WDM系统性能监视技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 本 研究报告 研究光波分复用（ WDM）传输系统的性能 监视 技术，包括系统发送端和接收端光性能参数 监视 的需求分析 、 WDM 系统 性能参数的分类 、 高速传输系统的损伤研究 、 OSNR 监视 技术研究、 EVM 监视 技术研究等多项关键技术。 本报告 还 研究 了各种光层性能监控方法， 探讨 了在 设备 开发和 网络 运维 等不同阶段对 光层性能 监视 和 测量的不同 需求。 具体包括： 波分系统光性能参数 监视 的需求分析 ； 波分系统光性能参数的国内外标准化现状 ； 高速波分复用系统的光性能参数的 监视 需求分析 ； 高速传输系统的光性能损伤研究 ； 高速传输系统的 OSNR监视 技术研究 ； 高速传输系统的光功率及平坦度研究 ； 高速传输系统 EVM监视 技术研究 ； 研究结论和建议 。 （ 传送网与接入网技术工作委员会传送网工作组 ） 研究单位： 上海贝尔股份有限公司、 中国联合网络通信集团有限公司 、中国信息通信研究院 项目负责人： 张晓宏、 沈世奎 项目参加人： 易小波 、 赖俊森 、周惠琴 完成日期： 2017 年 8 月 18 日 目 录 1 前言 . 1 2 缩略语 . 2 3 WDM 波分复用系统性能监视需求分析 . 3 3.1 光性能监测技术概论 . 3 3.2 端到端波分系统监测技术需求分析 . 5 4 WDM 系统性能监视技术标准化现状 . 5 4.1 国内标准化进展 . 6 4.2 ITU-T 标准化进展 . 6 5 高速传输系统的损伤研究 . 7 6 高速 WDM 系统的性能监视研究 . 9 6.1 OSNR 监测技术研究 . 9 6.1.1 方法 1：传统的 OSNR 带外测量 . 9 6.1.2 方法 2：偏振消光法 . 11 6.1.3 方法 3：采用波长追踪器技术 . 11 6.1.4 方法 4：基于光噪声拍频的 OSNR 监测方法 . 12 6.1.5 200G/400G 的 OSNR 测量现状 . 13 6.2 光功率及平坦度的监视 . 14 6.3 EVM 监视技术 . 15 6.3.1 背景介绍 . 15 6.3.2 EVM 标准化进展 . 18 6.4 其它参数的在线 监视 . 19 6.4.1 入纤功率 . 19 6.4.2 Q 值 . 20 6.4.3 OTDR 在线测量技术 . 20 7 高速 WDM 系统性能监视的参数精度要求 . 21 8 研究结论 . 22 1 WDM 系统性能 监视 技术研究 1 前言 随着 WDM 波分复用系统在传送网络的大规模部署应用 、 单通道 速率由 10G/40G 提升到100G/200G 甚至 更高 速率 以及 ROADM 组网 技术在传送网中的应用 ， 使得传送网的部署和管理变得日益复杂 ， WDM 系统 性能 监视 对网络运 行 、 故障诊断 以及 业务快速恢复 越 来越重要。 WDM 系统 的性能 监视 可以分为电层的性能 监视 和光层的性能 监视 ， 电 层的性能 监视 通过在传输的数据中加入开销 字节 从而 可以 在 接收端 监视 到传输过程中是否发生了误码等 异常 情况 ， 光层的性能 监视 则是通过 直接测量光信号的 各项 参数来判断 系统 是否 被正确配置 以及 业务 是否 正常传送 。 对于端到端的业务 通道 来 说，电层的 性能 监视 提供了最 直接 的 传输 性能的 监控结果，但是 这个 结果却 很难 用于定位故障原 因。 在透明的 WDM 网络中，对于 没有 3R 再生 功能的 节点 ， 也 无法通过提取电层中的开销来进行监控。随着 WDM 网络中波道数量日益增多，速率越来越高，传输距离越来越长以及 ROADM 的 广泛应用 等， 这些 都可能 加重信号 损伤 ，使得 光层 性能 监视 对波分复用系统的重要性越发凸显，光层参数的监控已成为波分复用系统运行维护的重要指标。 在波分系统的接收端，对于经过长途传输后的光信号而言，相干探测技术的应用使得关键性能指标由以前的 10G/40G 时代 的 CD、 PMD、 OSNR 等变成了 100G 时代的 OSNR、 Q 因子等 ， ROADM 网络 的 部署 使 得同一个站点上下的业务 由于 可能经历了不同的传输路径 而 具有不同的 OSNR， 此时 单纯 监控 光功率已经无法满足 100G 的网络维护的需要， OSNR 监测 的重要性越发显现。由于偏振复用技术的采用，传统的 OSNR 测量技术无法 在线 监测偏振复用信号的 OSNR，需要研究新的 OSNR 在线监测方法。 另外， 在未来的高阶调制技术下， 系统传输距离可能从光功率、 OSNR 受限变成非线性效应受限， 此时 需要比 OSNR 更 能反映光层性能指标的参数 来 表征系统性能， 所以需要研究如何以经济 、 有效地方式来对 高速 波分复用系统进行监测。 在 WDM 系统的发送端，相 位调制和其他复杂的调制技术的应用，使得发送 机 的 质量指标已发生了明显的变化。传统的强度调制技术关注发送光信号的 消光比、激光器的边模抑制比等参数，而相位调制信号则可能需要考虑以 EVM 等参数来衡量发送端的光信号质量指标。基于这样的考虑，有必要展开 WDM 波分复用系统光层参数监测的研究，探讨如何为系统的性能优化和运行维护提出合适的参数监测解决方案。 2 2 缩略语 下列缩略语适用于本 文件 。 3R：电再生（ Reamplification, Resharping,Retiming） ASE: 放大器自发辐射 (Amplifier Spontaneous Emission ) BER: 比特差错率（误码率）（ Bit Error Ratio） BOL：寿命开始（ Beginning Of Life） CD: 色度色散 （ Chromatic Dispersion） DCM：色散补偿模块（ Dispersion Compensation Module） DWDM：密集波分复用（ Dense Wavelength Division Multiplexing） EDFA：掺铒光纤放大器（ Er-doped Fiber Amplifier） EFEC：增 强型前向纠错（ Enhanced Forward Error Correction） EVM: 误差矢量幅度（ Error Vector Magnitude） FEC：前向纠错（ Forward Error Correction） FWM：四波混频（ Four-Wave Mixing） ID: 通道号（ Channel Identifier） IFWM: 信道内四波混频 （ Intra-channel Four-Wave Mixing） IQ: 调制信号中的两种分量 in-phase（同相）和 quadrature（正交） IXPM: 信道 内交叉相位调制 （ Intra-channel Cross-Phase Modulation） mPSK： 多进制数字相位调制 （ multiple phase shift keying） mQAM： 多进制正交幅度调制 （ Multiple Quadrature Amplitude Modulation) MZ： 马赫曾德尔调制 （ Mach-Zehnder Modulator） NRZ： 不归零码 （ Non-return-to-zero） OADM：光分插复用器（ Optical Add-Drop Multiplexer） OOK: 二进制启闭键控 (On-Off Keying) OPM: 光 性能 监视 （ Optical Performance Monitoring） OSC： 光 监控通道（ Optical Supervisory Channel） OSNR：光信噪比（ Optical Signal Noise Ratio） OTDR: 光时域反射计 Optical Time Domain Reflector OTN：光传送网（ Optical Tranport Network） PDL: 偏振相关 损耗 （ Polarization Dependent Loss） PMD：偏振模色散（ Polarization Mode Dispersion） PM-（ D） QPSK：偏振复用（差分）正交相移键控（ Polarization Multiplexing-（ Differential） Quadrature Phase Shift Keying） P-QPSK： 四相 正交 相移键控信号 (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying) QAM： 正交振幅调制 (Quadrature Amplitude Modulation) QE： 正交误差（ Quadrature Error） QPSK： 正交相移键控（ Quadrature Phase Shift Keying） ROADM：可重构光分插复用器（ Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer） RS：里德 -所罗门（编码）（ Reed-Solomon） SBS：受激布里渊散射（ Stimulated Brillouin Scattering） SDH：同步数字体系（ Synchronous Digital Hierarchy） 3 SLA: 服务等级协议 (Service-Level Agreement) SMF: 单模光纤（ Single Mode Fiber） SRS：受激喇曼散射（ Stimulated Raman Scattering） WDM：波分复用（ Wavelength Division Multiplexing） XPolM： 交叉 偏振调制（ Cross Polarization modulation） 3 WDM 波分复用系统性能 监视 需求分析 3.1 光性能监测技术概论 传统的 SDH 网络以及 OTN 网络管理通常利用在电层上的开销来监控端到端 的连接， 性能参数的测量 在电层来测量完成。在 10G/40G 的 WDM 网络中，通常采用 OSNR 测量 、光功率 监控 等 方法 来对系统的传输性能进行监控。 随着传输 技术的快速发展， WDM 网络中单通道 速率越来越高，传输距离越来越长 ，调制技术越来越复杂 等， 信号的 非线性失真 也 越来越限制传输的距离 ， 使得 系统的 设计 开发 、工程 部署 、维护管理 都变得日益复杂。 传统的 OSNR 测试方法也无法对 偏振复用 等新型调制技术的信号 进行 测量，新的技术参数也 在 不断涌现，因此有必要深入分析 WDM 系统在相干时代的系统参数 监视 的需求并研究合适的监测技术。通过 有效 光 层参数 测量 和 监控确保 设备性能指标 设计符合要求 、 网络中的 各 通道 参数 配置 正确 、 设备运行过程中各项参数稳定可控 、保证业务能够正常传送。 对 实际 网络 运行 维护 而言，能 通过 网管中心实时收集 必要 的 光监控数据从而完成对复杂网络的管理。 光层参数监控的目的就是在光层监测系统性能，掌握系统实时运行状态，进行性能预警及告警，快速 监视 信号的异常，如缺陷、劣化和故障等，并实时采取相应的措施 。 光层监控是用来管理 SLA 的有效手段 ， 同时 也 能够降低运营成本 ， 在保证设备高度的可靠性以及快速诊断信号劣化和故障定位修复网络方面，光层监控日益凸显 出它的重要性。 在电 层 性能 监视 、 功能 监视 到系统误码的情况下，需要光层的性能 监视 技术来进一步定位故障发生的具体原因和位置。 因此 光层的 性能 监控也是对 电 层的监控技术的一项有效的补充。 不同 光层性能参数 的 测量和监控对于 设备 的不同阶段具有不同的重要性。 WDM 系统设备开发、具体 工程设计 、设备检验 和验收、 网络 运维管理等阶段 由于环境 和目的的不同 对性能 监视 的指标 要求也 有所不同 。 在 设备的设计开发阶段，可以利用复杂的测试仪表和设计手段对各项参数进行测量 ， 此时 在 可以 测量和 监控的指标上具有最大的灵活性 和 可操作性 ， 测量和监控的目的在于优 化系统设计 。 但是 系统 设计过程中，各种 光层 参数的 优化 设计上 ， 不同厂家之间可能采取不同的 性能优化 策略 。 4 在设备工程设计以及检验和验收环节， 此时 针对的是实际的网络设备， 因此 部分参数的测量和监控受设备 是否 提供相应测试点的 影响 ， 可操作性 受到一定限制， 测试仪表相对于 设备开发环节而言也受到一定限制，此时 关注的 重点 在于 确认设备 最终 性能 指标是否符合设计要求 ，特别 是发射机和接收机 相关 指标要求 。 在 网络运维管理环节 ，对于各项 衡量光信号损伤参数 的 测量和监控， 特别 是和具体 业务配置相关 并且 能 准确 反映 业务 质量 的 光层参数 的 监控和测量 具有 重 要意义， 但是 此时 需要 在经济 性 和 光层 监控和测量指标的 重要性 之间进行折衷， 选择的 监控 指标希望 既 能有效 反映 业务质量，又能 方便 实现。 传统上 部分光层 参数的测量和监控作为设备可选项提供给客户 ， 但是设备必须提供 对应 的测试接入功能 。 在实际部署网络的时候，光监控的需求会因具体网络的不同而有 所 差异。这是由于在不同的传输 系统设计中，信号损伤管理的策略也不一样 ，合适的光监控方案总是和具体的传送和控制系统设计，工程规则和损伤管理需要相关的 ， 需要 综合 技术可行性以及网络运维的需要 。这 些具体参数 的 选择及其适用的范围 将 在本 研究报告 中讨论。 不同 光性能参数的 测量和监控 对 不同速率的 波分复用系统 具有 不同 的重要 性 。 对于 直接监视 的波分系统 ，业界 已经有非常多的成熟技术来 测量系统的关键参数，比如光功率 、 OSNR、 CD、 PMD 以及 PDL 等。 随着光传送技术和网络演进的飞速发展，对于光性能参数的监测提出了新的挑战。高阶调制和相干 检测 已被广泛应用，单通道的速率已超过 100G。为了更好地利用网络资源，光网络的设计已从以前的 点到点的固定栅格逐步变成动态可重构的网状网络和灵活栅格 。这些变化使得光性能参数的监测的重要性越发增加，以确保光网络的正常操作；同时要实现 这些参数的 实时 监测也充满 了 挑战 ， 以前适用于直接 检测 系统的很多光参数的监测 技术已不再适用于相干系统的监测，比如 Nyquist WDM 系统有很紧凑的通道间隔和灵活的栅格， 从而很难使用简单的光窄带滤波器的方法去测量其通道波长和光功率 。 紧凑的通道间隔和偏振复用技术使得传统的 基于 线性外差 的 带外 OSNR 的测量方法或者偏振相关 、偏振多样性的带内OSNR 监控技术 无法应用于 100G 及以上速率的 相干系统 。在直接 检测 系统， PMD 是个非常重要的参数，它直接决定系统能否正常工作。但是 100G 相干系统的自适应数字滤波技术可以在电域 对 CD、 PMD 进行动态补偿或预补偿，从而使得 PMD 不再那么重要。基于技术和架构的重大变化，业界对相干光传输系统的光性能参数监测有着浓厚的兴趣，光性能参数的监测和后续相应的控制对于光传送系统的正常工作和维护有着极其重大的意义 。 在 100G 以及超 100G 相干系统的发送端，对于 各种 高阶 调制的信号，通常我们用发送光功率、 光信噪比 （ OSNR） 、 误差矢量幅度 （ EVM） 、 IQ 时延 （ Skew） 等参数来衡量发送 机的 光信号质量指标 。在 100G 以及超 100G 相干系统的 接收 端 ，目前通常采用接收光功率，5 纠前误码 率（ pre-FEC BER） 、 OSNR、 Q 因子等 参数来衡量经过光纤传送后的信号质量。 目前光传送网络正朝着更智能、更敏捷、按需配置、软件定制等方向发展， 长期演进方向是 SDN。光性能参数的 测量 和 监视 根据网络业务的需要， 原则上应该 根据 不同设备和不同目的 阶段 选择 合适的 技术 指标 来实施 实时监测 ，为系统的动态调整和优化提供准确的输入 ，使 网络 始终 工作在 频谱 资源利用率、 稳定性和 可操作性 以及 功耗、成本等 综合 效率最高的状态 。 3.2 端到端波分系统监测技术需求分析 在传统的 光网络中，网络节点通常被划分为端站点和中间站点。在中间站点，光信号被放大、滤 波和交换，但信号一直在光域中。在端站点，光信号被转换成电信号，数字信息被恢复。端站点通常是光网络和 客户层 网络分隔的接口。不同波长的光路被建立起来，然后在端站点被终结 。 基于直接 检测 的光网络， 光层参数的监控模块 OPM 被放置在发端站点和收端站点，提供波长、功率等信息，这样就可以使光路被 正常地 建立起来，如有必要也可以激活保护倒换。其中测量的精度要求通常与数据的速率有关 , CD 的容限与数据速率成反比，越高的数据速率，对 CD 监视 的精度要求就越高。 相干传输技术的发展改变了光参数监控的要求，在相干系统， CD/PMD 在 接收 站点用数字滤波器进行补偿 , 甚至在发送端进行预补偿 。在光放站点和接 收 站点不再 需要 使用色散补偿模块 进行 光域补偿 ；同时，相干探测技术也让光学滤波被可调谐激光器和电子滤波器所取代， 这就使灵活栅格的实现成为可能，为构建弹性光网络奠定了基础。在中间节点，只有光波长、 光 功率 和 OSNR 需要被监测，它们是决定整个系统性能的重要参数，对于建立正确有效的光路也是至关重要的，而挑战乃是如何确保这些功能可以低成本的方式被实现。在 端 站点，由于相干探测器的使用，信号的幅度、相位和偏振信息在电域都是可见的，挑战在于如何基于收到的信息 识别出不同的参数 ，通常而言，最重要的参数 就是 OSNR。 CD 不再需要被监控，由于可以在接收端的电域用固定的滤波器进行补偿，针对给定的传输距离，滤波器系数也是固定设置的。对于 PMD 而言，通常监控系统 会 确保它没有超过特定的容限最大值，自适应的滤波器 有 能力对其 正确地进行补偿。 目前业界正在研究用误差矢量幅度 EVM 来表征发送信号的质量 。考虑到告诉传输系统，非线性对传输性能的影响，业界 也在积极研究如何进行非线性效应的监测和有效的补偿 。 4 WDM 系统性能 监视 技术标准化现状 6 4.1 国内标准化进展 对于不间断业务的光层性能 监视 功能，目 前国内 WDM 系统相关的行业标准在监测参数和监测精度方面已经有了比较明确的规定。在 系统 参数方面， WDM 行业标准主要指定了总功率、单通路功率 /频率、单通路 OSNR、端到端传输时延（对于支持 OTN 帧时延开销的设备）、 CD、 PMD 等与传输性能密切相关的参数，而且要求总功率和单通路功率的 监视 精度要求不低于 1.0dB， OSNR 的测量或估算的精度应不低于 1.5dB，端到端传输时延的测量精度应不低于 0.1ms(单向 )，中心频率、 CD 和 PMD 参数的监测精度待研究。 随着光传输系统容量的持续增加，光纤通信系统的整体安 全可靠性要求也不断增加。为了进一步增强 WDM/OTN 的传输链路故障诊断能力，在一些情形下可能需要配置基于 OTDR的 监视 参数（ 用于监测 光纤链路长度、损耗及反射事件点等）来协助链路故障定位，相应的测量精度待研究。 4.2 ITU-T 标准化进展 ITU-T 有专门的标准 G.697 DWDM 系统的光监测进行光层性能监测方法、参数及精度的规范，目前 正式 发布的最新版本是 2016 年 11 月的版本。其中规范了基于 NRZ/RZ 码型的 10G 及以下速率的强度调制信号，以及基于先进调制格式，例如 DP-QPSK， 40G 和 100G速率信号的 DWDM 系统光性能监测的相关内容。主要包括光监测方法的分类、光层信号损伤对于信号性能的影响及其发生可能性、光监测参数分类、光层损伤与监测参数之间的关联关系、光层监测功能的应用以及光层安全考虑等，其中光层监测参数主要引入了总功率、单通路功率、单通路光信噪比、单通路中心波长（频率）和 Q 因子等，并对于这些参数在嵌入式监测（不包括 OSNR）、嵌入式监测（含 OSNR）、专门的监测设备等不同应用场景下的监测精度提出了相关建议。 针对 40G 和 100G 速率相位调制格式 DWDM 系统的快速部署及其带来的光层性能监测新挑战与新需求， ITU-T SG15 的 Q6 课题组从 2012 年开始进行 G.697 标准新版本的修订工作。主要修订内容包括标准适用的最高速率修改为 40Gb/s 和 100Gb/s、引入了与 40Gb/s 和100Gb/s 相关的光层信号损伤、增加了基于光噪声拍频的 OSNR 在线 监测方法、明确了 10Gb/s及以下速率 NRZ 调制和 10Gb/s 以上速率新型调制适用监测参数的差异等。此外，根据相干光通信系统的特点和需求，增加了基于 OTDR 的光纤链路监测功能和基于相干接收机 DSP 和FEC 处理的光信号质量与链路损伤 （ 例如 CD 和 DGD 等 ） 的监测功能。并且 针对双偏振复用信号的 OSNR 带内噪声监测需求，在附录 III 中增加了基于拍频噪声测量的监测方法介绍。