8×10Gb/s光纤传输系统的设计与验证

刘其超，欧阳长冬，史朝翔，常建新，高 猛

（1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065；2.新普矽谷科技(北京)有限公司，北京100000）

8×10Gb/s光纤传输系统的设计与验证

刘其超1，欧阳长冬1，史朝翔1，常建新2，高 猛2

（1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065；2.新普矽谷科技(北京)有限公司，北京100000）

设计和实现了一种基于数字包封装技术的小型化、低成本、高可靠和可灵活配置的8×10G光纤传输系统，从接收灵敏度、色散代价、编码增益和传输误码率等几个方面有效验证了系统的性能。经实测，系统具有较好的传输性能。

8×10G E；FPG A；数字包封；In-band网络管理

0 引言

随着宽带、IPTV和视频等业务需求量的爆炸式增长，利用Hub-spoken传输模式的点对多点（P2MP）应用需求也日益增多，其典型拓扑结构为星形拓扑[1]。一般在点对点应用中，用光监控信道（OSC）技术来实现两个网元（NE）之间的监控管理，而对于P2MP应用，若使用OSC来进行网络管理，则需要与线路侧端口数目相当的OSC通道，这无疑大大增加了项目的开发成本和复杂度。本文提出了一种8×10G光纤传输系统方案，系统根据ITU-T G.709[2]标准，将用户侧信号透明封装为数字包封帧，其标准帧结构中有丰富的开销并提供FEC功能，使其具有完善的性能和故障监测能力，采用GCC0来承载网管信息，利用FPGA插入/提取网管信息，使得系统能够同时实现对多达8个网络节点的管理配置，在极大提高信号传输质量的同时节省波长资源，提高网络资源利用率。

1 系统概述

1.1 应用场景

本文提出了一种基于数字包封技术可灵活配置的、小型化和低成本的8×10G光纤传输系统，此系统可应用于数据中心、企业大楼、城域网及接入网等。其典型应用有三种：点到点WDM传输、城域WDM环网以及P2MP应用中的星形传输。在点到点及环形WDM应用中，使用传统的OSC来实现网络管理功能；在P2MP应用中分两种连接方式，一种终端模式，另一种为中继模式。终端模式下，此系统相当于一个HUB，上层置有路由器或交换机，线路侧与之相连的8个远端节点为用户终端设备。通过线路侧光信号接口，系统即可实现对8个用户终端设备的远程监控。在提供良好的用户数据传输质量的同时实现诸如对光模块的功率、风扇、电源和信号等方面的错误或缺失的告警以及系统配置等方面的OAM功能。中继模式下，此系统相当于一个“3R”中继设备，并且也能提供OAM功能。与终端模式不同之处在于，终端模式只能管理与线路侧相连的远程终端，而中继模式下用户侧和线路侧两边都有In-band管理信息，两边都可实现In-band管理。

1.2 系统结构

如图1所示为8×10G传输系统框图。在局端，用户侧进来的光信号经过10G光模块（SFP+）转换为电信号，然后通过SFP+模块的高速接口SFI传送到数字包封芯片封装为标准的数字包封帧。在设计中，我们选取Vitesse公司的VSC8492芯片来实现数字包封功能，它是一种双通道10G成帧芯片，可同时将两路10G信号进行封装成帧，在封装成标准OTN帧后通过长距1550nm 10G光模块从线路侧传输到客户终端设备；系统的主控芯片选用飞思卡尔公司（Freescale）的MPC8250处理器，利用其通信处理模块（CPM）中的串行通信控制器SCC1来提供以太网接口。In-band管理信息由FPGA来进行插入或提取，和用户数据一同被封装在数字包封帧中，可同时对8个通道的In-band管理信息进行处理。

图1 8×10G传输系统框图

2 关键技术

2.1 In-band管理帧定义

为实现数字包封In-band网络管理，我们定义一个in-band管理信息的帧结构，如图2所示。

帧结构定义如下：

①SFD：帧开始标识符，表示一个帧的开始；

②TYP：定义帧的封装类型；

图2 In-band管理信息的帧结构

③RES：保留字节；

④Length：净荷的长度；

⑤Payload：净荷；

⑥CRC：BIP8偶校验。

2.2 In-band管理原理

若网管人员想查看设备的工作状态或做某些配置 （包括远程设备），管理端通过以太网口RJ45与HUB端连接，并给HUB端发以太网帧。HUB主板上的CPU将请求包通过总线接口传送给FPGA，FPGA的状态机检测到这个包后逐个比特地将其插入到OTN两个字节的GCC0开销中去，FPGA中用8个双口RAM来缓存网管信息 （由于FPGA用的时钟为33.33MHZ，而VSC8492的工作时钟为41.8MHz，时钟不同步，会使管理信息溢出，造成数据丢失出错）。网管信息随业务信号一起传输到客户终端设备，客户终端设备的FPGA会不断检测接收到的OTN帧头。检测到帧头中有相应的管理配置信息时，待管理帧全部接收完后，判断管理帧的类型，若为IP封装，则FPGA给CPU一个中断，CPU即会根据OTN帧两个字节GCC0开销信息的内容去读取本地采集到的相应信息，然后再以相同的过程产生应答信号；若为高级数据链路控制（HDLC）封装，则FPGA不跟CPU交互，由FPGA直接解析命令并做相应的动作。

图3 OSNR测试框图

3 测试方案与结果分析

3.1 测试方案

图3为系统OSNR测试框图。客户侧使用短距1310nm的10G光模块，线路侧采用ITU标准规定的频率间隔为100GHz波长范围从λ1=1560.61nm到λ8= 1554.94nm 的 8个 10G光模 块， 误码 仪采 用MD1230A，速率为10GE（10.3125Gb/s）。图3中有3个掺铒光纤放大器 （EDFA），其中EDFA1为ASE噪声源。为避免噪声功率太小而无法产生误码，则使用EDFA2和可调节衰减器ATT1对其功率进行调节，ATT2则用来调节信号功率。1:1功率耦合器将信号和噪声功率耦合进入一根光纤传输，通过功率放大器EDFA3放大后在单模G.652光纤上传输80km。通过公式，我们可算出不同误码率下的光信噪比。其中，Bm为噪声等效带宽，Br为参考光带宽，Pi为第i个通路的信号功率，Ni为等效噪声带宽Bm范围内窜入的噪声功率[3]。图4为160km传输测试框图，其中-10dB衰减器用来防止功率放大器（BA）的输出功率较大而产生严重的布里渊散射效应，前置放大器（PA）用来补偿信号的功率衰减，色散补偿模块（DCM）用来补偿光信号传输过程的色散。

图4 160km传输测试框图

3.2 测试结果与分析

系统的接收灵敏度、色散代价和OSNR编码增益测试结果分别如图5～图7所示。由图5可知，通过命令行关闭线路侧FEC功能时，实测得到的线路侧接收灵敏度为-20dBm左右；而在GFEC模式下，接收灵敏度为-26dBm左右；在EFEC模式下，接收灵敏度为-29dBm左右。图6中两条曲线上的点分别对应80km标准G.652单模光纤传输、用-20dB衰减器传输的线路侧接收灵敏度，将两种方式测得的接收灵敏度相减便得到系统通过80km光纤传输的色散代价。由于在实际应用中，一般选择EFEC模式，因此本文主要关注系统在EFEC模式下的色散代价，实测系统的色散代价大概为1.347～2.489dB。从图7可看出，在误码率为10-10时，GFEC的编码增益为 3.27dB，EFEC的编码增益为8dB。从实验中观察到在EFEC模式下，误码率分别为10-10、10-11、10-12时对应的信噪比只有微小的变化。另外，在测试时间≥24h的情况下，没有一个误码出现。测试结果如表1所示。

图5 线路侧接收灵敏度测试结果

图6 色散代价测试结果

图7 OSNR测试结果

表1 8个通道的测试参数

4 结束语

本文设计并实现了一种基于数字包封技术的小型化、低成本的8×10G光纤传输系统，在不同的应用场景和拓扑结构下可根据用户需要进行灵活配置。本系统的优势为在一点对多点应用中，采用高速FPGA芯片将管理信息插入到OTN帧2个字节的GCC0开销中随业务信号在一个波长中传输，这样便可在HUB端同时实现对8个与之通信的客户终端设备的Inband管理，节省了波长资源和开发成本。另外，可灵活配置FEC的模式，极大地提高了系统的业务传输质量，并从线路侧接收灵敏度、色散代价和编码增益等几个方面进行了验证。另外用160km G.652光纤进行误码率传输测试，测试速率为10.325Gb/s，在大于24小时的测试过程中，没有误码出现，系统性能良好。

[1]ZHEN C，YINGJIN L.Hub-Spoken Major Appliance Logistics Net Work Building and Practice[C]//2013 International Conference on Computational and Information Sciences(ICCIS 2013),Shiyan,21-23 June 2013. Shiyan:IEEE,2013:383-387.

[2]ITU-T Recommendation G.709，Interface for the Optical Transport Net-works[S].2009.

[3]吕增元.积分法测试OSNR[J].甘肃科技，2013，29(17)：25-27.

Design and validation of 8×10Gb/s optical transmission system

LIU Qi-chao1，OUYANG Chang-dong1，SHI Chao-xiang1，CHANG Jian-xin2，GAO Meng2
(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China; 2.CNMP Networks Inc.(P.R.China)，Beijing 100000，China)

A low cost,small form factor,high-reliability and flexible 8×10G optical transmission system based on digital-wrapper technology is designed and implemented.The paper has verified the system performances from the receiver sensitivity,dispersion penalty,coding gain and the transmission error rate effectively,the test result show that the system has good transmission performance.

8×10GE,FPGA,digital-wrapper,in-band network management

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0023-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.007

2015-11-12。

刘其超（1990-），女，硕士生，主要从事光通信设备的研究。