CN109196796B - 光通信 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种间接确定光纤通信链路的光信噪比的方法。在测试环境中，针对特定类型的光收发器确定OSNR与预FEC BER(前向纠错误比特率)之间的关系。在该类型的收发器连接到光通信链路时，然后可以测量预FEC BER，并且从预定OSNR‑BER关系推断OSNR。然后可以使用OSNR值来选择收发器调制格式或其它传输参数。

Description

光通信
技术领域
本发明涉及光通信，并且具体涉及一种确定光通信网络的传输特性的方法。
背景技术
传统光通信网络通过发送预定时段的光脉冲例如使得脉冲表示“1”且没有脉冲表示“0”来操作。该技术使得信号能够以高达10Gb/s的数据率被发送，并且可以使用波分复用(WDM)技术来通过单光纤发送多个信号。密集WDM(DWDM)使得能够使用大约80个波长，使得单光纤潜在地可以承载Tb/s的数据。为了启用来自不同供应商的网络组件之间的兼容性，ITU已经指定在DWDM系统中使用的波长网格(参见ITU-T G.694.1)。存在于光纤中的传输现象之一是色度色散，该色度色散使得所传输脉冲分散，使得变得难以在接收器处恢复所传输的信号。色散效应可以通过将色散补偿模块(DCM)安装到网络中来减轻，但这增加网络的成本和复杂度。
相干光传输系统被认为提供用于以超过40Gb/s的速率传输数据的最佳选项。相干光传输系统与在无线系统中使用的传输系统类似。不是仅打开和关闭光发送器来生成脉冲，而是用数据信号例如在相位和振幅这两方面调制光信号。在接收器端处，利用局部激光振荡器使用相干检测来恢复所传输数据(相位和振幅分量这两者)。色散可以在接收器中电子地使用数字信号处理(DSP)来补偿。
随着数据传输速率进一步提高，例如超过100Gb/s，传输这种数据率所需的光信号无法适配到在DWDM规范中定义的波长的50GHz网格。由于灵活性和光谱效率的缘故，优选的是对于这种高数据率，网络运营商能够确定光学传输窗口的哪些区域用于传输特定信号。单个相干光信号(例如具有100Gb/s或更大的数据率的单个相干光信号)可以跨传统基于50Ghz网格的网络中的50GHz光谱窗口延伸。相比之下，灵活网格或“flexgrid”网络可以使用便于网络运营商的波长范围来传输更高速度(Tb/s)光信号。Flexgrid网络实现非常高的光谱效率，并且允许光纤基础设施的增加使用(多于基于网格的DWDM多达～50％)。在flexgrid网络中，光信道不再是单波长，而是被定义为包括一个或更多个子信道的单容量实体，该一个或更多个子信道一起形成经常被称为“超级信道”的聚合光容量，该超级信道可以贯穿光网络基础设施来配置并管理。
当前部署的光收发器(transponder)以2.5、10、40、100以及200Gbit/s的数据率操作，随着容量需求增加而很快将达到400Gbit/s和以上的速率。近年来，为了提高由光收发器生成的独立子载波的基础净码率，在先进调制格式(例如，QPSK、16-QAM、64-QAM)和可变波特率(25、33.3、50Gbaud)这两者的使用中存在重要的研究和发展。逐渐地，最新的光收发器(或光超级信道生成器)能够在直接软件控制下改变它们的调制格式和/或波特率配置，这允许光码率的快速配置。当前，凭借现有技术收发器，这在～10秒量级的时间尺度上发生，但预期因为技术变得更成熟并且在现场采用，所以这些时间尺度在不久的将来将显著降低。
对于给定容量要求，优选超级信道格式(子信道的组)取决于速率并且达到讨论中的光链路的要求。以下的表1示出了对于在不久的将来可能部署的不同调制格式和波特率可以期望的典型速率达到特性。
Figure GDA0003013120750000021
表1：调制格式特性的比较
应注意，随着数据率提高，OSNR要求急剧地提高，网络覆盖范围对应减小。
图1中的(a)至(c)示出了用于创建具有400Gbit/s容量的超级信道的三个选项的示意图。对于长距离应用，将需要图1中的(a)所描绘的4×100Gbit/s(QPSK)子信道的超级信道配置，这给出～150GHz的总光谱宽度。理想地，考虑到优化光纤容量和光谱的效率的需要，将优选使用更光谱有效的方案，诸如2×200Gbit/s(16-QAM)子信道(图1中的(b))的使用，该使用占据～75GHz的光谱宽度，但由于其有限距离(～600km)，这可能不可行。对于非常短距离应用(可能处于100-200km的量级)，那么可以使用图1中的(c)所例示的示例，该图1中的(c)例示了具有～50Ghz的光谱宽度的400Gbit/s(33.3Gbaud，在这种情况下为64-QAM)的单载波变体。对于更短距离，该单载波选项是高度吸引人的选项。
作为示例，考虑对于给定光链路可以如何配置400Gbit/s超级信道。在计算中，假定20dB的链路OSNR(LOSNR)，并且各种收发器格式(TOSNR)的OSNR要求如上述表1阐述的。在TOSNR值中包括的因子通常是背靠背收发器性能(没有传输链路)以及线性传输损害，诸如色散、PMD以及光学滤波。安全操作余裕(OOSNR)被假定为～2dB，但可以为从长期操作角度被假定为可行以确保寿命规格结束时的稳定无错操作的任意数值。操作余裕通常包括如收发器老化、光链路老化以及潜在非线性劣化的这种效应。
根据以下简单规则，我们然后可以算出对于可接受长期性能将允许哪些收发器格式：
LOSNR-(TOSNR+OOSNR)＞0 →被允许
LOSNR-(TOSNR+OOSNR)～0→余裕
LOSNR-(TOSNR+OOSNR)＜0 →不被允许
这些简单规则的输出连同来自表1的调制格式参数一起下面在表2中示出，并且演示了五个调制格式中的仅两个满足光学性能和操作期望(假定例如～19dB的链路OSNR)，并且另外调制格式具有余裕性能。
Figure GDA0003013120750000031
表2：具有用于特定链路的适用性的调制格式特性的比较
由此，可以看到我们具有多达3个不同调制格式的选择，可能为25Gbaud/100Gbit/s QPSK或50Gbaud/200Gbit/s QPSK格式二者之一，因为25Gbaud/BPSK至少光谱有效并且需要最多数量的端口/子信道。因为50Gbaud/200Gbit/s QPSK从更长期操作角度被视为余裕的，所以然后优选选择可能是25Gbaud/100Gbit/s QPSK.
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种确定光通信链路的性能的方法，该方法包括以下步骤：i)确定用于光收发器的OSNR(光信噪比)与BER(误比特率)关系；ii)将光收发器连接到光通信链路；iii)测量光通信链路的误比特率；以及iv)根据在步骤i)中确定的关系和在步骤iii)中进行的测量确定光通信链路的OSNR。
BER可以是预前向纠错(FEC)误比特率。OSNR-BER关系是从多个OSNR-BER关系确定的，这多个关系分别是针对多个收发器调制格式中的一个确定的。此外，OSNR-BER关系是从多个OSNR-BER关系确定的，这多个关系分别是针对多个收发器数据率中的一个确定的。光通信链路的误比特率可以是多个误比特率测量的平均值，其中，多个误比特率中的每个是以不同的调制格式来测量的。OSNR-BER关系可以是从多个OSNR-BER关系确定的，这多个关系分别是为同一类型的多个光收发器中的一个确定的。
该方法可以包括步骤v)：根据在步骤iv)为光通信链路确定的OSNR选择由光收发器使用的调制格式。该方法还包括步骤vi)：根据在步骤iv)中为光通信链路确定的OSNR选择一个或更多个传输参数。
根据本发明的第二方面，提供了一种设备，该设备包括光发送器和光接收器，该光发送器和光接收器在经由光通信链路连接时被配置为执行如上方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种数据载体装置，该数据载体装置包括用于执行上述方法的计算机可执行代码。
附图说明
为了可以更好地理解本发明，现在将参照附图仅用示例的方式来描述本发明的实施方式，附图中：
图1中的(a)至(c)示出了用于创建具有400Gbit/s的容量的超级信道的三个选项的示意图；
图2示出了存在于光传输信道之间的噪声窗口的图形图；
图3示出了用于光通信链路的测量设备400的示意图；
图4示出了预-FEC BER以及OSNR之间的关系的图形图；
图5示出了用于使用相同设置的两个不同收发器的预FEC BER对OSNR曲线的所测量性能的示意图；
图6示出了预FEC BER对OSNR特性的示意图；
图7示出了用于五个不同调制格式的预-FEC BER对OSNR曲线的图形图；
图8示出了两个不同调制格式可以如何用于进一步细化OSNR推导的图形图；
图9示出了所部署的光通信网络的示意图；
图10示出了配置光收发器的处理的图解表示；
图11示出了用于链路的OSNR随着时间的变化的图形表示；
图12示出了用于在200G DP-QPSK下操作的各个收发器的预-FEC BER对OSNR特性的图形图；
图13a示出了跨活动光纤链路承载的光学光谱的图形图，并且图13b示出了4个灵活速率光信道的光谱的更详细描绘；以及
图14示出了不同信号功率电平的所导出OSNR的图形图。
具体实施方式
假定用于容量需求的潜在光路已经例如使用网络规划工具找到，对于上述分析关键的是用于光链路的OSNR的可靠值(LOSNR)的导出。在相干光学系统中，诸如色度色散和PMD的线性传输效应几乎可以由光收发器中的数字信号处理(DSP)来完全补偿。因此，传输链路的OSNR是确定这些光学系统的光学性能的关键性能参数。
光传输系统的OSNR值可以通过与光信道(通常被正规化为0.1nm带宽)之间的信道间光噪声功率相比，测量信道通带中的总信号功率，使用诸如光谱分析器(OSA)的测量仪器来获得(参见EC 61280-2-9Fiber Optic Communication Subsystem Test ProceduresPart 2-9:Digital Systems Optical Signal-to-Noise Ratio Measurement for DenseWavelength-Division Multiplexed Systems)。图2示出了存在于光传输信道之间的噪声窗口的图形图。
该测量技术通常使用昂贵的专业光学设备，并且它给出用于不使用诸如ROADM滤波器的滤光器的光通信链路的真正OSNR值。在当前光网络中，ROADM(可重配置光学插分复用器)被广泛部署为用于添加和删除来自WDM网络的波长信道。随着光信号穿过网络中的ROADM，ROADM滤波器抑制光信道之间的信道间光噪声。因为噪声等级将被低估，这导致OSNR值的误释，所以以上参照图2描述的标准OSNR测量方法不给出用于具有ROADM的这种光通信链路的真实OSNR值。
为了解决基于ROADM的网络中的OSNR测量的问题，使用光偏振调零技术开发带内OSNR测量方法和仪器(参见W.Moench、J.Larikova，“Measuring the Optical Signal-to-Noise Ratio in Agile Optical Networks”，OFC/NFOEC 2007年，paper NWC1)。该技术基于以下假设：光信号被高度偏振，并且光噪声完全非偏振，使得OSNR可以从与不同偏振有关的单独测量的信号和噪声功率来导出(JH Lee等人，“A Review of the Polarization-Nulling Technique for Monitoring Optical-Signal-to-Noise Ratio in Dynamic WDMNetworks”,Journal of Lightwave Technology，2006年11月，第24卷，第11期，第4162-4171页)。因此，带内OSNR测量对于光信号用单偏振(诸如基于网格的网络中的10Gbit/s和40Gbit/s信号)来高度偏振的网络工作(M.Feres等人，“Optimisation algorithms forOSNR measurement based on polarisation nulling”,Electronics Letters,2015年6月25日，第51卷，第13期，第1007-1009页)。在无网格相干光学系统中，先进调制格式是实现100Gbit/s和以上的高速的关键，其中，总是使用双偏振，例如，100Gbit/s DP-QPSK和200Gbit/s DP-16QAM。因为光信号不再具有良好定义的单偏振，所以带内OSNR测量方法在相干光学系统中不再有效。虽然凭借相干技术，对诸如色度色散和PMD的一些系统参数的性能监测从光收发器容易地可用，但OSNR监测仍然困难且不可用。到目前为止，测量或导出用于具有ROADM的相干光学系统的OSNR仍然是一个难题。
图3示出了用于光通信链路的测量设备400的示意图。光发送器410将信号发射到测量下的光通信链路420的第一端中，并且光通信链路的第二端连接到光耦合器430的输入。光噪声440的源也连接到光耦合器430的另外输入，并且光耦合器的输出连接到光接收器450。光发送器410和光接收器450是光收发器的互补组件。光通信链路是典型光通信链路，这是由于它可以包含光纤放大器等但它必须不包括ROADM或具有类似滤光器的其它组件。光通信链路在测试或实验室环境中优选地为一定长度的光纤。可以使用网络中的光纤，但将理解，如果光纤承载实时流量，那么光噪声的增加可能导致不可接受的损失。
测量设备400用于生成用于测试下的光收发器的预FEC BER对OSNR曲线(光收发器包括光源410和接收器450)。光噪声源440的输出被控制为生成期望OSNR。然后可以针对该特定OSNR测量预FEC BER。为了生成示出预FEC BER与OSNR之间的关系的曲线，可以针对不同OSNR值重复该处理。图4示出了这种关系的图形图。
预FEC BER对OSNR对于不同收发器技术(即，调制格式、波特率和速度、以及不同供应商实施方案)将不同。对于给定供应商收发器技术，商用收发器具有一致且可靠的光学性能特性，然而，小性能变化不可避免。因此，在产生预FEC BER对OSNR曲线时，重要的是将这一点考虑在内并且使来自收发器变化的影响最小化。图5示出了用于使用相同设置(即，100Gbit/s、DP-QSK调制)的、来自同一制造商的同一模型的两个不同收发器的预FEC BER对OSNR曲线的所测量性能的图形图。可以看到，这些收发器显示一致且可靠的光学性能，它们之间仅具有小差异。例如，在3×10-6的BER下，两个曲线的对应OSNR值OSNR_1和OSNR_2具有0.4dB的差异。
为了提高OSNR推导的准确度，可以使用平均预FEC BER对OSNR曲线。在这种情况下，平均OSNR值是从多个不同曲线的OSNR值导出的平均值。在测量2个曲线的情况下：
Figure GDA0003013120750000071
通常，为了使来自同一类型的不同收发器之间的变化的影响最小化，应将多个收发器(例如，N个收发器)用于预测量和校准步骤，然后如下对于网络操作分析从独立的N个预FEC BER对OSNR曲线导出平均预FEC BER对OSNR曲线：
Figure GDA0003013120750000072
其中，OSNR_i是用于独立预FEC BER对OSNR曲线上的给定预FEC BER值的OSNR值。图6示出了预FEC BER对OSNR特性的示意图，其中，对于给定预FEC BER值，对应平均OSNR值是来自两个独立特性的OSNR值的平均值。
平均预FEC BER对OSNR曲线的准确度可以基于所测量曲线来估计：
Figure GDA0003013120750000073
Figure GDA0003013120750000081
N的选择是确定预FEC BER与OSNR之间的关系所需的OSNR估计的准确度与预测量的量之间的折衷。应理解，将需要对于来自各设备供应商的各类型的光收发器导出预FECBER-OSNR曲线。
该方法还可以包括可以支持多个调制格式(例如，QPSK、16QAM、8QAM、64QAM等)的可重配置收发器的使用。假定具有诸如40G DP-BPSK、100G DP-QPSK、200G DP-QPSK、200GDP-16QAM、400G DP-64QAM的5个不同调制格式的给定可重配置收发器技术，图7示出了用于特定收发器的五个不同调制格式的预-FEC BER对OSNR曲线的图形图。由于不同调制格式的距离对速率性能(参见G Bosco等人，“On the Performance of Nyquist-WDM TerabitSuperchannels Based on PM-BPSK,PM-QPSK,PM-8QAM or PM-16QAM Subcarriers”,Journal of Lightwave Technology，第29卷，第1期，2011年，第53-61页)，这5个调制格式覆盖不同的OSNR范围，从而扩展OSNR推导的应用性和准确度。例如，400G DP-64QAM要求比其它调制格式更高的链路OSNR来实现类似差错率，而40G DP-BPSK需要远远更低的OSNR来在给定差错率下操作。以下表3例示了不同调制格式及其可以使用的OSNR的指示范围的示例。对于一些OSNR值，仅一个调制格式适用，例如，在9-12.5dB之间和在25-30dB之间。
然而，如果OSNR为20dB，那么这可以在然后可以在基于所测量误比特率确定OSNR时使用的三个不同调制格式的OSNR范围内。还如表3所示，我们可以清楚地看到使用多个调制格式和波特率增加可以导出光信噪比的范围。应注意，该方法同样适用于使用从全部在同一链路上操作的不同单独收发器取得的预FEC BER数据，这些收发器可以以不同调制格式和波特率来操作。
调制格式 OSNR的范围(dB) 适用曲线(图7) 期望准确度(dB)
40G DP-BPSK 9-17 #1 ±0.5内
100G DP-QPSK 12.5-22 #2 ±0.5内
200G DP-QPSK 16-24 #3 ±0.5内
200G DP-16QAM 19-25 #4 ±0.5内
400G DP-64QAM 24-30 #5 ±0.5内
表3：用于OSNR推导的各种调制格式和适用范围的示例
图8示出了两个不同调制格式可以如何用于使用两个不同调制格式来进一步细化OSNR推导的图形图。光收发器可以被配置为使用两个不同调制格式，例如，100Gbit/s DP-QPSK和200Gbit/s DP-16QAM，其中，已经生成用于这两个调制格式的预FEC BER和OSNR曲线。概念可以被扩展为使用多个调制格式和预FEC OSNR曲线，从而提高OSNR推导的准确度。
给定光路，首先通过光路传输100Gbit/s DP-QPSK光信号，对于光信道获得3.66×10-6的预FEC BER。使用预FEC BER对OSNR曲线，这给出21.148dB的所估计OSNR。然后，将光信道重新配置为200Gbit/s DP-16QAM，对于光信道性能测量9.4×10-3的预FEC BER。使用图8中的用于200Gbit/s DP-16QAM的曲线，这给出20.96dB的OSNR。这些所估计OSNR值良好地达成一致。为了进一步提高OSNR估计的准确度，可以使用两个估计的平均值，即，
Figure GDA0003013120750000091
在这种情况下，这给出21.05dB的OSNR。
图9示出了所部署光通信网络的示意图，该光通信网络包括光收发器，该光收发器包括光发送器910和光接收器930，该光发送器和光接收器经由光通信链路920连接。与以上参照图3描述的光通信链路320相反，光通信链路920可能包括ROADM和将包括滤光器的其它光组件，使得不可以使用传统技术测量光通信链路920的OSNR。将理解，光发送器910和光接收器930可能位于不同城市中。
光通信链路920的性能可以通过使用收发器的默认设置对收发器通电来确定。通常，这些设置是最可能确保链路的操作的设置，例如，25Gbaud的BPSK或25Gbaud的QPSK(参见上述表1)。预FEC BER在链路操作时由收发器直接确定，由此可以对于该调制格式测量预FEC BER。收发器然后可以被重新配置为使用另外调制格式，并且可以对于该调制格式确定预FEC BER。对于将在光通信链路920上工作的所有收发器调制格式重复该处理。结果将为一个或更多个预FEC BER，并且这些预FEC BER值可以与各预FEC BER-OSNR特性一起用来确定用于光通信链路的OSNR值。如果确定多个OSNR值，那么可以以更高准确度确定平均OSNR值。
如果OSNR被确定为例如19dB，那么从表1可以看到三个不同的调制格式将适于在光通信链路上使用。这些选项例如可以连同预FEC BER测量、OSNR值以及期望余裕的细节一起经由网络管理系统来显示。收发器然后可以被配置为选择根据一个或更多个偏好使用的调制格式。
调制格式可以被选择为优化光通信链路的容量的使用。参照图10，在步骤S1000处，对于具有最高OSNR余裕的调制格式(即，最可能在链路上工作的调制格式)测量预FECBER。在步骤S1010处，选择具有次高余裕的调制格式，并且测量预FEC BER。重复步骤S1010，直到找到不在光链路上工作的调制格式。在步骤S1020处，基于在S1010中测量的一个或更多个预FEC BER和预确定的预FEC BER-OSNR特性确定OSNR。在步骤1030处，收发器选择具有在期望操作余裕极限内的最低余裕的调制格式，并且计算提供期望超级信道容量将需要的多个子信道。通常，优选配置将为具有最高光谱效率的超级信道配置，该配置是使用最小带宽来递送期望容量的配置。
将理解，经由一个或更多个预FEC BER测量进行的OSNR的确定、调制格式的选择以及超级信道配置的计算可以在光收发器(光发送器910&光接收器930)连接到光通信链路并且通电时由其自动执行。然而，在实践中，优选的是计算调制格式和超级信道信息，然后将其呈现给可以确认并且提交收发器格式的最终配置和链路操作参数的、安装收发器的团队。
如在更早章节中讨论的，期望操作余裕(OOSNR)包括如收发器老化和光链路的劣化的这种效应。随着时间的过去劣化并且逐步损害预FEC BER对OSNR曲线的收发器特性可以以具体地在光纤系统可以操作的若干年(可能大于10年)期间的某一置信度来估计。因此，我们可以期望预FEC BER对OSNR曲线的劣化可以如用图11中的虚曲线所示的来表示，在图11中，示出了在系统寿命期间的光学性能的～1dB逐渐损害的改进曲线(～0.1dB/年)。因此，我们可以非常方便地使用同一方法论来继续导出可靠OSNR测量并且导出光学系统的寿命期间的光链路的OSNR。
该方法已经用于使用包括6个跨度的标准G.652光纤的359km光纤链路的现场试验中。所用的收发器是能够使用100G DP-QPSK、200G DP-16QAM或200G DP-QPSK调制格式操作的64Gbaud灵活速率收发器。对于各个可用调制格式针对若干收发器确定预FEC BER对OSNR曲线。以下表4示出了对于200G DP-QPSK调制格式获得的数据。

Claims (10)

1.一种确定光通信链路的性能的方法，所述方法包括以下步骤：
i)确定光收发器的光信噪比OSNR-误比特率BER关系；
ii)将所述光收发器连接到光通信链路；
iii)测量所述光通信链路的所述误比特率；以及
iv)根据在步骤i)中确定的关系和在步骤iii)中进行的所述测量确定所述光通信链路的OSNR，
其中，所述OSNR-BER关系是从多个OSNR-BER关系中确定的，这多个OSNR-BER关系分别是为同一类型的多个光收发器中的一个并且针对多个收发器调制格式中的一个确定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述BER是预前向纠错FEC误比特率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述OSNR-BER关系是从多个OSNR-BER关系中确定的，这多个OSNR-BER关系分别是针对多个收发器数据率中的一个确定的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光通信链路的所述误比特率是多个误比特率测量的平均值，其中，所述多个误比特率分别是以不同的调制格式来测量的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括附加的步骤v)：根据在步骤iv)中为所述光通信链路确定的所述OSNR选择所述光收发器所使用的调制格式。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述方法还包括步骤vi)：根据在步骤iv)中为所述光通信链路确定的所述OSNR选择一个或更多个传输参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所选的传输参数是波特率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述OSNR-BER关系是在测试环境中使用光纤来确定的，确定了所述OSNR的所述光通信链路形成活动通信网络的一部分。
9.一种光通信设备，所述设备包括光发送器和光接收器，所述光发送器和所述光接收器在经由光通信链路连接时被配置为执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
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