高速相干光传输系统链路优化方案

李 雄，刘 博，黎 偲，胡 荣

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450018； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074）

高速相干光传输系统链路优化方案

李 雄1，刘 博1，黎 偲2，胡 荣2

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450018； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074）

针对高速相干光传输系统的链路优化配置问题，提出了基于逐次优化思想的链路EDFA（掺铒光纤放大器）增益配置方案，以优化不规则链路配置条件下的系统性能和调节代价。优化目标是在系统性能达到要求或接近最优的同时，尽量降低链路中所需调节的EDFA个数，以尽可能减少或避免由于链路功率调节所引入的调节时延、瞬态效应及代价。仿真结果表明，采用该方案可实现在系统性能接近最优的同时，将链路所需调节的EDFA个数从8个减少到4个，从而有效降低了最优化方案中由于过多的EDFA调节所引入的调节代价。

相干光传输；传输性能优化；链路调节

0 引 言

目前，基于相干光接收及数字信号处理技术补偿色散和偏振模色散已成为长距离、骨干和大容量光纤传输系统的主流选择［1-2］。对高速相干光通信系统的非线性传输性能管理和优化大多基于规则跨段配置场景，即系统中每个光纤跨段的光纤类型、长度和放大器增益配置完全相同。此时每个跨段非线性作用互不相关，各跨段采用相同的最优入纤功率即可取得最优系统性能。但是，在实际部署过程中，常常出现各跨段光纤长度并不相同甚至有较大差别的情况。针对非规则链路，在每个光纤跨段完全补偿该段链路衰减的传统功率控制方案无法取得最优性能，而实现最优的传输性能则往往需要较多的跨段功率和光放大器增益调节，这将导致系统中存在较大的调节时延、瞬态效应和代价。

针对上述问题，本文提出一种不规则跨段下的跨段功率及光放大器增益配置方案，在保证系统传输性能达到预定要求的同时，尽量减少链路中所需调节的光放大器个数，以减轻或避免由于过多的链路调节而导致的代价。仿真表明，对于10跨段系统，相对于性能最优配置方案，该优化方法可将链路中所需调节的EDFA（掺铒光纤放大器）个数从8个降低到4个，而传输性能仅下降0.2 d B。该方案对实现快速的高速相干光系统设计、部署和性能在线优化具有指导意义。

1 高速相干光传输逐次优化配置算法

对于链路不规则、无色散补偿的高速相干光传输系统，如图1所示，由于链路中的色散、偏振模色散均通过接收端数字信号处理技术完全补偿，因此系统性能主要受限于链路EDFA引入的ASE（放大自发辐射）噪声和光纤非线性效应。

图1 链路跨段不规则系统示意图

针对图1所示的不规则链路传输系统，每个光纤跨段均存在最优入射功率及最优的放大器增益，其中各跨段放大器的最优增益可以表示如下：

式中，αn、Lspan，n分别为第n个光纤跨段的光纤衰减系数和光纤长度。接收端系统相应的Q因子可以参考非规则跨段条件下接收端SNR（信噪比）的级联规则计算得到［3-4］：

式中，snr（n）为每一段的SNR，其计算与该段光纤的相关参数、入纤功率和放大器的配置相关［4］。

对于不同的调制格式，如BPSK（二进制相移键控）、QPSK（正交相移键控）和16 QAM（16阶正交幅度调制）等，SNR、Q因子和BER（误码率）的关系由下式给出［5］：

式中，V表示调制阶数，erfc和erfc-1分别为误差和互补误差函数。

对于一个给定增益配置（通常为链路衰减完全补偿）的传输链路，通过公式（1）给出的最优化光纤配置可以实现系统性能的提升。但是，在最优化配置过程中，可能会发生链路EDFA调节过多导致较大的调节时延和瞬态效应等问题。因此，在保证系统性能达到要求或接近最优的同时，尽量减少系统中需要调节的EDFA个数成为高速相干光传输系统链路优化的主要目标。针对该问题，本文提出根据链路顺序从前向后逐次优化的策略，主要思路为首先计算出最优增益配置，然后按照从前向后的跨段顺序逐次计算将放大器的初始增益调整到对应的最优增益值时的传输性能，直到传输性能达到给定参考阈值完成优化计算。在优化过程中，为保证系统性能达到要求，设置Q≥Qref，其中Qref为保证光路可靠性传输所要求达到的指标。

假设光传输系统链路存在NS个跨段，在系统接收端，信号的质量参数Q受发射端入纤光功率Pin，1、各放大器的增益Gn（n=1，…，NS）、各跨段的长度Ln（n=1，…，NS）以及各放大器的噪声特性的影响。对于给定的链路，其中可调节的参量包括第一段光纤的入射功率Pin，1及每一跨段对应的放大器增益Gn。在系统优化前，存在入纤功率初始值Porig和各放大器增益初始值Gorig，n（n=1，…，NS）。在各跨段的衰减、各放大器噪声特性均确定的条件下，Q值最优（Qopt）时对应的系统参数为最优入纤功率Popt、最优增益配置Gopt，n（n=1，…，NS）。逐次优化配置算法的流程图如图2所示。

图2 逐次优化配置算法流程图

步骤1：通过管理或控制平面数据库获取光纤的链路配置，包括光路各传输跨段的传输光纤色散、衰减和非线性系数等参数，以及光纤第一跨段入射功率Pin，1、各可调放大器增益或衰减器的衰减、调节范围等信息。采用公式（3）计算出当前配置下的Q因子（Qorig），并根据Qorig设置Qref。

步骤2：在实际器件允许范围内，根据公式（1）计算出不规则链路的最优增益配置Gopt，n（n=1，…，NS）及相应的最优入射功率Popt，并根据最优化算法计算出接收端的最优传输性能Qopt。

步骤3：按链路顺序优先的方式，先将源节点入纤功率Pin，1选取为Popt，将G1设置为Gopt，1，采用公式（3）计算对应的Q1，比较Q1与Qref，若Q1＞Qref，取Q1对应调节量，优化结束，转至步骤6；否则，继续步骤4，取k=1。

步骤4：令k=k+1，将Gk设置为Gopt，k，采用公式（3）计算对应的Qk。

步骤5：比较Qk与Qref，若Qk＞Qref，优化结束，转至步骤6；否则，比较k与n，若k＜n，继续步骤4，否则，取Qk对应调节量，优化结束，转至步骤6。

步骤6：将采用该优化方法得到的调节量通过网管或控制平面发送到各功率可调单元（如EDFA或可调光衰减器），进行发射机功率或相关光放大器增益的动态调节，并将最新的配置参数保存在网管或控制平面的数据库中。

优化配置计算过程中，首先根据链路初始增益配置传输性能，设置参考阈值，然后计算传输链路的最优传输性能及对应的最优入纤功率和最优增益配置，最后通过逐次优化策略调节链路中的增益配置，直到传输性能达到参考阈值。

2 仿真验证及结果分析

根据上述方法，对链路跨段不规则的100 Gbit/s PDM-QPSK（偏分复用-QPSK）系统进行仿真。链路由10个光纤长度不同、EDFA增益不同的跨段组成。各EDFA的噪声指数均为6 dB，各跨段均由G.652标准单模光纤构成，其衰减、色散和非线性系数分别为0.2 dB/km、17 ps/（nm·km）及1.36 W/km，各跨段光纤长度如表1所示。根据非规则链路的传统增益配置方法，将各跨段EDFA的初始增益值配置为完全补偿该跨段光纤衰减所对应的增益。在理论计算中假设信道个数为80个，在仿真中将信道个数设置为17个。

表1 跨段参数配置及优化结果

采用初始增益配置、最优增益配置和逐次优化增益配置3种方法，得到的最优系统性能及EDFA增益调节分布如图3所示。

图3 Q随调节次数变化图

在逐次优化策略中将Qref设置为20 dB，由图3可以发现，相对于链路衰减完全补偿的初始增益配置方案，逐次优化方案和各跨段EDFA都调节的最佳配置方案，其Q因子提升了1.2 d B。但是，对于最优配置方案而言，为实现1.2 dB的性能提升，几乎所有的EDFA都进行了增益调节。而过多地调节站点个数造成了较大的调节时延和调节代价，在线增益调节过程中还会造成瞬态效应等性能损伤。本文所设计的逐次优化配置算法在尽可能提高并保证接收端性能要求的同时，按照从前向后的调节次序尽可能减少需要调节的EDFA个数。由图3（a）可以发现，仅对前4个EDFA进行增益优化配置后，系统Q因子就提升了1.1 d B，接近最优增益配置方案。图3（b）的系统仿真结果同样证明通过从前向后逐次调节前4个节点的EDFA增益值，系统Q因子相对于初始增益配置提升了1.1 d B，非常接近最优配置方案下的系统性能。因此逐次优化方案在显著提升系统性能、满足传输质量需求的同时，能够尽量减小链路所需调节的EDFA个数，从而有效降低实现系统性能提升所需的调节代价，具有性能提升快、调节代价低等优势。

3 结束语

随着高速相干光通信在长距、大容量、骨干光传输中的大规模应用，链路中的功率管理和增益优化配置成为实际部署过程中的重要问题。本文提出了基于逐次优化思想的链路功率及增益配置方案，旨在提升系统传输性能的同时尽量降低系统中所需调节的EDFA数量，以避免由于过多的功率调节导致的时延、瞬态效应和调节代价。仿真结果证明，使用逐次优化方法，系统传输性能在逼近最优的同时，所需调节的EDFA数量相对于最优性能方案降低了一半，为高速相干光通信系统及网络的升级规划和在线优化提供了一种经济有效的手段。

［1］ 胡毅，杨家龙.40/100 G相干光通信模块的技术分析［J］.烽火科技，2011，（6）：13-15.

［2］ Xie Chongjin，Raybon Greg，Chandrasekhar S.Comparison of RZ and NRZ formats in 112-Gbs PDMQPSK long haul coherent transmission systems［C］// OFC/NFOEC 2011.Los Angeles，CA，USA：OSA，2011：JTh A39.

［3］ Poggiolini P.The GN model of non-linear propagation in uncompensated coherent optical systems［J］.Lightwave Technol，2012，30（24）：3857-3879.

［4］ 李炜，陈宝靖，柴京，等.100 Gb/s PDM-QPSK系统传输性能评估技术研究［J］.光通信技术，2015，（4）：15-17.

［5］ Gao G，Zhang J，Wang L，et al.Influence of physical layer configuration on performance of elastic optical OFDM networks［J］.IEEE Communication Letters，2014，18（4）：672-675.

Research on the of Scheme of Link Optimization for High-Speed Coherent Optical Transmission Systems

LI Xiong1，LIU Bo1，LI Cai2，HU Rong2
（1.Information and Communication Company，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

Targeting on the link optimization configuration problem for high-speed coherent optical transmission systems，a successive optimization principle based link EDFA gain configuration scheme is proposedto optimize the system performance improvement and tuning cost in irregular link configurations.The optimization object is to reduce the number of adjusted EDFAs in the transmission link when the optimal performance is achieved.Such scheme aims to reduce or even avoid the delay，transient and costs induced by the link power adjustment.The simulation results show that the proposed scheme can reduce the number of adjusted EDFAs from 8 to 4，when the system performance is still close to the optimum value.Thus this scheme effectively reduces the tuning cost caused by frequently adjusting the EDFA gain in the optimal configuration scheme.

coherent optical transmission；transmission performance optimization；link adjustment

TN914

A

1005-8788（2016）03-0007-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.003

2015-12-09

李雄（1976-），男，四川资阳人。高级工程师，主要从事电力系统通信研究及管理工作。