基于新型光纤的长距高速传输系统部署实践

吴 宇，康 帅，林 玲

（1.中国移动通信集团江苏有限公司 规划技术部，南京 210029； 2.中国移动通信集团设计院有限公司 有线所，北京 100080；3.烽火通信科技股份有限公司，南京 210019）

0 引 言

100Gbit／s（Gbit／s，下文中简称为 G）光传送网（Optical Transport Network，OTN）技术在长途干线传输系统中得到大规模应用后，业界各方均把目光投向超100GOTN系统，对200G／400G的研究和测试工作推进加快。从较早的软件仿真分析［1］，到实验室全面测试对比［2－4］，进入省内干线试验段［5］，再到近期的典型国家干线应用［6］，超100G 相关的基础设施及核心技术已经历各环节的考验和改进，当前正处于从现网试点走向规模商用部署的过渡阶段。

200G／400GOTN系统能够成倍增加截面容量，对于满足高速增长的业务需求具有显著优势，但高速OTN系统也存在两个短板：一是对信噪比要求高，限制了无电中继传输距离，从而导致频繁的光－电－光中继，抬升了系统整体代价，在长距离传输场景的实用性变差；二是200G／400G系统有灵活调整波道间隔以优化匹配传输通道指标的要求，而50GHz波道间隔的传统固定格栅（Fixed－Grid）光器件无法满足。如何取其长处、补足短板，是现网部署应用长距离200G／400GOTN系统的关键。

2018年9月～2019年2月，中国移动组织了现网部署新型长距离大容量OTN系统的技术试点项目（以下简称本项目），集中应用了一批OTN应用领域的前沿新技术，探索了下一代长途OTN干线传输系统中具有代表性的技术演进方向，包括新型G.654E低损耗大有效面积光纤的国家干线端到端部署、灵活格栅（Flex－Grid）光器件和拉曼光纤放大器的工程应用等，并且首次用实测数据回答了200G／400G系统在新型光纤上的性能改善度和当前无电中继传输距离等关键问题。本项目涉及北京、天津、河北、山东、安徽和江苏等省市，线路最长距离约1 539km，在江苏南京和徐州各设置一个远端光 终 端 复 用 （Optical Terminal Multiplexer，OTM）站，本文将结合全程测试结果数据，对上述问题进行解析并提出相关策略建议。

1 需求分析及本项目关键点

1.1 长途干线传输系统需求特性分析

在运营实践中，长途干线传输系统的需求特性排序为：首先是大容量低成本；其次是高可靠低时延；再次是灵活性。在满足前两者的前提下，可以通过提前精心测算并规划电路局向和带宽预留来部分满足灵活性的需求。具体需求及演进方向如图1所示。

图1 长途干线传输系统需求特性及近期技术演进方向示意图

实际运营管理中，因系统整体管理稳定和维护界面清晰的要求，长途干线传输系统对灵活性的需求比城域网低，通常仅要求电路局向灵活可调和带宽可按需分配，现阶段对动态快速建立拆除电路的要求并不高（除特定的高等级集团客户专网系统之外）。

1.2 测试验证的关键点

根据上述针对需求特性的分析，我们梳理了近期长途干线传输系统技术演进路径，并选取其中的关键技术点在本项目中进行测试验证，表1所示为演进路径及近期关键点。

表1 演进路径及近期关键点

根据上述思路，项目中主要完成了以下各项测试验证工作：

（1）全程应用新型G.654E纤芯，实测了现网部署的G.654E光纤损耗和熔接损耗情况。同时，借助同路由和同缆的G.652D纤芯，比较了在完全相同的环境条件和系统组网条件下，G.654E光纤承载指标相比G.652D光纤的优势。

（2）测试路径基于现网真实环境，长度超出国内典型段落要求，测试验证了系统能力上限，给出可信的无电中继传输距离数据。其中少量长距离段落应用了拉曼／掺铒光纤放大器组合放大器。

（3）测试组网采用支持Flex－Grid的 WSS器件，不仅满足过路波长的低插损要求，还验证了多种速率波道共存。

（4）测试4种典型的线路侧板卡，涵盖长途干线传输系统当前热点技术，并比较其单位能效。

（5）验证长途链路的端到端在线监测能力，并与仪表监测结果比对。

2 组网概况

2.1 系统结构

2018年3月～8月完成了OTN系统搭建，包含远端OTM 站6个、光放大器（Optical Amplifier，OA）站17个；于2018年9月～2019年2月在该组网环境中完成了指标测试。图2所示为测试系统结构示意图。

图2 测试系统结构示意图

2.2 测试环境

图3所示为测试环境示意图。

图3 测试环境示意图

因本项目光层采用WSS器件，因此在OTM站C和D处，测试波道采用经WSS直通的方式，未采用传统的合分波器背靠背连接方式。具体测试波道及其路径情况如表2所示。

表2 测试波道和测试路径情况

本项目中有多个主流OTN厂商设备参与，各厂商分别独立组建全程系统，但均采用现网已规模部署的主流设备型号，其中烽火通信提供了Fonst6000系列产品参测。

3 测试验证结果分析

3.1 G.654E光纤承载性能

同等条件下，G.654E光纤相对G.652D光纤的性能指标存在明显优势，表3所示为两种光纤承载性能比较。

系统要求OSNR指标余量应≥5dB、Q值指标余量应≥3dB（表中用 和 分别标出了指标余量满足和不满足系统要求）。

表3 G.654E与G.652D光纤承载性能比较表

由表可知，对于长距200G波道，G.654E光纤的承载性能指标提升最为明显。对于现网已大规模部署的100G波道，改用G.654E光纤后性能提升幅度有限，必要性不大。对于短距400G波道，因线路噪声累积不明显，改用G.654E光纤后改善幅度不及200G波道，但仍能改善通道的指标余量，对提高通道运行的可靠性有利。另一方面，单载波200G（16QAM）仍不能很好地满足1 000km的无电中继传输距离要求，为此，补充测试了该波道的实际传输能力，表4所示为f2波道补测情况。

表4 f2波道补测情况

3.2 G.654E光纤自身参数

对本项目中使用的光纤进行实测，表5所示为两种光纤自身参数比较。

表5 两种光纤自身参数比较

G.654E光纤自身具备低衰减系数优势，实测平均性能优势约为0.017dB／km。但在长途干线传输系统工程应用中真正起作用的不是纤芯自身衰耗，而是链路衰耗指标，它将会受到光缆敷设质量、熔接接头质量和尾纤匹配等多种因素的影响，如果这些环节质量控制不佳，将导致最终落地的优势减弱。其中，影响最大的是熔接接头质量，由于G.654E与G.652D纤芯之间的有效面积差异大，其互熔损耗常常会超过0.15dB／个［7］，显著超出了陆地干线光缆接续要求（平均接续损耗＜0.04dB、最大值不超过0.08dB）［8］，这样的互熔接头直接抵消了 G.654E自身的低衰减系数优势。G.654E光纤的大有效面积优势，可减轻光纤非线性效应的影响，降低了OSNR代价，本项目中实测可提高入纤功率约1dB。

因此，低衰减和大有效面积这两方面的优势相结合［9］，将点滴的优势经过长距离的光信号传输积累，汇集并显现出来，最终形成了本文前一小节中的G.654E光纤承载性能优势。当前，基于光纤放大器的2R 技术（Reshaping and Re－amplification，对劣化的光信号进行再整形和再放大）并不能完善地解决脉冲重新整形的问题［10］，所以，单载波400G光信号尚无法长距离直接传输，G.654E光纤承载400 G波道的性能优势还不明显。未来，更苛刻的传输性能需求将使得G.654E光纤的使用成为一种趋势［11］，随着设备技术的进步，其优势将会逐步显现。

3.3 线路侧板卡单位功耗

近年来高速传输系统的能耗随容量快速增长，已开始接近单机架散热能力的上限，个别干线节点已在机房中形成局部热岛。因此，一方面仍需继续努力提升核心传输机房的单架散热容限；另一方面作为OTN系统中能耗占比较高的线路侧板卡，无论采用何种新技术，均应做到单位功耗的持平或下降，以免很快触及散热瓶颈。图4所示为各型线路侧板卡单位功耗测试结果比较示意图。

图4 各型线路侧板卡单位功耗测试结果比较示意图

由图可知，采用高速率波道在线路侧板卡单位功耗方面相比已成熟稳定的100G波道仍有一定优势，但目前优势尚不明显。而高速率波道提升了对设备槽位和交叉容量的利用效率（端口速率提升、槽位占用减少），因此，折算成单条10G电路估算功耗之后则优势更为突出，这一点同时也表明了进行综合折算功耗比较而非仅仅线路侧单位功耗比较的意义。

3.4 线路时延指标及在线测量

对时延测量的结果表明，现有技术手段已经可以对线路时延进行相当精确的在线测量，长距离测量的误差在0.5%以内。同时，线路时延测量结果接近理论值，表明了全程无电中继的OTN电路更适于承载时延敏感型业务。表6所示为线路时延指标测试结果。

表6 线路时延指标测试结果

3.5 在线OTDR监测

OTN系统内置OTDR监测功能已经可以对线路长度进行相当精确的在线测量，误差在0.04%以内。段落衰耗测量结果仍有4%以内的误差，尚需继续改进。以其中某跨段部分光纤测试结果为例，如表7所示。

表7 在线OTRD测试结果

以上测试结果数据中包含了活动接头、熔接接头和尾纤等衰耗，且实际选用的尾纤长度有差异，引入一定误差，因此，并不作为两种类型光纤的链路衰耗测试数据比对来使用。

4 存在的问题及后续技术引入

4.1 线路技术

纤芯选择和光缆：低衰减和大有效面积这两方面的优势相结合，使G.654E光纤成为面向400G／500G／1Tbit／s超高速传输技术的首选光纤，但当前存在的问题是G.654E与G.652互熔的衰耗较高，且自熔操作要求略有差异（熔接G.654E时要求增加预熔及放电时间）。面向5G部署后的流量持续增长，建议长途干线传输系统新敷设光缆或存量线路整体改造项目均应尽快转向G.654E。为减轻维护管理和故障抢修难度，新建光缆段落不建议选用G.654E＋G.652D混合光缆产品。

工程应用要求：实际工程应用中建议不在一个光放段内出现G.654E和G.652的接续混用，应采用与G.654E线路光纤相匹配的跳纤和尾纤，以保障全程维护的一致性。

熔接施工要求：首先，需树立G.654E熔接质量关乎工程性价比指标的观念；其次，需要加强G.654E光纤熔接培训，切实要求操作人员掌握G.654E光纤的熔接要点；再次，需注意熔接机显示的接头衰耗仅为估算参考值，需要采用OTDR进行双向接头衰耗测试取均值才能作为验收指标，从而严格熔接质量管理。建议要求G.654E光缆工程验收阶段的链路平均衰耗指标应优于G.652约0.02dB／km（含接头），以便充分体现技术优势，凸显项目性价比，并为后续高速系统加载做好准备。

4.2 设备技术

单载波200G（16QAM）可作为近期优选：该技术当前存在的主要问题是仍无法满足1 000km无电中继要求，但在无电中继距离和频谱利用效率上已取得了较好的平衡，基于G.652光纤的实用无电中继传输距离超过600km，可在中国现有约84%的光复用段部署［12］。基于G.654E光纤的实用无电中继传输距离可扩展至750km以上，可在约95%以上光复用段部署。同时，其波道间隔为50GHz，现有光层器件即可支撑其部署要求，无需更新为Flex－Grid器件，对系统改造的要求低。建议后续长途干线传输系统大流量截面的扩容波道应优选该技术。

单载波400G（16QAM）近期成熟度仍有待提高：该技术基于G.652光纤的实用无电中继距离当前仅约100km，仍难以满足长途干线传输系统的需要。基于G.654E光纤并结合应用拉曼光纤放大器提升其传输性能之后，实用无电中继距离仍难以超过150km，暂无法进行大规模的商用部署，仅适用于少量数据中心互联场景。同时，该技术与现有的Fixed－Grid器件并不兼容，不适合从现有光层系统直接升级，应优选新建系统部署。

现阶段可做好向单载波400G演进的技术准备：新建长途干线传输系统时，建议优选Flex－Grid光层器件，以利系统后续向更高波道速率平滑演进。考虑各种载波速率将会长期混传共存［13］，分别适用不同的传输距离／容量组合场景，Flex－Grid器件的额外成本将在后续波道配置组合的灵活性方面得到补偿，且基于Flex－Grid构建的网络生命周期会更长［14］。

针对骨干路由器400G端口互联需求，逐步在短距段落应用单载波400G（16QAM）技术，并结合使用G.654E光纤和拉曼光纤放大器进一步提升其在长跨段的传输性能，待无电中继传输距离达到600km后，推进规模商用部署。

规模引入在线监测技术：考虑时延和OTDR等在线监测功能对系统维护和业务质量跟踪均具备显著效用，建议作为必备功能引入。

5 结束语

经过本项目的现网部署实践，验证了在长途干线OTN传输系统中引入各项新技术并组合应用，显现其应用价值并改善系统指标，相关关键技术将成为下一阶段系统演进的重要和优先选择。基于实测数据，我们提出了下一阶段系统构建的技术选择建议。未来，随着单载波速率和系统总容量的进一步提升，长途干线系统的灵活调度功能将逐步转向通过光交叉、光背板和支路上下波长选择器来提供［15］，但本文中涉及的长距离和大容量线路侧组网关键技术，仍将是新型系统中不可或缺的组成部分。