CN103098388B - 光通信网络中的色散测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤网络中的色散测量系统和方法。本发明提供用于使用单个可调谐激光器发射器从发射节点向接收器节点发射在不同波长λ1和λ2上的两个连续数据突发的装置，其中每个数据突发包括唯一调幅数据序列，并且其中这两个序列被注入有固定已知延迟。通过该可调谐激光器的选择性切换来维持这两个连续数据突发之间的延迟，以使得接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟期间保持锁定。本发明的色散测量方法基于适用于快速光突发交换网络的两个波长之间的走离和比特位置检测。本方法不需要操作员、额外装备、或网络上的话务中断。

Description

光通信网络中的色散测量系统和方法

发明领域

本发明涉及光通信网络中的色散测量系统和方法。本发明尤其涉及光突发交换(OBS)网络中的色散测量系统和方法。

发明背景

在光通信系统中，激光器生成的光被用于表示数字数据比特“1”和“0”。正常地，光脉冲表示“1”，而不存在光则表示“0”。比特率即为传送这些比特的速度。光脉冲的时间宽度必须不得超过比特时间区间以避免ISI(码元间干扰)。

光纤色散是光的频谱分量由于取决于波长的折射率而以不同速度在该光纤内传播的现象。对光脉冲的影响是时间上的扩展，这可能导致超过比特率并因此导致ISI(码元间干扰)。除非色散得到妥善管理，否则色散会限制光电信系统的比特率和作用范围。

管理色散包括两个步骤。第一步是测量色散，第二步是对测得的色散量进行补偿。若光信号包括各自在不同波长上的两个脉冲，则每个脉冲将以不同速度行进。因此，在光纤末端，色散导致：

1.每个脉冲的变宽

2.由两个不同波长承载的这两个脉冲之间的相对延迟Δt

该延迟Δt(被称为“走离”)与色散和波长间距Δλ成比例：

$D\·L=\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中D是该光纤的色散系数(以ps/nm km衡量)，而L是该光纤的长度。

典型值为Δλ＝35nm，以及Δt＝50ns。因此，典型的D·L值约为1400ps/nm，对应于光纤色散系数D＝17ps/nm/km和光纤长度L＝80km。

从在光纤另一端对相对延迟Δt的测量并通过知晓该测量中采用的波长(以及由此知晓Δλ)，累积色散D·L可通过式(1)来算出。

使用走离效应作为测量色散的方法即为该技术领域中所已知的“脉冲延迟法”，诸如在被转让给Tyco Submarine Systems Inc的US5,969,806中所公开的。通过在光纤一端使用多波长发射器以及在另一端使用光电二极管和示波器，该方法测量在不同波长上发出的光脉冲之间的差分延迟。

实现此“脉冲延迟法”的一种途径是用可从单个脉冲发生器激发的激光器组。第一激光器波长被用作参考时延(给定相对群延迟为零)，并对照此参考时间来比较其他波长的传输时间(FOTP-168)。然而，该方法在所部署的通信网络上有诸多问题，即：

·需要至少两台激光器和单个脉冲发生器；

·需要专用的接收器和示波器；

·需要操作员交互以控制该过程；

·牵涉光纤断开/重接或专用的抽头和滤波器来连接该接收器

·影响先前存在的话务或拖延投入使用的时间

在Wight等人的美国专利公开号US2003/142293中公开了另一种方法以用于测量光网络中两个交换节点之间的链路的色散。所描述的该方法的实现较为复杂和困难，因为它要求额外的专用硬件并且影响网络上的话务性能。Wight需要使用四个全应答器：三个发射器和四个接收器，在测量节点之间进行双向传输。这是因为在λ1和λ2之间的切换中不能维持定时参考基准。结果是必须有一额外的波长以便首先将时钟参考基准从位置B传送至位置A，并且在位置A处用于对λ1和λ2的信号进行定时的该时钟参考基准随后需要再被传送至位置B以测量λ1和λ2信号的相位差。Wight中公开的方法还需要两个应答器之间的同步和数据通信或者需要使用第三个单独的模块来测量相位差和演算色散。

因此需要提供简单且更有效率的方案来解决在所部署和操作的光通信网络中测量色散的问题。

发明概要

根据本发明，提供了一种如在所附权利要求中陈述的在光纤网络中的色散测量方法，所述网络至少包括通过一定长度的光纤连接的第一和第二节点，该方法包括以下步骤：

(a)设置第二节点以使得单个接收器能接收至少两个不同波长λ1和λ2；

(b)使用单个可调谐激光器发射器从第一节点发射在不同波长λ1和λ2上的两个连续数据突发，其中每个数据突发包括唯一调幅数据序列，并且其中这两个序列被注入有固定已知延迟；

(c)通过该可调谐激光器的选择性切换来维持这两个连续数据突发之间的延迟，以使得接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟期间保持锁定；

(d)在第二节点处接收这两个连续数据突发；

(e)测量各自被包含在收到的数据突发之一之中的这两个唯一数据序列之间的相对延迟；以及

(f)从下列各项中的一者或更多者演算该光纤的色散：测得的相对延迟、该固定已知延迟、该光纤的长度以及这至少两个不同波长。

本发明的方法和系统只要求一个发射器和一个接收器以及节点之间的单向传输来测量色散，这为现有系统提供了更简单和更有效率的解决方案。所提议方法的核心是通过使用光突发交换网络中已安装有的装备(即上述单个发射器和单个接收器)来测量所注入的已知延迟和走离延迟(T₀+Δt)。事实上，光突发交换发射器和接收器的特定特性允许设置诸唯一序列之间的初始延迟T₀并允许以等于1个时钟周期的历时的精度(被指示为量化误差)来测量T₀+Δt。

因此，本发明的色散测量方法基于同一接收器所收到的两个连续突发之间的走离延迟和简单的比特位置检测。

本方法的优势在于不需要操作员、额外装备、或话务中断。本发明不牵涉光纤断开/重连或专用抽头和滤波器。另外，本发明允许基于就地色散测量方法的色散补偿组件的即插即用配置。

在一个实施例中，本方法还包括重复步骤(a)到(f)数次，以使得在所述诸测量期间引入的任何比特级误差被平均掉。通过重复测量足够多次，在走离(Δt)测量上引入的比特级的量化误差就可被平均掉。

在一个实施例中，演算色散的步骤使用下式：

$D\·L=\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}$

其中D是光纤的色散系数(以ps/nm km衡量)；L是光纤的长度，Δλ是波长间距以及Δt是测得的相对延迟减固定延迟。

在一个实施例中，针对跨网络中所用的光纤的频带的各种波长λ1和λ2重复测量色散的步骤，以使得可测量作为波长的函数的色散斜率。

在一个实施例中，唯一比特序列允许所发射突发中的特定字段能在具有比特级精确度(1个时钟周期)的时间里被检测到。

在一个实施例中，所述唯一比特序列在已知数目个时钟周期之后在所述第一节点处开始。在所述第二节点处测得的相对延迟可按时钟周期的数目来计算。

在一个实施例中，所述接收器节点处的时钟恢复电路在所述两个连续数据突发之间的延迟(或间隙)期间保持锁定。

在一个实施例中，本方法还包括调谐发射器节点处的激光器以发射只能被接收器节点检测到的波长的步骤。

在一个实施例中，该光突发交换光纤网络是环形网络。

在又一实施例中，提供了一种光突发交换光纤网络中的系统，所述网络包括通过光纤连接的至少两个节点，该系统包括：

用于设置第二节点以使得接收器能接收至少两个不同波长λ1和λ2的装置；

用于从第一节点发射在不同波长λ1和λ2上的两个连续数据突发的装置，其中每个数据突发包括唯一调幅数据序列，并且其中这两个序列被注入有固定已知延迟；

用于在第二节点处接收这两个连续数据突发的装置；

用于测量各自被包含在收到的数据突发之一之中的这两个唯一数据序列之间的相对延迟的装置；

用于从下列各项中的一者或更多者演算该光纤的色散的装置：测得的相对延迟、该固定已知延迟、该光纤的长度以及这至少两个不同波长。

在本发明的另一实施例中，提供了一种光突发交换光纤网络中的系统，所述网络包括通过光纤连接的发射器节点和接收器节点，该系统包括：

用于使用单个可调谐激光器发射器从该发射器节点发射不同波长上的两个连续数据突发的装置，其中每个数据突发包括唯一比特序列；

用于通过该可调谐激光器的选择性切换来维持这两个连续数据突发之间的延迟以使得该接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟期间保持锁定的装置；

用于在该接收器节点处接收这两个连续数据突发以使得在这两个突发之间维持时钟同步的装置；

用于测量两个收到的连续数据突发之间的延迟以提供相对延迟的装置；

用于测量波长值上的差以提供波长间距的装置；以及

用于从测得的相对延迟和波长间距来演算该光纤的色散的装置。

在本发明的又一实施例中，提供了一种网络中的色散测量方法，所述网络包括通过一定长度的光纤连接的至少两个节点，所述方法包括以下步骤：

(a)设置第二节点以使得接收器能接收至少两个不同波长λ1和λ2；

(b)从第一节点发射在不同波长λ1和λ2上的两个连续数据突发，其中每个数据突发包括唯一调幅数据序列，并且其中这两个序列被注入有固定已知延迟；

(c)在第二节点处接收这两个连续数据突发；

(d)测量各自被包含在收到的数据突发之一之中的所述两个唯一数据序列之间的相对延迟；

(e)从下列各项中的一者或更多者演算该光纤的色散：测得的相对延迟、该固定已知延迟、该光纤的长度以及这至少两个不同波长。

在本发明的再一实施例中，提供了一种用于光网络中的色散测量的系统，所述网络包括通过光纤连接的发射器节点和接收器节点，该系统包括：

用于使用单个可调谐激光器发射器从该发射器节点发射不同波长上的两个连续数据突发的装置，其中每个数据突发包括唯一比特序列；

用于通过该可调谐激光器的选择性切换来维持这两个连续数据突发之间的延迟以使得该接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟期间保持锁定的装置；

用于演算色散的装置。

在又一实施例中，提供了一种用于光网络中的色散测量的方法，所述网络包括通过光纤连接的发射器节点和接收器节点，该方法包括：

使用单个可调谐激光器发射器从该发射器节点发射不同波长上的两个连续数据突发，其中每个数据突发包括唯一比特序列；

通过该可调谐激光器的选择性切换来维持这两个连续数据突发之间的延迟，以使得接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟期间保持锁定；以及

从所发射突发来演算色散。

还提供了一种包括用于使计算机程序执行以上方法的程序指令的计算机程序，其可被实施在记录介质、载波信号或只读存储器上。

附图简要说明

参照附图从仅藉由示例给出的本发明实施例的以下描述将可更清楚地理解本发明，附图中：

图1解说光环形网络中的两个节点；

图2解说图1的发射器节点(A)处和接收器节点(B)处的突发头部定时；

图3是解说根据本发明的色散测量的流程图；以及

图4解说所测得的色散与特定波长上的值之间的差。

附图详细描述

现在参照附图并且首先参照图1，图1示出了包括由一定长度的光纤连接在一起的例如呈环形网络排列的至少两个节点(1和2)的光通信网络，例如光突发交换(OBS)光纤网络。在典型的光突发交换网络中，选取信道的发射波长以向某个目的地路由。发射节点1中的快速可调谐激光器(未示出)被调谐至仅能被接收节点2检测的波长。发射(Tx)节点1在皆能通过恰当的滤波而被接收器(Rx)节点2接收的恰适波长上发送两个连续突发。光突发交换网络采用具有特定特性的发射器和接收器。发射器具有能够在百纳秒量级的时间段里从一般波长λ1切换到任何其他波长λ2的可调谐激光器。接收器能够在数百纳秒的时间段里使其本地时钟与传入突发的数据同步。而且，接收器时钟保持与该数据的锁定，即使在长达几百纳秒的时间段里没有接收到数据。换言之，通过可调谐激光器的选择性切换而维持了所发射的两个连续数据突发之间的延迟(或间隙)，从而使得接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟期间保持锁定。

图2解说图1的发射器节点处和接收器节点处的突发头部定时。两个不同波长λ1和λ2上的这两个突发包含由数字3指示的唯一比特序列，它允许所发射突发中的特定字段能在具有比特级精确度的时间里被检测到，如图2中A)部分所示。若Br是比特率以及T＝1/Br是时钟周期，则这两个序列应在已知数目的时钟周期(称为N)之后开始。该序列在突发内的位置并不重要并且可以变化，只要它保持在有效载荷内，但该位置总是为发射器所先验知晓的。这样，这两个序列之间的初始延迟便是已知的，并且等于N×T，其精确度等于T。

在接收节点2处，标识出这两个突发中的这些序列并且演算它们之间以时钟周期数目计的延迟，如图2中B)部分解说的。重要的是要注意到，快速可调谐激光器能以在突发之间有在100ns量级的相对延迟来发送连续突发，该100ns量级的相对延迟的选取是有利的，如接下来概述的。由于(在λ1和λ2上)所发射突发之间的短时段(或延迟)完全落在接收器节点突发模式PLL的保持时间以内，所以接收器节点处的时钟恢复电路在这两个突发之间的延迟或间隙期间保持锁定。通过可调谐激光器的选择性切换维持了这两个连续突发之间的延迟。这确保在接收判决阈值电路中在突发与突发之间没有比特滑动，从而允许维持突发之间的相对定时。接收器处的定时器以此来计时并计数从已经接收到第一比特序列时起直至第二序列到达时的比特周期数目。

若这两个收到序列具有延迟(N+M)×T，即初始延迟N×T和由于色散导致的附加延迟M×T，其中精确度等于比特周期T，则相对延迟Δt可被演算为是这些测量之间的差并等于M×T。

将领会，不同波长的这两个突发之间的数据流在发射器处是毗连的，在接收器处在标记物(或唯一序列)的位置上有附加时间延迟，这是由于发射器中通过可调谐激光器切换的所选取测量波长之间的光纤色散。这给出了对该光路径的色散的无歧义测量而不需要对时钟参考基准差异作调零，而在使用两个发射器的情况下这样的调零将是需要的，并且隐含的数据信道连续性确保了此估计的一致性。

这些测量可在不同的时间段里重复若干次，并且取平均以增加测量精确度。

在已经测得Δt并知晓波长间距Δλ之后，光纤的累积色散D·L可使用下式来演算：

$D\·L=\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}$

其中D是光纤的色散系数(以ps/nm km衡量)；L是光纤的长度，Δλ是波长间距以及Δt是测得的相对延迟减固定延迟。

可针对跨网络中所用的光纤的频带的各种波长λ1和λ2重复色散的测量，以使得可测量作为波长的函数的色散斜率。

图3描述了解说本发明的方法的操作的流程图。节点1在λ2上发送突发，继之以在λ1上的突发。存储这两个突发中的唯一比特序列(DS)之间的以比特周期计的时差。节点2接收在λ2上的突发，继之以在λ1上的突发。测量并存储在节点2接收器处唯一比特序列之间的以比特周期计的时差。在一个实施例中，节点2通过控制面向节点1发送测得的时差。节点1随后取测量之间的差来演算走离。

在另一实施例中，发射时差是固定的并且被所有节点知晓。节点2随后可独力演算走离并将其传送给其他节点。如图3中所示，走离测量可任选地被重复多次并取平均。这改善了测量精确度，因为两个突发中的数据与RX时钟的相位对准在各测量之间变化。若测量被重复足够多次，则在走离测量上引入的比特级量化误差就可被平均掉。节点1从该平均走离来演算色散。对走离测量中的量化所致误差的降低便转化成色散测量的改善。

从图4可以看到，测量不定性的来源在于测量中所用的诸波长之一上的色散值与作为在两个测量波长λ₁和λ₂上的值之间的平均所测得的值(4)之间的差。假设该色散斜率在测量之前未知(特别是在未知光纤类型的情形中)，则在λ₂的值上将有额外的不定性。

λ₁和λ₂之间的大波长间距将得到最小的误差，因为所引入的延迟被最大化。然而，大间距将在色散斜率上引入更大的不定性。为了能够准确地测量色散斜率，在本发明的又一方面，有一最优的波长间距值。

假设在对延迟的测量中可能有或正或负的比特误差ε_T，则

将λ₂处的值与测得平均值之间的差(5)考虑在内，则D·L的测量的总误差将为

其中S₀是该光纤的色散斜率。

总误差ε_LD取决于波长间距Δλ，且可以找到该误差的最小值

$\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_{LD}}{d\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\right)}=\frac{L\·S_0}{8}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_T}{{\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\right)}^2}=0,---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\sqrt{-{\mathrm{\ϵ}}_T\frac{8}{L\·S_0}}=\sqrt{\left|{\mathrm{\ϵ}}_T\right|\frac{8}{L\·\left|S_0\right|}},---\left(5\right)$

记住ε_T和S₀可以为正或为负。

波长间距的最优值可以由式(5)给出，并且取决于走离延迟Δt的误差、光纤的色散斜率S₀以及光纤长度L。对比特周期为88.5ps且40km的标准单模光纤的估计给出最优波长间距为

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\≈\sqrt{88.5\left(ps\right)\frac{8}{40\left(km\right)\·0.2(ps/km{\mathrm{nm}}^2)}}=9.4nm---\left(6\right)$

还将认识到本发明的色散方法和系统可在不影响话务的情况下执行，因为该测量不要求附加的测试装备。唯一的要求是两个色散测量突发被调度至单个Rx。这例如可以通过在节点添加期间使用临时波长指派来达成。

本发明中的参照附图描述的实施例包括一种计算机装置和/或在计算机装置中执行的过程。然而，本发明还延及计算机程序，尤其是存储在适配成把本发明的方法付诸实践的载体之上或之中的计算机程序。该程序可以是以源代码、目标代码，或源代码与目标代码中间的代码的形式(诸如经部分编译的形式)、或适于在根据本发明的方法的实现中使用的任何其它形式。载体可包括存储介质，诸如例如CD ROM的ROM，或者例如软盘或硬盘的磁记录介质。载体可以是可经由电缆或光缆或者由无线电或其他手段传送的电或光信号。

在本说明书中，术语“包括、包含、具有和含有”或其任何变体被认为是完全可互换的并且它们应被给予尽可能最宽的解释，反之亦然。

本发明不限于本文中前述的诸实施例，而是可在构造和细节两者上有所变化。

Claims (15)

1.一种光纤网络中的色散测量方法，所述网络至少包括通过一定长度的光纤连接的第一和第二节点，所述方法包括以下步骤：

(a)设置所述第二节点以使得单个接收器能接收至少两个不同波长λ1和λ2；

(b)使用单个可调谐激光器发射器从所述第一节点发射在不同波长λ1和λ2上的两个连续数据突发，其中每个数据突发包括唯一调幅数据序列，并且其中所述两个序列被注入有固定已知延迟；

(c)通过所述可调谐激光器的选择性切换来维持所述两个连续数据突发之间的延迟，以使得在λ1和λ2上发射的数据突发之间的延迟在接收机节点突发模式PLL的保持时间以内并且接收器节点处的时钟恢复电路在所述两个突发之间的延迟期间保持锁定；

(d)在所述第二节点处接收所述两个连续数据突发；

(e)测量各自被包含在收到的数据突发之一之中的所述两个唯一数据序列之间的相对延迟；

(f)从下列各项中的一者或更多者演算所述光纤的所述色散：测得的相对延迟、所述固定已知延迟、所述光纤的长度以及所述至少两个不同波长。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤网络是光突发交换光纤网络。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括重复步骤(a)到(f)数次，以使得由于比特级精确度导致的影响所述测量的误差被平均掉。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测得的相对延迟包括所注入的固定已知延迟和走离延迟Δt。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述演算所述色散的步骤使用下式：

$D\·L=\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}$

其中D是所述光纤的色散系数，以ps/nm km衡量；L是所述光纤的长度，Δλ是λ1和λ2之间的波长间距以及Δt是所述测得的相对延迟减去所注入的固定已知延迟。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，针对跨网络中所用的所述光纤的频带的各种波长λ1和λ2重复所述测量所述色散的步骤，以使得能测量作为波长的函数的色散斜率。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，唯一的数个比特允许所发射突发中的特定字段能在具有比特级精确度的时间里被检测到。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述唯一的数个比特在已知数目的时钟周期之后在所述第一节点处开始。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述接收器节点处测得的所述相对延迟是以时钟周期的数目来计算的。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收器节点处的所述时钟恢复电路在所述两个连续数据突发之间的延迟期间保持锁定。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括调谐发射器节点处的激光器以发射只能被所述接收器节点检测到的波长的步骤。

12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光突发交换光纤网络是环形网络。

13.一种用于光网络中的色散测量的系统，所述网络包括通过光纤连接的发射器节点和接收器节点，所述系统包括：

用于使用单个可调谐激光器发射器从所述发射器节点发射不同波长上的两个连续数据突发的装置，其中每个数据突发包括唯一比特序列；

用于通过所述可调谐激光器的选择性切换来维持所述两个连续数据突发之间的延迟以使得在λ1和λ2上发射的数据突发之间的延迟在接收机节点突发模式PLL的保持时间以内并且所述接收器节点处的时钟恢复电路在所述两个突发之间的延迟期间保持锁定的装置；

用于在所述接收器节点处接收所述两个连续数据突发以使得在所述两个突发之间维持时钟同步的装置；

用于测量两个收到的连续数据突发之间的延迟以提供相对延迟的装置；

用于设置波长值上的差以提供波长间距的装置；以及

用于从测得的相对延迟和所述波长间距来演算所述光纤的所述色散的装置。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述光网络是光突发交换光纤网络。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述光突发交换光纤网络是环形网络。