CN106716874A - 用于产生光传输的传输质量估计量的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于产生用于光传输的传输质量估计量的方法，包括：‑定义局部色散值，‑定义色散增量(14)，‑沿着作为由局部色散值表征的传播介质的基本分段执行传播计算，基本分段长度对应于色散增量(14)，并且其中传入基本分段中的光信号先前受等于色散增量的整数倍的累积色散值(D1至D6)的影响，‑对于每个基本分段，确定噪声的方差，噪声表示由于基本分段中的Kerr非线性场贡献而导致的失真，‑对于每个成对的基本分段，确定成对的基本分段之间的噪声协方差，‑在数据储存库中存储包括方差和协方差的查找表。本公开还提供了一种传输质量估计量设备。

Description

用于产生光传输的传输质量估计量的方法

技术领域

本发明涉及光通信系统技术领域，特别是用于产生用于光传输的传输质量估计量(estimator)的方法和系统。

背景技术

在光网络中，光信号在经过相当长的距离之后变得较弱和失真。实际上，由于物理效应，光信号在光介质中传播时被劣化。物理劣化取决于多个因素，诸如传播的距离、光链路的特性、频率占用等。

诸如分步傅立叶方法(SSFM)等数值方法能够执行传播计算。在E.Seve等人的“Semi-Analytical Model for the Performance Estimation of 100Gb/s PDMTransmission Systems without Inline Dispersion Compensation and Mixed FiberTypes”Proc.ECOC，Th.1.D.2，London(2013)中，描述了一种半分析模型，其允许能够确定信号非线性失真率(SNR_NL)，SNR_NL是传输性能的指示符。所公开的模型特别适用于具有长的长度(例如高于100km)的光链路。

发明内容

本发明的各方面基于将完整传输链路的非线性失真表示为由光链路的不同分段独立生成的非线性失真的和这一想法。

本发明的各方面致力于由于Kerr非线性而导致的信号失真可以被建模为加性高斯噪声的观察。

本发明的各方面源于色散是影响非线性噪声的生成的主要物理现象这一想法。

本发明的各方面源自在基本光纤分段之后产生的非线性噪声的方差可以直接与输入累积色散和该分段的光纤类型相关这一想法。

本发明的各方面基于通过在存储器中存储要重新使用的预先计算的非线性失真协方差矩阵来减少传输质量估计的计算成本这一想法。

本发明的各方面基于提出对传输性能的快速估计以便使得能够开发用于传输链路优化的工程规则这一想法。该估计较合意地比通过使用SSFM和/或其它方法获得的估计更快。

根据第一目标，本发明提供了一种用于产生用于光传输的传输质量估计量的方法，该方法包括：

-定义局部色散值，

-定义与局部色散值具有相同符号的色散增量，例如超过基本分段长度，

-对于多个整数中的每个，其中整数范围从0到大于或等于0的上边界，通过传播模型和/或实验来执行传播计算，每个传播计算和/或实验处理光信号沿着基本分段的传播，其中基本分段是由局部色散值表征的传播介质，基本分段长度对应于色散增量，并且其中传入基本分段中的光信号先前受累积色散值的影响，累积色散值等于上述整数乘以色散增量再加上预定义的预补偿色散，

-对于每个基本分段，确定噪声的方差，噪声表示由于基本分段中的Kerr非线性场贡献而导致的失真，

-对于每个成对的基本分段，确定成对的基本分段间的噪声协方差，

-在数据储存库中存储查找表，查找表包括每个确定的噪声方差和每个噪声协方差，每个确定的噪声方差与相应的局部色散值和累积色散值相关联、每个噪声协方差与局部色散值和累积色散值的第一成对以及局部色散值和累积色散值的第二成对相关联。

在实施例中，该方法还包括将预补偿色散定义为光传输的最小累积色散。

根据实施例，这样的方法可以包括以下特征中的一个或多个。

存在可以采用的很多种类的传播模型。在优选实施例中，传播模型是SSFM。在实施例中，传播模型是半经验(semi-empirical)模型。在实施例中，传播模型是分析模型。

存在可以用作用于光信号的传播计算的输入数据的很多参数，这些参数在本说明书中称为光路参数。传播模型考虑沿光路的局部色散值和累积色散值。另外，可以在以下的列表中选择光路参数：网络拓扑的参数、源节点和目的地节点的参数、沿着光路的节点数、节点位置、应答器类型、光纤长度、光路长度、光纤类型、光纤模式、光纤折射率、光纤的频率占用、色散管理、调制格式、信道间隔等。

光信号的一些固有特征也可以被考虑作为用于传播计算的光路属性：复用类型、载波频率、调制格式等。此外，传播模型考虑光信号的幅度或功率。

发光器件的特征也可以被考虑作为用于传播计算的光学路径属性，并且可以在以下的列表中选择：线性调频(chirp)、发射模式、发射频率、发射光谱带宽、抖动等。

检测器的特征也可以被考虑作为用于传播计算的光路属性，并且可以在以下的列表中选择：灵敏度、光检测噪声、散粒噪声、热噪声、雪崩光电二极管固有的噪声等。

在实施例中，噪声可以表示还由于来自以下的列表的任何非线性场贡献和/或非线性场贡献的关联而导致的失真：二次谐波生成、频率混合、光学参数放大和振荡、自发参数下变频、基于SPDC的纠缠光子的来源、四波混频、拉曼散射、自发和受激拉曼散射、拉曼放大、布里渊散射和两光子吸收。

在实施例中，该方法还包括非尺寸化(non-dimensionalizing)步骤，包括：

-对于每个基本分段，确定在传播模型或实验中采用的输入功率，

-对于在确定步骤中针对基本分段确定的每个方差，将方差除以对于基本分段采用的输入功率的平方，

-对于在确定步骤中针对成对的基本分段确定的每个协方差，将协方差除以针对成对中的第一基本分段确定的输入功率以及针对成对中的第二基本分段确定的输入功率。

在实施例中，该方法还包括对于每个基本分段，确定接收器侧的信号功率，以及确定等于接收的信号除以接收器侧的信号功率的平方根的归一化信号，方差根据归一化信号来计算。

在实施例中，局部色散值与光纤相对应。

在实施例中，光纤具有在以下的列表中被选择的类型：单模光纤(Single Modefiber)、色散补偿光纤、LEAF、多光纤(multi-fiber)、多芯光纤(multicore fiber)、多模光纤(multi-mode fiber)、偏振保持光纤(polarization maintaining fiber)、光子晶体光纤(photonic-crystal fiber)、多模渐变折射率光纤(multimode graded index opticalfiber)、非零色散移位光纤(Non-Zero-Dispersion shifted Fiber)、真波降低斜率(True-Wave-Reduced Slope)、真波经典(True-Wave-Classic)、特锐光纤(Teralight)和SMF-LS。

在实施例中，查找表包括由于在基本分段中生成的Kerr非线性场贡献而导致的噪声的协方差矩阵。

在实施例中，色散增量对应于由沿着长度在100m到20km之间的光链路的分段传播的光信号累积的色散。色散增量越低，传输质量的估计越准确。色散增量越高，计算越低劣(cheaper)。由于这些特征，可以实现能够预测光网络系统的性能的传输质量估计量；特别是使用短光纤长度和/或光纤类型异质性和/或不同类型的色散管理和/或不同的放大方案。

本发明还提供了一种用于光传输的传输质量估计量设备，该设备包括：

-数据储存库，其中存储有查找表，查找表包括多个方差项σ_nn，每个方差项与相应的局部色散值和相应的累积色散值相关联地存储，累积色散值在累积色散值的集合中选择，累积色散值的集合包括预定义的色散增量乘以在0到大于或等于0的上边界的范围内的整数再加上预定义的预补偿色散，

查找表还包括多个协方差项，每个协方差项与局部色散值和累积色散值的第一成对以及局部色散值和累积色散值的第二成对相关联地存储，

-输入接口，用于接收光传输系统描述，系统描述定义多个系统分段S_k，并且对于每个系统分段S_k定义系统分段的输入功率P_k、系统分段的局部色散值和系统分段的输入累积色散，

-计算单元(114)，被配置成执行：

-对于每个系统分段S_k，在查找表中选择方差项σ_{match(k)match(k)}，使得系统分段的局部色散S_k和输入累积色散基本上匹配与方差项σ_{match(k)match(k)}相关联的局部色散值和累积色散值，

-对于该系统分段S_k和S_k′的每个成对，在查找表中选择协方差项σ_{match(k)match(k′)}，使得系统分段S_k的局部色散和输入累积色散基本上匹配与协方差项相关联的第一成对并且使得系统分段S_k′的局部色散和输入累积色散基本上匹配与协方差项相关联的第二成对，

-计算传输质量估计

其中N是光传输系统描述中的系统分段的数目，

-用于传输所计算的传输质量估计的输出接口。

本发明的各方面基于以下思想：计算传输性能的实时估计，例如在几秒或更短的时间内，以根据需要确定光再生器的数目和位置，和/或在不期望的链路故障的情况下确定网络中的替选路径和/或确定满足网络中的需求的最短路径和/或在软件定义的网络框架中的应用驱动的重新配置的网络的情况下确定新的路径。

在实施例中，查找表包括协方差矩阵。

光信号可以根据任何复用方法而被复用，例如，WDM复用和/或空间复用和/或偏振复用。

输出接口可以以各种方式实现。在实施例中，输出接口向用户以适合在网络设计中使用的格式提供用于光传输的传输质量估计量，例如，作为计算机文件或纸质打印输出。

根据第二目的，本发明还提供了一种用于确定光传输系统描述的方法，该方法包括以下步骤：

-确定光传输系统的色散图，

-将离散累积色散的集合放置到色散图上，

-定义光传输系统的多个顺序系统分段S_k，其中每个系统分段具有输入点，输入点对应于光传输系统中输入累积色散与离散累积色散的集合的累积色散相匹配的点，

-对于每个系统分段S_k，确定系统分段的输入功率P_k和系统分段的局部色散值，

-对于每个系统分段S_k，存储系统分段S_k的序列号，将与系统分段S_k的输入累积色散相关地确定的输入功率和局部色散值存储在数据储存库中。

由于这些特征，可以获得光学系统的简明描述，其仍然包含获得光学系统的传输质量的足够信息。

由于这些特征，可以获得适用于任何类型的光学系统的表示格式，这提供了传输质量估计量设备的大量使用。例如，对光网络中的两个连续节点之间的每个连接执行上文描述的方法使得可以对于这些连接中的每个连接使用传输估计量设备并且因此预见光网络内的任何连接的传输质量。

由于这些特征，可以使用传输质量估计量设备以非常快速和有效的方式来估计光传输系统的质量。

由于这些特征，可以获得任何光学系统的紧凑表示，以便在传输质量估计量中使用它。

根据实施例，这样的方法可以包括以下特征中的一个或多个。

在实施例中，集合的离散累积色散的被固定累积色散增量分开。

在实施例中，该方法还包括：

确定色散图的上边界和下边界，以及选择离散累积色散的集合以使其覆盖上边界和下边界之间的范围的95％以上。

在实施例中，离散累积色散的集合被包括在-10^-4ps/nm到10⁴ps/nm之间的累积色散范围内。

本发明还提供了利用权利要求1的方法获得的光传输描述用于确定光学系统的传输质量估计的用途，

该用途包括：

提供包括多个方差项σ_nn的查找表(∑₁)，每个方差项与相应的局部色散值和相应的累积色散值(D₁至D₆)相关联地存储，累积色散值在累积色散值的集合中选择，累积色散值的集合包括预定义的色散增量(14)乘以在0到大于或等于0的上边界的范围内的整数再加上预定义的预补偿色散，

查找表(∑₁)还包括多个协方差项，每个协方差项与局部色散值和累积色散值第一成对以及局部色散值和累积色散值第二成对相关联地存储，

-对于光传输系统的每个系统分段S_k，在查找表中选择方差项σ_{match(k)match(k)}，使得系统分段S_k的局部色散和输入累积色散基本上匹配与方差项σ_{match(k)match(k)}相关联的局部色散值和累积色散值，

-对于系统分段S_k和S_k′的每个耦合，在查找表中选择协方差项σ_{match(k)match(k′)}，使得系统分段S_k的局部色散和输入累积色散基本上匹配与协方差项相关联的第一成对并且使得系统分段S_k′的局部色散和输入累积色散基本上匹配与协方差项相关联的第二成对，

下式计算传输质量估计：

其中N是光传输系统描述中的系统分段的数目。

本发明还提供了一种包括调制数据的信息信号，其中调制数据表示光传输系统的顺序系统分段S_k，

其中每个系统分段具有输入点，输入点对应于光传输系统中输入累积色散基本上匹配离散累积色散的集合中的累积色散的点，

其中每个系统分段S_k具有输入功率P_k值、局部色散值和序列号。

本发明的各方面基于以基本上采用色散信息的紧凑格式来描述光学系统这一想法。

本发明的各方面促使观察到色散的信息可以足以获得光学系统的传输质量的精确估计。

本发明的各方面基于在光纤类型和在分段输入处的累积色散方面通过基本光纤分段(section)来表征网络这一思想。

本发明的各方面基于通过使用已经对其系数进行了预先计算的基本光纤分段来对完整网络中的连接建模这一思想，以便以快速方式并且以非常好的精度来容易地评估连接的可行性。

本发明的各方面基于将网状网络的每个光纤描述为小光纤分段的级联并且通过去除具有相同的光纤类型特性和输入累积色散特性的所有冗余光纤分段来找到用于描述完整网络的最小数据集这一思想。

附图说明

参考附图，通过示例的方式，参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。

图1是作为离源节点的距离的函数的在光链路上传播的光信号的累积色散值的示意图，该光链路包括没有线内色散补偿的光纤。

图2是包括在图1的光链路上传播的光信号的非线性噪声的方差的查找表，方差与在图1中估计的相应累积色散值相关联，查找表还包括与光链路的不同分段的累积色散值相关联的噪声的协方差。

图3是图1的光链路的分段的非线性噪声的协方差矩阵，协方差矩阵与图2的查找表相同，协方差矩阵由于图2的查找表通过选择对应于图1的光链路的连续分段的累积色散值的方差和协方差来构造。

图4是对于具有位于在光链路的两端的源节点和目的节点之间的中途的色散补偿设备的光链路，作为离源节点的距离的函数的在光链路上传播的光信号的累积色散的示意图。

图5是图2的查找表，示出了对应于图4的光链路的分段的累积色散值的方差和协方差的选择。

图6是图4的光链路的分段的非线性噪声的协方差矩阵，协方差矩阵由于图2的查找表通过选择对应于图4的光链路的连续分段的累积色散值的方差和协方差来构造。

图7是示出执行沿着光链路的光信号的传输质量的快速估计的计算的方法的流程图。

图8是可以用于计算沿着光链路的光信号的传输质量的估计的计算设备的功能图。

图9是从传输器到接收器的光链路的示例的功能图。

图10是示出由于图7的方法而计算的分段长度上的方差的数值模拟结果与由于SSFM模拟而计算的方差相比较的曲线图。

图11是具有两种类型的光纤的6节点网络的示意图。

图12示出了图11的6节点网络的两个光传输路径的色散图的离散化。

具体实施方式

在说明性示例中，WDM光网络在未补偿的光链路上每波长承载100Gb/s，即在光链路中包括的光纤跨段(span)之间没有线内色散补偿。网络必须承载多个100Gb/s的需求，100Gb/s的有效负载通过偏振复用四相相移键控PDM-QPSK波长来传输。

众所周知，对于这样的系统，损害的主要来源是放大的自发发射(ASE)噪声和由于Kerr效应而导致的失真。这两种效应可以通过加性高斯白噪声而被非常精确地建模。接收器处的总信噪比由以下公式定义：

并且非线性失真信号比由下式定义：

其中P是信号的功率，P_ASE是在参考带宽(例如对于光学SNR(OSNR)的传统定义为0.1nm)中测量的放大的自发发射(ASE)噪声的功率，P_NL是非线性失真的功率。

P_ASE取决于信号传播(travel)的距离，具体取决于所穿过的光放大器的数目及其特性。

P_NL还取决于信号传播的距离，因此取决于光链路的长度，取决于光链路的性质，因此取决于局部色散值，以及取决于所考虑的信号的光功率。

为了估计光链路的传输质量，要考虑被包括在光链路中的光纤类型。在光网络中，可以使用具有多个不同局部色散值的不同光纤类型。例如，单模光纤(SMF)具有局部色散值17ps/nm/km。相比之下，色散补偿光纤(DCF)具有负的局部色散值。

用于产生用于光传输的传输质量估计量的方法：

参考图7，现在将解释用于产生用于光传输的传输质量估计量的数值方法。

该方法产生网格网络中的所有可能连接的非线性失真方差，用于任意调制格式、色散管理和可能的光纤类型和光纤长度的异质性。所得到的非线性失真方差存储在存储器中，并且是传输质量估计量的主要分量。

该方法包括执行以下步骤：

作为前序，确定传输系统的色散图，即预测光传输中的每个点处的累积色散。色散图被用于将光传输采样到表示为S_k的分段中。对于网络的分段S_k表示为D_k的累积色散值是由在沿着光纤传播的光信号预先累积的并且在该分段S_k的输入点处测量的预色散，其中k是整数。

在步骤21中，该方法执行：确定光网络中存在的不同光纤类型F^(l)，其中对于m种不同光纤类型来说l＝1,2,...,m，并且对于不同光纤类型F^(l)中的每个光纤类型选择累积色散的固定增量ΔD^(l)，其中l＝1,2,...,m。

在步骤22中，考虑网络中的所有可能的点对点链路并且将它们分成分段S_k，其中用F_k表示的分段的光纤类型，并且在光信号沿着分段k的传播期间累积的相应色散增量是ΔD_k，其中F_k和ΔD_k在步骤21的可能的固定值F^(l)和相应的ΔD^(l)中选择。

在步骤23中，该方法执行收集对应于网络的每个分段S_k的所有成对(D_k，F_k)以及从收集中移除副本。该步骤23导致总共M个不同的成对(D_k，F_k)。

在步骤24中，该步骤是校准步骤，该方法对于每个成对(D_k，F_k)执行在分段S_k上运行SSFM非线性传播模拟。该系列M个模拟被称为校准相位步骤24。由于M个模拟是完全独立的，因此它们都可以并行运行，从而加速网络的校准步骤24。

在利用QPSK调制在分段中传播光信号的说明性情况下，对于从校准相位步骤24的M个模拟得到的每个输出信号执行以下步骤25。步骤25包括：初始相位调制的去除、非线性相移的补偿以及来自传输器侧的滤波的输入信号的去除(如果有的话)。实际上，如图9所示，滤波器94可选地放置在发射器95和光纤91之间。从M个模拟产生的输出信号中去除输入信号允许提取在该分段中传播的光信号的非线性失真域(field)。对在每个符号时间的中间采样的输入和输出信号执行去除。

在步骤26中，该方法还包括：

-构造M×M表，以下表示为Σ。表Σ包括在分段i和j中传播的光信号的非线性失真域的方差σ_ii和协方差σ_ij的计算，i和j表示对于每个不同成对D_k、F_k由k采取的值。

在步骤27中，该方法执行将查找表中的∑存储在外部存储器中以供将来使用。

每种光纤类型的色散增量ΔD^(l)计算如下：ΔD^(l)＝∫DF^(l)(z)dz，其中DF^(l)表示光纤类型F^(l)的局部色散，并且其中在长度分段dz上进行积分。

色散增量的选择对所考虑的分段的分段长度具有影响。实际上，对于具有固定局部色散值DF_k的光纤分段k，长度越长，累积色散值D_k越高。因此，对于每种光纤类型的色散增量ΔD^(l)的选择取决于可用的系统存储器、期望的准确度和要估计的网络中存在的跨度长度的多样性。短的分段产生较高的精度，但是它们需要大量的存储器和较长的计算时间。

为了说明起见，在上文描述的方法中，对具有1和0的准随机分布的比特序列执行SSFM非线性传播模拟。参考图9，描述了光链路的示例。光链路是光纤91。对光纤91执行SSFM模拟。如图9所示，在光信号到达接收器93之前，通过完全后补偿光纤92将色散恢复为零。

为了说明的目的，参考图1至图3，对由单个光链路ab组成的光网络执行这样的方法以产生查找表。查找表对于估计光链路cd的传输质量是有用的，如稍后将参照图4至图6所解释的。图1是作为光链路ab的分段1至6的函数的在光链路ab上传播的光信号的累积色散值D₁、D₂、D₃、D₄、D₅和D₆的示意图。例如，D₁是等于光链路ab的输入处的预补偿的值的负的色散值。光链路ab包括两个跨度123和456，被相同的光纤类型所表征，即沿着两个跨度的局部色散值相同。k＝1至6的每个分段k的局部色散值F_k相同。跨度123和456分别被分成3个分段1、2、3和4、5、6。跨度123和456的划分如下进行：对于光链路ab的每个分段1、2、3、4、5和6，在轴11上表示的累积色散值增加相同的色散增量14。光链路ab的分段不包括线内色散补偿。因此，表示为D_k的每个分段S_k的累积色散等于∑_iD_i。对于具有不同成对(D_k，F_k)的每个分段S_k，该方法执行SSFM模拟的运行，以作为包括累积色散和表征光链路ab的分段S_k的局部色散D_k、F_k的成对的函数。P₀表示在SSFM模拟中采用的每个分段S_k的输入处的固定功率值。

将u_NL，k表示为在由SSFM模拟计算的分段S_k的输出处的光信号的非线性失真域，然后如下计算图2中表示的矩阵Σ₁的每个系数σ_ij：σ_ij＝cov(u_NL，i，u_NL，j)/P₀ ²。

是随机变量X和Y与平均值μ_X和μ_Y的协方差，E[.]是期望值。然后将矩阵Σ₁存储在数据存储库中以供将来使用。

实际上，对于矩阵Σ₁，可以通过选择与表示光链路ab的分段S_k的成对D_k、F_k相对应的∑₁的方差和协方差σ_ij，通过包括数据储存库的传输质量估计量设备来计算光链路ab的传输性能，其中k＝1,...6。

参考图1描述的光学系统不必是真正存在的。图1被唯一地描述以便说明允许估计大量光学系统的传输质量的系数的计算方法。类似地，可以对于大量的局部色散值计算系数，以便产生能够计算大量光纤类型的系数的估计量。在特殊情况下，一种光纤类型l′的系数可以通过用F^(l)代替光纤类型F^(l′)，用累积色散代替累积色散D^(l′)，并且最终用系数代替系数σ_ij，通过已经计算的光纤类型l的系数来推导。

在实施例中，每种光纤类型的色散增量ΔD^(l)被定义为相同并且被表示为ΔD。因此，不同光纤类型的分段的长度变化并且被表示为dz^(l)。

由于通过上述方法构造的协方差矩阵具有厄米对称性，因此仅计算M*(M+1)/2项。这将确定方法的内存使用情况。考虑例如400个分段，并且假定方差和协方差项以双浮点精度(即8字节)存储，则存储器占用8*400*(400+1)/2＝641.6千字节。

该方法的复杂性通过加法N×(N+1)/2来定上界，其中N×N是对应于感兴趣的点到点光链路的子矩阵D的大小，其中M＜M。

上述方法允许同时快速计算网络中所有链路的传输性能。实际上，如步骤24中所述，模拟的数目取决于出现在网络中的分段S_k的光纤类型F_k和累积色散D_k的不同成对的数目。

该方法的优点是能够构造包括由给定调制格式的光纤类型和输入累积色散的所有可能组合生成的非线性噪声的方差和协方差的查找表，其可以用于计算任何可能的光链路的性能。与现有方法相比的总计算时间和成本增益可以通过将网络中的分段的总数除以在步骤24中找到的离散成对的数目来求解。

在实施例中，针对WDM光信号执行该方法的SSFM模拟，假定带宽的每个光信道被占用。该假定导致过度估计传输劣化。

上文描述的方法是数值方法。然而，其也可以根据相同的步骤被实现为实验方法。

上文已经描述了用于产生传输质量估计量的方法。现在，将描述传输质量估计量的利用。

为了利用传输质量估计量来估计任何光学系统(例如图4的光学系统)的传输质量，第一步骤是必要的。第一步骤在于提供对要估计的光学系统的合适的描述。

用于确定光传输系统描述的方法：

通过以下方法来实现对要估计的光学系统的合适的描述，该方法将参考图11来说明。光传输系统是光网络中的点对点光传输。例如，光传输系统被定义为网络的两个节点之间的连接。由于以下方法，可以描述光网络的任何节点之间的任何可能的连接。

用于确定光传输系统描述的方法包括几个步骤。

在第一步骤中，该方法执行确定光传输系统的色散图。色散图将累积色散绘制为沿着光通信路径的传输距离的函数。在光纤的输入端和/或输出端的色散补偿设备(如果有的话)可以产生沿着光传输系统的累积色散的突然变化。为了构造色散图，累积色散值D可以如下计算：D(z)＝∫DF(z)dz，其中DF表示局部色散值，并且z表示光信号传播的距离。可以采用合适的计算机程序来建立任何光传输系统的色散图或者至少基本上匹配这些值。该步骤通常假定局部色散在系统的所有链路中是已知的。

在第二步骤中，该方法执行将一组离散累积色散置于色散图上。离散累积色散的集合应当被包括在用于产生传输质量估计量的方法中采用的累积色散值中。优选地，集合中的两个连续离散累积色散以色散增量ΔD分离，色散增量ΔD被定义为在用于产生传输质量估计量的方法中为每个光纤类型定义的色散增量的集合ΔD^(l)中的最小色散增量，或者是该增量ΔD的整数倍。

作为说明，参考图4的光学系统，累积色散值的集合用D₁、D₂、D₃、D₄、D₅和D₆表示。

在第三步骤中，该方法执行定义光传输系统的多个顺序系统分段S_k，其中每个系统分段具有输入点，输入点对应于光传输系统中输入累积色散匹配集合中的输入累积色散的点。

在第四步骤中，该方法对于每个系统分段S_k执行确定系统分段的输入功率P_k以及必要时确定系统分段的局部色散值，

在最后一步中，该方法包括对于每个系统分段S_k，将与系统分段S_k的输入累积色散相关地确定的输入功率和局部色散值存储在数据储存库中。

还存储系统分段S_k的序列号。序列号定义了点对点光学系统中的系统分段的排序。它可以由整数表示。为了描述网状网络，系统可以被表示为点对点链路的组合。

为了说明起见，将参考图11描述简化的网络。图11是包括用A至D表示的六个节点的光网络100的示意图。链接节点A和B、B和E、B和D、D和F、A和C、C和E以及E和F的光纤具有相同的局部色散值，其等于将节点E和D链接的光纤的局部色散值的一半。沿着网络100的光纤没有执行线内色散补偿，并且在光节点中不提供色散补偿设备。所建立的光学连接是透明的。

因此，用于确定光传输系统描述的方法在光网络100的每个链路上执行第三步骤。

网络的每个光纤被分段成系统分段S_k，以便每个系统分段S_k具有离散累积离差的集合的输入累积值。

链接节点E和D的光纤的局部色散值是网络100的其它光纤的局部色散值的两倍。结果，节点E和D之间的系统分段的基本长度等于值L/2，其是网络100的其他光纤的系统分段的基本长度值L的一半。换句话说，在该特定示例中，光学系统的离散化采用关于累积色散的均匀的网格尺寸，导致关于距离的不均匀的网格尺寸。

节点A和D之间的光学连接将遵循最短路径A-B-D，其总长度为增量ΔD的10倍。节点C和F之间的光学连接将遵循最短路径C-E-F，其总长度为长度L的6倍。

例如，光路A-B-D和C-E-F没有色散管理，并且具有一个单光纤类型，即具有一个局部色散值。因此，光路A-B-D和C-E-F的分段产生具有相同局部色散和累积色散的类似的系统分段S₁至S₆。因此，存储在矩阵中对应于系统分段的累积色散值和局部色散值的系数两次可用于沿着系统分段S₁至S₆的传输质量的估计。

参考图12，表示了光路A-B-D和E-D的色散图。在由D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈、D₉和D₁₀表示的垂直轴上示出了放置在色散图上的离散累积色散的集合。距离在水平轴上表示。

正方形表示光路E-D的系统分段的输入。点表示用于光路A-B-D的系统分段S₁到S₁₀的输入。在光路A-B-D的最后系统分段的输入处的输入累积色散具有值D₁₀。光路A-D的局部色散值是光路A-B-D的局部色散值的两倍，线101的斜率是线102的斜率的两倍。

因此，存储在矩阵中对应于光路E-D的系统分段的累积色散值和局部色散值的系数与光路A-B-D的系数不相同。

对于现实的同构网络，每个光纤的长度不必是色散增量的倍数。因此，对于现实网络，每个光纤的长度被舍入到色散增量的最接近的倍数。由于这种光纤长度近似而导致的方法不准确性是可忽略的，特别是对于低色散增量值。

传输质量估计量的利用：

由于用于确定上述光传输系统描述的方法，可以以方便的格式描述任何光传输，用于由于用于产生传输质量估计量的方法而获得的传输质量估计量的利用。

参考图8，现在将描述用于光传输的这种传输质量估计量设备。该设备包括数据存储库113和如所示出的通过线116链接到数据存储库113的计算单元114。设备还包括如所示出的通过箭头117链接到计算单元114的输出接口115。在实施例中，输出接口可以连接到数据储存库、网络接口、打印机等。由于上述方法而构造的查找表Σ被存储在数据储存库113中。该设备还包括能够接收光传输系统描述并且如所示出的通过箭头119将其传输到计算单元114的输入接口118。

由于上文描述的用于确定光传输的方法，光传输系统描述被构造如下：

系统描述定义光传输系统的多个分段S_k，并且对于每个分段S_k，定义系统分段的输入功率P_k，系统分段的局部色散值F_k和系统分段S_k的输入累积色散D_k。

计算单元114被配置成对从输入接口118接收的系统描述的每个系统分段S_k执行在存储在数据储存库113中的查找表中方差项σ_{match(k)match(k)}的选择，使得系统分段k的局部色散值DF_k和输入累积色散值D_k基本上匹配与方差项σ_{match(k)match(k)}相关联的局部色散值DF_match(k)和输入累积色散值D_match(k)。

例如，如果则输入累积值D_k基本上匹配D_match(k)，其中ε＝5％。

计算单元114还被配置成对于该系统分段S_k和S_k′的每个成对执行在对查找表中选择协方差项σ_{match(k)match(k′)}，使得系统分段S_k的局部色散值DF_k和输入累积色散值D_k基本上匹配与查找表的协方差项σ_{match(k)match(k′)}相关联的第一成对S_k和S_k′并且使得系统分段S_k′的局部色散和输入累积色散基本上匹配与协方差项相关联的第二成对。

计算单元114还被配置成如下执行SNR^-1 _NL的计算，即传输质量估计：

该设备还被配置用于通过输出接口115传输所计算的传输质量估计SNR^-1 _NL。

回到查找表∑₁在图2中表示的光链路ab的示例，由计算单元114执行的匹配导致在图3上表示的协方差矩阵∑₁，其包括对应于包括两个跨度123和456的光链路的分段S_k的表征成对F_k和D_k的所有选择的方差和协方差。

由于F_k对于两个跨度123和456是相同的，并且由于在光链路ab上不包括线内色散，因此通过选择在包括第一跨度123的方差的实线框中表示的左上3×3子矩阵、在包括第二跨度456的方差的虚线框中表示的右下3×3子矩阵、以及分别在包括跨度123和跨度456之间的协方差项的点划线框和虚线框中表示的其他两个3×3子矩阵σ_C和σ_C′，通过在图2上表示的查找表∑₁来构造图3上表示的协方差矩阵∑₁。在该特定情况下，在∑₁的所使用的子矩阵之间没有交叠，而所有的元素都被使用。实际上，在该特定示例中，对于从1到6的每个k，match(k)＝k。

在实施例中，查找表是已经由块构造的协方差矩阵。实际上，对于两个协方差矩阵X和Y，可以以下面的块形式来书写X和Y的联合协方差矩阵∑_X，Y：

其中，∑_XX＝var(X)，∑_YY＝var(Y)，并且∑_XY＝∑_YX ^T＝cov(X，Y)。

例如，通过使用上述方法，已经对于第一光纤跨度123构造了第一协方差矩阵，并且对于第二光纤跨度456构造了第二协方差矩阵。查找表包括根据第一协方差矩阵σ₁₂₃和第二协方差矩阵σ₄₅₆计算的协方差矩阵∑₁。

类似地，例如，通过使用上文描述的方法，可以对于第一局部色散值构造第一协方差矩阵，并且可以对于第二色散值构造第二协方差矩阵。在该情况下，查找表包括根据第一协方差矩阵和第二协方差矩阵计算的协方差矩阵。因此，对于两种类型的光纤，查找表包括具有更多行和列的扩展矩阵

在图4至图6所示的第二说明性示例中，对于不同于光链路ab的光链路cd，从预先计算的查找表∑₁执行相同的协方差矩阵构造。与图1至图3相似的元件用相同的数字表示。光链路cd在第一跨度123的端部具有部分色散补偿，如位置13所示。在该示例中，如上表所示，由图8所示的设备执行匹配。

k	Match(k)
		1	1
2	2
		3	3
4	2
		5	3
6	4

因此，矩阵∑₁的一部分将用于构造图6所示的矩阵∑₂。如图5所示，对应于方差和协方差匹配项的子矩阵交叠。

然后，计算如下SNR^-1 _NL：

其中，P_k表示分段S_k的输入功率。

在实施例中，功率P_k如下计算：

其中P₁表示光链路AB的输入功率，α表示吸收，z_k表示分段S_k的输入的横坐标。

因此，由于如上所述构造的用于光链路ab的查找表，该设备能够提供对于尚未估计的光学系统的传输质量SNR_NL ^-1的估计，例如cd。

为了比较，通过9通道偏振复用四相相移键控PDM-QPSK信号在100km上的SSFM的数值模拟需要在具有2.67GHz的CPU和16Gb内存的服务器上运行大约15分钟。这个模拟持续时间使SSFM模拟不适合实时应用。相比之下，上述设备允许在更短的时间内执行相同的计算，例如，少于几秒钟。

上述设备快速准确地估计光网络中光链路的传输性能。在优选实施例中，分段长度被包括在100m和20km之间。

因此，上述设备能够估计具有等于分段长度的最小长度L_s，即在100m和20km之间的光链路的性能。图10是示出与利用SSFM模拟计算的方差相比，通过图7的方法计算的分段长度上的方差的数值模拟结果的图。竖直轴129表示对于-50至-35dB的范围的以dB为单位的方差，并且水平轴128表示对于从0至20km的范围的以km为单位的分段长度。圆形标记131表示用于最大长度为20km的单模光纤SMF跨度的非线性失真方差演化的示例，并且三角形标记130表示在考虑由于上文描述的方法构造的协方差矩阵的情况下的非线性方差估计的演进。跨度的累积色散固定为30000ps/nm，并且输入功率为Pin＝0dBm。当三角形标记与圆形标记匹配时，观察到极好的精度。

在上述实施例中，为了简单起见，Kerr效应被提出作为光信号的非线性损害的主要来源。由于下面列出的光学双稳态、自聚焦效应、自相位调制、孤子形成等许多原因，光学Kerr效应可以导致对光信号的损害。

可以考虑来自以下列出的很多其它可能的非线性效应：二阶非线性、二次谐波生成、频率混合、光学参数放大和振荡、自发参数下变频、基于SPDC的纠缠光子的来源、三阶非线性效应作为四波混频、拉曼散射、自发和受激拉曼散射、拉曼放大、布里渊散射、两光子吸收等。

上文中描述的计算设备可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来实现。当由处理器提供时，相应的功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独的处理器提供，其中一些可以是共享的。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当被解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，而是可以隐含地包括但不限于中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可以包括常规和/或定制的其他硬件。

上文描述的计算设备可以以单一方式或以分布式方式实现。

本发明不限于所描述的实施例。所附权利要求被解释为包含完全落入这里阐述的基本教导内的本领域技术人员可以想到的所有修改和替代结构。

动词“包括”或“包含”及其变形的使用不排除除权利要求中表述的这些之外的元件或步骤的存在。此外，在元件或步骤之前使用冠词“一个”或“一”不排除存在多个这样的元件或步骤。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于产生用于光传输的传输质量估计量的方法，所述方法包括：

-定义局部色散值，

-定义与所述局部色散值具有相同符号的色散增量(14)，

-对于多个整数中的每个整数，其中所述整数范围从0到大于或等于0的上边界，通过传播模型和/或实验来执行传播计算(24)，每个传播计算和/或实验处理光信号沿着基本分段(91)的传播，其中所述基本分段是由所述局部色散值表征的传播介质，基本分段长度对应于所述色散增量，并且其中传入所述基本分段中的所述光信号先前受累积色散值(D₁到D₆)的影响，所述累积色散值等于所述整数乘以所述色散增量再加上预定义的预补偿色散，

-对于每个基本分段，确定噪声的方差，所述噪声表示由于所述基本分段中的Kerr非线性场贡献而导致的失真，

-对于每个成对的基本分段，确定所述成对的基本分段之间的噪声协方差，

-在数据储存库中存储查找表(∑₁)，所述查找表包括每个确定的噪声方差和每个噪声协方差，所述每个确定的噪声方差与相应的局部色散值和累积色散值相关联，所述每个噪声协方差与局部色散值和累积色散值的第一成对以及局部色散值和累积色散值的第二成对相关联。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传播模型是分步傅立叶方法。

3.根据权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中所述噪声表示还由于任何非线性场贡献和/或来自以下列表的非线性场贡献的关联而导致的失真：二次谐波生成、频率混合、光参数放大和振荡、自发参数下变频、基于SPDC的纠缠光子的源、四波混频、拉曼散射、自发和受激拉曼散射、拉曼放大、布里渊散射和两光子吸收。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括非尺寸化步骤，包括：

-对于每个基本分段，确定在所述传播模式或实验中被采用的输入功率，

-对于在所述确定步骤中针对基本分段确定的每个方差，将所述方差除以对于所述基本分段采用的所述输入功率的平方，

-对于在所述确定步骤中针对成对的基本分段确定的每个协方差，将所述协方差除以针对所述成对中的第一基本分段确定的所述输入功率以及针对所述成对中的第二基本分段确定的所述输入功率。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中所述局部色散值与光纤相对应。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述光纤具有在以下列表中被选择的类型：单模光纤、色散补偿光纤、LEAF、多光纤、多芯光纤、多模光纤、偏振保持光纤、光子晶体光纤、多模渐变折射率光纤、非零色散移位光纤、真波降低斜率、真波经典、特锐光纤和SMF-LS。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的方法，其中所述查找表(∑₁)包括由于在所述基本分段中生成的Kerr非线性场贡献而导致的噪声的协方差矩阵。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的方法，其中所述色散增量与由沿着光链路的一分段传播的光信号所累积的色散相对应，所述光链路的所述一分段的长度被包括在100m到20km之间。

9.一种用于光传输的传输质量估计量设备，所述设备包括：

-数据储存库(113)，所述数据储存库(113)中存储有查找表(∑₁)，所述查找表(∑₁)包括多个方差项σ_nn，每个方差项与相应的局部色散值和相应的累积色散值(D₁到D₆)相关联地存储，所述累积色散值在累积色散值的集合中选择，所述累积色散值的集合包括预定义的色散增量(14)乘以在0到大于或等于0的上边界的范围内的整数再加上预定义的预补偿色散，

所述查找表(∑₁)还包括多个协方差项，每个协方差项与局部色散值和累积色散值的第一成对以及局部色散值和累积色散值的第二成对相关联地存储，

-输入接口(118)，用于接收光传输系统描述，所述系统描述定义多个系统分段S_k并且对于每个系统分段S_k定义所述系统分段的输入功率P_k、所述系统分段的局部色散值和所述系统分段的输入累积色散，

-计算单元(114)，被配置成执行：

-对于每个系统分段S_k，在所述查找表中选择方差项σ_{match(k)match(k)}，使得所述系统分段S_k的所述局部色散和输入累积色散基本上匹配与所述方差项σ_{match(k)match(k)}相关联的所述局部色散值和累积色散值，

-对于所述系统分段S_k和S_k′的每个成对在所述查找表中选择协方差项σ_{match(k)match(k′)}，使得所述系统分段S_k的所述局部色散和输入累积色散基本上匹配与所述协方差项相关联的所述第一成对并且使得所述系统分段S_k′的所述局部色散和输入累积色散基本上匹配与所述协方差项相关联的所述第二成对，

-计算传输质量估计

${{\mathrm{SNR}}_{NL}}^{-1}=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{P_k}^2{\mathrm{\σ}}_{match\left(k\right)match\left(k\right)}+2\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{k^{\′}=1}{\overset{k-1}{\Σ}}{P}_k{P}_k,\mathrm{Re}\[{\mathrm{\σ}}_{match\left(k\right)match\left(k^{\′}\right)}\]$

其中N是所述光传输系统描述中的系统分段的数目，

-输出接口(115)，用于传输所计算的传输质量估计。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述查找表包括协方差矩阵。