CN110048770B - 一种基于roadm网络的带内光信噪比监测方法及模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法及模块，该监测方法包括以下步骤：获取相同信道间距下多个WSS设备的不同端口和不同信道的滤波器实际形状，利用误差函数模型拟合所述WSS的通带光学滤波器实际形状，获取可以决定通带光学滤波器的关键参数孔径带宽B、设备的光学传递函数带宽BW_OTF和中心波长的漂移CF_s，通过联合概率密度函数获得数学期望值，利用所述数学期望值，拟合得到WSS的通带光学滤波器拟合形状并作为通带光学滤波器的实际形状，在OPM监测模块中计算得到OSNR。本发明可以有效解决在ROADM网络中经历多个WSS后，监测结果失效或不准确，以及成本过高的问题。

Description

一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法及模块

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法及模块。

背景技术

光信噪比(OSNR)是光信号的最基本的参数之一，其与终端的误码率(BER)直接相关，且不受限于信号的速率和调制格式，特别适用于动态的可重构的光网络(ROADM)，因此在光网络性能监测中对光信噪比的监测必不可少。

对于传统点对点的10G系统，使用的OSNR监测方法是带外测试方法，该方法通过测试信道间噪声等效为信道内噪声从而计算出OSNR。目前大多数厂商均以此法作为标准测试方法。随着频谱利用率越来越高、密集波分复用装置中可重置光分插复用器等器件的引入以及不同信道的信号经过的路由和滤波器的不同，导致噪声频谱不再平坦，信道间噪声功率不再能代表真实的噪声功率，因此，传统的带外OSNR监测方法不再适用于当前先进的光网络装置。所以针对高速的光纤通信系统，有必要研究相关的带内OSNR监测方式。

目前，带内OSNR监测方法有很多，大体可以分为两大类：

(1)第一类带内OSNR监测方法，需要依赖于额外的光电学器件，该方法适合高速光纤通信系统的中间节点的监测，相对于来说比较简单，应用也比较广泛，具有一定的成本效益。但是，该方法中所使用到的一些光电学器件，对偏振复用(PM)信号无效，另一些光电学器件，则可能对色散(CD)、偏振模色散(PMD)、级联滤波效应(CFE)和非线性效应(NLE)敏感，从而使监测结果失效。

(2)第二类带内OSNR监测方法是基于数字相干接收机实现的，可以集成在数字相干的接收机的数字信号处理(DSP)单元中，该方法由于采用了先进的DSP算法，可以对CD、PMD和NLE具有鲁棒性，但是只能在相干接收机处监测OSNR，如果在整个网络中广泛部署此类OSNR监视器(包括中间节点)，将过于昂贵且不切实际。

除了以上几点，上述方法都没有考虑到ROADM网络中，由于经历多个波长选择开关(WSS)后引起的级联滤波效应，也没考虑到由于制造公差、温度漂移或者设备老化等问题引起通带滤波器形状的差异对OSNR监测造成的影响，因而监测结果的准确性较差。

有鉴于此，需要对现有的带内OSNR监测方法进行改进，以有效解决在ROADM网络中经历多个WSS后，监测结果失效或不准确，以及成本过高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：由于制造公差、温度漂移或者设备老化等因素，ROADM网络中每个WSS的通带光学滤波器形状会有略微差异，从而影响OSNR监测的准确度，或者成本过高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，包括以下步骤：

步骤110：选取与ROADM网络中相同的WSS设备，获取相同信道间距下多个WSS设备的不同端口、不同信道的滤波器实际形状；

步骤120：利用误差函数模型拟合所述通带光学滤波器实际形状，获得可以决定通带光学滤波器的多组关键参数，每组所述关键参数包括：孔径带宽B、设备的光学传递函数带宽BW_OTF和中心波长的漂移CF_s；

步骤130：通过联合概率密度函数，计算得到每组所述关键参数的数学期望值；

步骤140：再次通过所述误差函数模型，利用每组所述数学期望值，拟合得到每个WSS设备的通带光学滤波器拟合形状；

步骤150：在OPM监测模块中，利用所述拟合得到WSS设备的通带光学滤波器拟合形状计算得到OSNR。

在上述一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法中，

在所述步骤120中，所述误差函数模型为：

其中：

表示误差函数，σ表示高斯光学传递函数的标准方差。

在上述一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法中，

在所述步骤150中，利用以下公式计算OSNR：

P_n1＝NP_ASE

其中：

γ为校准参数，可以由光谱仪得到的参考OSNR进行一次校准获得；

P_s1，P_s2，P_s3为电功率计的测量值中的信号功率；

P_n1，P_n2，P_n3为电功率计的测量值中的噪声功率；

系数R₁和R₂分别为将监测模块放在发射机端口时，两次调整可调谐激光器频率后，可调谐激光器频率等于输入信号光的中心频率时的功率比值；

α和β为WSS设备的通带光学滤波器拟合形状对应的两次调整可调谐激光器频率处的插入损耗；

权重系数α^N和β^N为为α和β的N次幂。

本发明还提供了一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块，包括：

可调谐激光器：用于与输入信号光干涉，通过改变可调谐激光器波长，实现在平衡接收机接收后得到不同的基带谱；

3dB耦合器：用于实现输入信号光与可调谐激光器发出的本振光相干；

电低通滤波器：用于对基带信号进行低通滤波，与可调谐激光器相结合，等效实现了可调谐光学滤波器的功能，进一步降低了成本；

电功率计：用于测量经过电低通滤波器后的功率值大小；

控制和处理单元：用于控制改变可调谐激光器的波长，使得电功率计的测量得到不同值；

OSNR计算单元：用于根据控制和处理单元得到的不同可调谐激光器波长时对应的电功率计测量值，计算出相应的OSNR。

在上述一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块中，通过一个宽谱光源作为WSS设备的输入来得到相应的通带光学滤波器形状。

在上述一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块中，所述OSNR计算单元根据所述滤波器实际形状，利用误差函数模型拟合所述WSS的通带光学滤波器实际形状，所述误差函数模型为：

其中：

表示误差函数，σ表示高斯光学传递函数的标准方差。

在上述一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块中，所述OSNR计算单元，利用以下公式计算OSNR：

P_n1＝NP_ASE；

其中：

γ为校准参数，可以由光谱仪得到的参考OSNR进行一次校准获得；

P_s1，P_s2，P_s3为电功率计的测量值中的信号功率；

P_n1，P_n2，P_n3为电功率计的测量值中的噪声功率；

系数R₁和R₂分别为将监测模块放在发射机端口时，两次调整可调谐激光器频率后，可调谐激光器频率等于输入信号光频率时的功率比值；

α和β为WSS设备的通带光学滤波器拟合形状对应的两次调整可调谐激光器频率处的插入损耗；

权重系数α^N和β^N为α和β的N次幂。

在上述一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块中，所述OSNR计算单元，所述带内光信噪比监测模块可以放置在网络中的任意一个ROADM处。

与现有技术相比，本发明提供的方案，利用拟合得到每个WSS设备的不同端口和不同信道的通带光学滤波器拟合形状，作为WSS设备的不同端口和不同信道的通带光学滤波器实际形状，进行OSNR监测，监测模块结构简单，易于实现，成本较低。

另外，不会产生OSNR监测方法在ROADM网络中因为经历不同的WSS后产生滤波器形状存在差异的问题，可适用于多种调制格式和不同传输速率，并且不会产生敏感问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法的流程图；

图2为基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法的系统框图；

图3为本发明实施的OPM监测模块的装置结构示意图；

图4为本发明实施的OPM监测模块的工作原理示意图；

图5为本发明实施中拟合的WSS滤波器形状示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法及监测模块，能够避免由于ROADM网络中的WSS设备，制造公差、温度漂移或者设备老化等因素造成其通带光学滤波器形状的略微差异，从而影响OSNR监测的准确度的问题，且成本低，易于实施。

本发明提供的监测方法及监测模块，可以在ROADM网络中的任意节点处进行光信噪比监测。

本发明的实现原理是：

利用误差函数模型对ROADM网络中每个WSS的通带光学滤波器实际形状进行拟合，获取到可以决定通带光学滤波器的多组关键参数；

再利用上述每一组关键参数，通过联合概率密度函数，获得该联合概率密度函数的数学期望值；

利用上述数学期望值拟合得到每个WSS设备的不同端口和不同信道的通带光学滤波器拟合形状，作为通带光学滤波器实际形状，进行OSNR监测。

本发明方案，由于OPM监测模块结构简单，易于实现，成本较低。

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。显然，以下所描述的具体实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例1。

图1中所示的是本发明提供的一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法具体实施例1的流程示意图。如图1所示，本实施例1包括以下步骤：

步骤110，选取与ROADM网络中相同的WSS设备，采用相同频率栅格，分别测量得到相同信道间距下每个WSS设备，不同端口、不同信道的通带光学滤波器的实际形状；

上述测量采用的是离线测量方式。具体地，本方案中首先确定现有ROADM网络中所使用的WSS设备(例如设备型号和参数)，然后找到与这些WSS设备相同的WSS设备，并对找到的这些WSS设备进行测量。在测量时，可利用一宽谱光源注入到WSS设备中，采用相同频率栅格测量得到该WSS设备，不同端口和不同信道对应的通带光学滤波器实际形状，测量结果为与图5类似的图形。

如果ROADM网络中，信道数目为K，WSS设备的端口数目为M，则针对该WSS设备的测量次数为K×M，并获得K×M个测量结果。

步骤120，利用误差函数模型对步骤110中得到的每个WSS设备的通带光学滤波器实际形状(K×M个测量结果)分别进行拟合，获得可以决定相应WSS设备的通带光学滤波器的多组(K×M组)关键参数，每组这些关键参数分别包括：孔径带宽B、WSS设备的光学传递函数带宽BW_OTF和中心波长的漂移CF_s，并对应每组保存为(B,BW_OTF,CF_s)_NM。

其中：CF_s表示通带光学滤波器的中心波长左右漂移量的大小。

以上拟合结果显示，相同孔径带宽B时，BW_OTF越小，则WSS设备的相应通带光学滤波器形状越接近矩形，说明级联滤波效应越弱，对实际信号的损伤越小。

步骤130，通过联合概率密度函数，计算得到上述每一组关键参数(B,BW_OTF,CF_s)_NM的数学期望值(B′,BW_O′_TF,CF_s′)_NM；

联合概率密度函数是数学中，计算连续型随机变量在某个确定的取值点附近的可能性的函数，是本领域技术人员的公知技术，在此不再赘述。

步骤140，再次通过误差函数模型，利用上述数学期望值(B′,BW_O′_TF,CF_s′)_NM拟合得到每个WSS设备的不同端口、不同信道的通带光学滤波器拟合形状；

步骤150，在OPM监测模块中，在监测节点之前遍历的每一个WSS设备的通带光学滤波器实际形状均认定为通过步骤140中得到的通带光学滤波器拟合形状，并使用该通带光学滤波器拟合形状计算得到OSNR。

为简化描述，以上步骤中(B,BW_OTF,CF_s)_NM和(B′,BW_O′_TF,CF_s′)_NM表示的是一种WSS设备，显然，ROADM网络中所使用的WSS设备可能有多种，对不同型号的WSS设备需要利用上述同样的方法分别进行测量和拟合。

同样地，以上步骤仅是针对一个ROADM进行OSNR监测的说明，显然，如果网络中具有多个ROADM，本发明提供的方法按照上述步骤逐一分别进行监测即可。

具体地，如图2所示，OPM监测模块可以放置在网络中的任意一个ROADM处。网络中的每一个WSS设备的不同端口和不同信道的通带光学滤波器形状，均有可能因为制造公差、温度漂移和设备老化等问题而有略微不同。于是，将步骤140中得到的通带光学滤波器拟合形状作为在此监测节点之前经过的每一个WSS的通带光学滤波器实际形状，进行OSNR计算，从而实现了对ROADM网络的带内光信噪比监测，即保证了监测结果，又节约了成本。

具体实施例2。

本具体实施例2是在上述具体实施例1的基础上，对步骤120和140中拟合通带光学滤波器形状所使用的误差函数模型P(f)进行了具体限定，该误差函数模型P(f)如下：

式中：

erf(x)表示误差函数，σ表示高斯光学传递函数的标准方差，且

其中：在步骤120中拟合通带光学滤波器实际形状时，上述公式中的孔径带宽为B，是通带光学滤波器实际形状的孔径带宽；

在步骤140中拟合通带光学滤波器拟合形状时，上述公式中的孔径带宽为B′，是通带光学滤波器拟合形状的孔径带宽。

具体实施例3。

本具体实施例3是在上述具体实施例1的基础上，对步骤105的进一步细化，步骤150中计算OSNR的步骤如下：

下面根据图4进一步详细说明本发明中基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块的工作原理。

步骤151：通过调节可调谐激光器的频率，使其分别等于输入信号光的中心频率f_CF和f_OF1，同时再引入一定的频偏f_OF2。

步骤152：记录下电功率计对上述频率f_CF和f_OF1以及f_OF2的测量值，分别为P_CF和P_OF1以及P_OF2，令：

P_CF＝P_s1+P_n1；

P_OF1＝P_s2+P_n2＝R₁α^NP_s1+P_n2；

P_OF2＝P_s3+P_n3＝R₂β^NP_s1+P_n3；

根据以上三个方程联立，求解出P_s1，P_s2，P_s3和P_n1，P_n2，P_n3，

其中：

P_s1，P_s2，P_s3为电功率计的测量值中的信号功率，每调整一次可调谐激光器的频率，则记录一次此时电功率计的测量值。

P_n1，P_n2，P_n3为电功率计的测量值中的噪声功率。

系数R₁和R₂是由发射端信号的光谱形状所引入的，将监测模块放在发射机端口，通过两次调整可调谐激光器频率，可调谐激光器频率等于输入信号光的中心频率时的功率比值即为系数R₁和R₂。

α和β分别为两次调整可调谐激光器后，步骤110～步骤140中得到的WSS设备的通带光学滤波器拟合形状对应的f_OF1和f_OF2处的插入损耗(如图5所示)。

权重系数α^N和β^N为α和β的N次幂，是由OPM监测模块前N个WSS所引起的级联滤波效应所引入的。

步骤153：根据以下三个方程联立，求解出P_s1、P_n1和N，并通过公式

计算得到OSNR。

P_CF＝P_s1+P_n1

γ为校准参数，它可以由光谱仪得到的参考OSNR进行一次校准获得，即通过利用OSA得到的真实OSNR值，再结合计算公式反算出校准参数γ。

以上步骤的具体分析说明如下：

如图4所示，由于系数R₁和R₂是由光谱形状所引入的，因此可以通过将OPM监测模块放在发射机端口进行测量，即此时N、P_n1、P_n2和P_n3均为0，则有R₁＝P_OF1/P_s1，R₂＝P_OF2/P_s1。

又因为α、β、R₁和R₂均大于0小于1，α大于β、R₁大于R₂。考虑到WSS同时也会使得噪声不平坦，定义由EDFA引入的ASE噪声功率在f_CF处的大小为P_ASE，则此时P_n1、P_n2和P_n3可表示为：

P_n1＝NP_ASE

联立以上表达式，此时有：

P_CF＝P_s1+P_n1

根据以上三个方程联立，可以将P_s1、P_n1和N解出，其中N是WSS设备的个数。

再通过公式

计算得到OSNR。

具体实施例5。

本发明还提供了一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测模块，如图3所示，该模块包括：可调谐激光器10、3dB耦合器20、平衡接收机30、电通滤波器40、电功率计50、控制和处理单元60以及OSNR计算单元70，其中：

可调谐激光器10：用于输入干涉信号光；

3dB耦合器20：用于实现输入信号光与可调谐激光器发出的本振光进行相干；

平衡接收机30：用于接收输入信号光光域中携带的强度信息。

由于本方案无需知道偏振以及相位信息，也就不需要实现偏振分集和相位分集。因此，这里只需要低成本的低速相干接收机即可。

电通滤波器40：用于对基带信号进行低通滤波。

电通滤波器可以与可调谐激光器相结合，等效实现可调谐光学滤波器的功能。即可以等效成图4，在可调谐激光器的波长处得到相应的功率值，从而进一步降低成本。

电功率计50：用于测量经过电通滤波器的功率值的大小。

控制和处理单元60：用于控制改变可调谐激光器的波长，使得电功率计的测量得到不同值，并将得到的测量值送入OSNR计算单元中。

OSNR计算单元70：用于根据控制和处理单元得到的不同可调谐激光器波长时对应的电功率计测量值，计算出相应的OSNR。具体计算方法在前述的方法中已经进行了详细说明，在此不再赘述。

结合以上具体实施例的说明，本发明主要优势在于：

(1)本发明中的OPM监测模块结构简单，易于实现，成本较低；

(2)本发明中的OPM监测模块的实现方法简单，测量的参数容易确定；

(3)本发明可适用于多种调制格式和不同传输速率，并且不会产生敏感问题；

(4)本发明不会产生OSNR监测方法在ROADM网络中因为经历不同的WSS后产生滤波器形状存在差异的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所在的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤110：选取与ROADM网络中相同的WSS设备，获取相同信道间距下多个WSS设备的不同端口、不同信道的通带光学滤波器实际形状；

步骤120：利用误差函数模型拟合通带光学滤波器实际形状，获得可以决定通带光学滤波器的多组关键参数，每组所述关键参数包括：孔径带宽B、设备的光学传递函数带宽BW_OTF和中心波长的漂移CF_s；

步骤130：通过联合概率密度函数，计算得到每组所述关键参数的数学期望值；

步骤140：再次通过所述误差函数模型，利用每组所述数学期望值，拟合得到每个WSS设备的通带光学滤波器拟合形状；

步骤150：在OPM监测模块中，利用所述拟合得到WSS设备的通带光学滤波器拟合形状计算得到OSNR；

步骤150中计算OSNR的步骤如下

步骤151：通过调节可调谐激光器的频率，使其分别等于输入信号光的中心频率f_CF和f_OF1，同时再引入一定的频偏f_OF2；

步骤152：记录下电功率计对上述频率f_CF和f_OF1以及f_OF2的测量值，分别为P_CF和P_OF1以及P_OF2，令：

P_CF＝P_s1+P_n1；

P_OF1＝P_s2+P_n2＝R₁α^NP_s1+P_n2；

P_OF2＝P_s3+P_n3＝R₂β^NP_s1+P_n3；

其中：P_s1，P_s2，P_s3为电功率计的测量值中的信号功率，P_n1，P_n2，P_n3为电功率计的测量值中的噪声功率；

步骤153：根据以下三个方程联立，求解出P_s1、P_n1和N，并通过公式

计算得到OSNR；

P_CF＝P_s1+P_n1

所述监测模块包括：

可调谐激光器：用于与输入信号光干涉，通过改变可调谐激光器波长，实现在平衡接收机接收后得到不同的基带谱；

3dB耦合器：用于实现输入信号光与可调谐激光器发出的本振光相干；

电低通滤波器：用于对基带信号进行低通滤波；

电功率计：测量经过电低通滤波器后的功率值大小；

控制和处理单元：用于控制改变可调谐激光器的波长，使得电功率计的测量得到不同值；

OSNR计算单元：根据控制和处理单元得到的不同可调谐激光器波长时对应的电功率计测量值，计算出相应的OSNR；

系数R₁和R₂分别为将监测模块放在发射机端口时，两次调整可调谐激光器频率后，可调谐激光器频率等于输入信号光的中心频率时的功率比值；

α和β分别为WSS设备的通带光学滤波器拟合形状对应的两次调整可调谐激光器频率处的插入损耗；

权重系数α^N和β^N为α和β的N次幂；

N为WSS设备的个数；

γ为校准参数，可以由光谱仪得到的参考OSNR进行一次校准获得。

2.根据权利要求1所述基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，其特征在于，在所述步骤120中，所述误差函数模型为：

其中：

erf(x)表示误差函数，σ表示高斯光学传递函数的标准方差，所述f为信号频率fs减去信道中心频率fc，再减去WSS设备的通带光学滤波器的中心波长左右漂移量的大小CF_s所得的数值。

3.根据权利要求1所述的基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，其特征在于：在所述步骤150中，利用以下公式计算OSNR：

P_n1＝NP_ASE

其中：

P_s1，P_s2，P_s3为电功率计的测量值中的信号功率；

P_n1，P_n2，P_n3为电功率计的测量值中的噪声功率，Pase为在f_CF处单个EDFA引入的ASE的噪声功率；

所述电功率计的测量对象为经过电低通滤波器后的功率值大小，可调谐激光器发出的本振光输入至3dB耦合器，输入信号光输入至3dB耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，其特征在于，通过一个宽谱光源作为WSS设备的输入来得到相应的通带光学滤波器形状。

5.根据权利要求1所述的基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，其特征在于，所述OSNR计算单元根据所述滤波器实际形状，利用误差函数模型拟合所述WSS的通带光学滤波器实际形状，所述误差函数模型为：

其中：

erf(x)表示误差函数，σ表示高斯光学传递函数的标准方差；

所述f为信号频率fs减去信道中心频率fc，再减去WSS设备的通带光学滤波器的中心波长左右漂移量的大小CFs所得的数值。

6.根据权利要求1所述的基于ROADM网络的带内光信噪比监测方法，其特征在于，所述监测模块可以放置在网络中的任意一个ROADM处。

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