps/nm。如果出现如下情况，一般需要重新优化：
·线路衰耗变化过大且无法恢复，则需要重新计算，必要时更改光功率参数；
·线路光纤类型不变但长度发生较大变化，则需要重新计算，可能需要调整DCM模块顺序或更换DCM模块；
·线路光纤类型发生改变，则肯定需要重新计算，调整DCM模块，并做重新优化。
九．结束语
    总之，对于新建的DWDM链路，只有进行科学严谨、精确有效的系统优化，才能够彻底摆脱传统DWDM链路在长距离和高速率、大容量之间很难完全兼得的限制，真正实现高速率、大容量、长距离、高性能的传输。
参考文献
    [1]Michael.Peltz, Siemens AG  Information and Communication Networks.
Turn_up and Optimization_MTS2.0_Issue5. April,2002
[2]龚倩,徐荣,张民,叶培大.光网络的组网与优化设计.北京邮电大学出版社,2002,6(1):31-33