大容量100G OTN关键技术及其在电力通信中的应用研究

郭小溪+王颖+唐佳+刘识+广泽晶+张宁+张书林

摘要：为满足“十三五”期间数据骨干网万兆上联需求以及智能电网业务的发展需要，需建设具备高速率、多业务、大宽带的通信传输网络。文章阐述了100G OTN系统中正交四进制相位调制、相干接收、软判决纠错编码接收等关键技术，分析了100G OTN关键技术在大容量、长距离光传输网中的可行性应用，提出了其在电力通信大容量光传输网中的技术应用方案。方案解决了电力通信大容量光传输网络大跨距大带宽传输的难题，全面提升了网络的安全性、可管理性、可扩展性，为保障公司信息通信网络应用深化和完善提供了坚实基础。

关键词：100G OTN；电力通信；长距离传输

O 引言

随着通信技术和互联网产业的快速发展，远程和大容量化成为通信传输的重要发展趋向。自1966年高琨提出用玻璃光纤传送信号可降低损耗之20dB/km开始，光纤通信经历了从多模到单模，从单波到波分复用的迅猛发展。不同于按照时隙上进行划分的时分复用（ TDM），和按照载波频率进行划分的频分复用（ FDM），波分复用（WDM）在发送端经复用器将不同波长的光载波信号复用进同一根光纤中进行传送，在接收端经解复用器将各波长的光载波分离，然后由光接收机进行数字处理以恢复原信号。

光传输网（OTN）正是以WDM技術为基础，包括了光层和电层的完整体系结构及业务调度能力，各层都有相应的管理监控机制，可提供完善的保护功能和维护管理功能[1-2]。由于OTN系统在WDM基础上引入了电域子层，为业务提供在波长/子波长上进行传送、复用、交换、监控和保护恢复的技术，较好地克服了单纯WDM技术组网的缺陷。因此，OTN应成为建设大容量通信网络的首选技术，以满足新型大颗粒度、多类型业务日益增长的传送需要。

现阶段成熟应用的OTN技术主要有N*lOG、N*40G和N*lOOG三种。N*lOG OTN系统基于幅度调制，单波速率为10G，常用波道数量为40波，是大容量通信网传输最常采用的技术选择。N*40GOTN系统在N*lOG的基础上将容量提升了4倍，属于10G向100G的过渡技术，现实应用并不广泛。N*lOOG OTN系统综合采用PDM-QPSK调制、数字相干接收、基于电域的数字处理、软判决FEC等技术，具有超大的传输容量、超长的传输距离、超强的纠错编码、超快保护恢复等性能优势，逐渐成为行业内大容量光传输的主流首选技术。

1 100G OTN关键技术

光传输网（ OTN）是一种以波分复用与光传送体系为核心的新型通信网络传送体系，它由OTN电交叉设备、OTN光交叉连接、OTN光电混合交叉设备、OTN终端复用设备、光放大器等网元设备组成，具有超大传送容量、对承载信号语义透明及在电层和光层面上实现保护和路由功能的特点，它解决了传统SDH的大带宽业务适配效率低、带宽粒度小以及WDM组网能力弱和保护能力差等问题，是光互联网的基础结构，即OTN=WDM/ROADM（光层）+ODUk（电层）[3]。

N*lOOG OTN系统综合采用PDM-QPSK调制、数字相干接收、基于电域的数字处理、软判决FEC等技术，具有超大的传输容量、超长的传输距离、超强的纠错编码、超快保护恢复等性能优势，逐渐成为行业内大容量光传输的主流首选技术。

1.1 编码调剂方式

在光纤通信中，传输信道为带通型信道，信号需要在所规定的信道频带内传输。光纤通信中采用G652型光纤，可在波长15 50nm处实现最小衰耗。编码调制的重大意义在于减小数字光信号的频谱带宽，提高频带利用率。光信号光谱带宽由波特率决定，传送相同比特率的数字信号，若信号频谱带宽越窄，则波特率越小，频带利用率越高。

100G OTN系统采用的正交相移键控QPSK（ Quadrature Phase Shift Keyin）调制，其原理是通过在光场相位上选取四个可能的取值，使得在线路速率不变的情况下，数字光信号的波特率降低一半，因而光信号的频谱带宽降低一半。100G信号比特率为112Gbps，如直接采用QPSK调制，会对系统的光电转换器件提出非常高的技术要求，因此引入了光偏振复用（ Polarization Multiplexed）技术，偏振复用采用两路独立的光偏振态来承载56GHz业务，每路偏振态都采用QPSK调制方式可以将波特率进一步降低至28Gbps。因此，国际标准化组织综合此两种技术选择偏振复用正交四进制相位调制（ PDM QPSK）作为标准100G光调制方式。

与传统二进制调制不同，PDM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合的方式将传输波特率降低为二进制调制的四分之一，即100G传输中，采用PDM-QPSK技术后，实际线路波特率仅为25G。

1.2 数字相干接收

相干接收技术主要解决了对光信号的电场的检测问题。光信号对业务信息是以电场的形式承载的，在光信号的传输过程中，其电场特性会受到光纤色散、光纤PMD、光纤非线性效应以及滤波效应等因素的影响而趋于劣化。常规的直接检测方式只能探测光信号电场的模平方包络（即光强），因此无法分解出上述劣化效应的影响并给予消除。相干接收技术可得到PDM-QPSK信号的所有信息，包括每个偏振方向上的电场的实部和虚部的强弱和相互的相位信息，为传输中各项劣化效应的分解和补偿提供了可能。高速ADC（模数转换芯片）则在不损失信息的前提下将检测出的模拟信号转化为数字信号，并由DSP芯片完成时钟恢复、载波恢复、色散补偿、PMD补偿等关键处理。

1.3 软判决前向纠错

在100G相干电处理技术的产业化力量的驱使下，借助高速集成电路技术的发展，目前引进了基于软判决的FEC编码技术。软硬判决的区别在于其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数位1位，其判决非“0”即“1”，没有回旋余地。软判决则采用多个比特位对信号进行量化，采用“00”、“01”、“10"‘11”判决，通过维特比算法提高判决的准确率，大大提升了100G系统的传输能力。100G系统中，硬判决和软判决两种技术适用于不同距离的不同应用场景。endprint

100G的PM-QPSK信号调整，采用20%的软判决纠错编码技术，净编码增益理论极限可达12.7dB，100G背靠背OSNR容限在13dB左右，基本达到了与10G相同量级的传输能力。

1.4 数字信号处理

PDM-QPSK的调制方式主要是降低100G传输中光信号的波特率，降低100G传输码型的频谱宽度，使之能实现50GHZ间隔传输，并部分解决了100G传输的OSNR要求过高问题，但100G系统的色散容限过小和PMD容限过小的问题依然存在，这对长距离100G传输尤其不利。

色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入的线性调制或畸变，如果能探测出光信号的电场，则可以采用线性补偿的办法，在广场上抵消色度色散和PMD效应，这就是光学DSP处理的核心。

在100G PDM_QPSK传输中，主要利用光数字信号处理技术（ DSP）在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（ CD、PMD）补偿，即通过数字化算法，在电域进行色度色散补偿以及偏振态色散补偿，以此减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。

采用这种基于电域的DSP技术，在100G系统上可实现高达50000ps/nm的色散容限和90ps的DGD容限。在100G OTN组网设计时，传输线路上将不再放置DCM模块，PMD效应也不再成为限制系统传输距离的因素，使得100G系统具备长距离传输的能力。

2 系统现状分析

国网公司已于2013年建成40波*10G大容量光传输网，对骨干通信网络进行了全局性扩容和结构化调整，满足了非实时、高带宽信息业务的快速增长需要。大容量光传输网采用OTN电交叉技术进行组网和业务调度， 双光方向电中继站采用OTN电交叉设备，上下业务站点及多光方向有电路调度需求的站点采用OTN电交叉设备。容灾中心节点配置双OTN设备，其他业务节点配置单套OTN设备。

大容量光传输网实现了公司总部、信息容灾中心（北京、上海、西安）、六个分部、除新疆、西藏外各省（自治区、直辖市）电力公司，以及省级以上通信第二汇聚点大颗粒业务传输的全覆盖，在全国范围内形成“三纵三横”的总体网络结构，北京、华北、华东、华中、东北、西北区域分别形成局部环网或网状网，网络网孔在整体框架基础上进一步缩小。各业务调度站点采用串接或支线接入干线方式，各业务节点具备双路由上联至数据中心、容灾中心的能力。大容量光传输网逻辑示意图如图1所示：

3 技术应用模型

3.1 系统需求

“十三五”期间通信数据网的主要业务有：信息化业务、客户服务、视频/多媒体业务、容灾备份、行政电话及其他数据业务等。在未来的10-20年内，随着新一代国家电网公司SG-ERP规划和建设，云计算、大数据、物联网和移动技术等广泛应用，信息平台承载能力和业务应用水平将进一步提升。华东、华北、华中等人口众多、电网结构密集的区域通信数据网业务最大流量将远超lOGbit/s，现有的40*10G OTN系统将无法满足高速发展的数据业务需求。

电力通信覆盖范围内的新疆、西藏、青海等地区地域广阔，地质条件复杂，可设置的通信站的之间距离较远，光缆线路和通信站条件较差，对大容量光传输网建设提出了超长距离和高可靠性的要求。因此，在国网大容量光传输网中推广应用100GOTN技术十分必要。

3.2 传输系统模型

100G OTN技术在电力通信中的应用研究考虑以单波100G带宽、300km传输距离的点到点光纤传输系统为模型。系统光线路部分包括放大系统、合分波器等板卡，以及公共部分包括系统控制、交叉矩阵、机框等设备板卡按照网络拓扑结构、lOOGGb/s系统规模配置。OTN再生站之间根据线路衰耗采用加入相应的光放大站（OLA站），再生站之间配置OMS和Och路径。100G大容量、长距离、多跨段光传输系统模型图如图2所示：

3.3 业务保护配置方案

OTN业务保护方式根据保护倒换发生的层面可分为光层和电层两类，根据保护结构可分为线性保护和环网保护两类。线性保护包括基于光层的光线路保护OLP、光复用段保护和光通道保护，以及基于电层的ODUk SNCP保护。光线路保护和光复用段保护主要对光缆故障进行保护，保护粒度是整根光纤上所有波道。环网保护包括基于光层的光波长共享环网保护，以及基于电层的ODUk环网保护。

考虑到电力通信中大容量光传输网覆盖范围广、传输距离长、光缆资源有限，各区域间为链状拓扑结构，区域内少部分传输段可具备两条不同路由。因此采用光线路保护OLP和电层ODUk SNCP保护相辅相成的方式配置保护。

（1）光线路保护OLP

运用OLP板的双发选收功能对线路光纤进行保护，分段对合波后的光信号进行保护，站点间使用分离路由。OLP通过占用T作及保护2对光纤的方式实现对线路信号的保护。OLP采用的保护方式为双发选收、单端倒换[11]。OLP保护方式示意图如图3所示。

（2） ODUk SNCP保护

与SDH类似，子网连接保护可以看作是失效条件的检测是在服务层网络、子层或其他传送网络，而保护倒换的动作发生在客户层网络的保护方法。ODUk SNCP保护运用OTN电层交叉的双发选收功能，对线路板和OCh光纤进行保护[12]。交叉粒度为ODUO、ODU1、ODU2信号等。ODUk SNCP保护原理如图4所示。

4 结语

“全球能源互联网”概念的提出，促使电力通信网向更大带宽、更长距离的方向发展，国网大容量通信网目前的10G带宽已逐渐无法满足将来5-10年信息通信业务的需求。100G OTN系統整合编码调制方式、相干接收、软判决前向纠错等效率更高、性能更优的通信底层传输技术，为更大带宽、更长距离的通信传输提供可能。建设100G OTN平台可有效提高国网公司骨干通信系统的安全性，提高传输网的承载能力，使各类信息、视频业务传输有了多种选择，能够根据业务类型和特点，有效降低现有SDH网络的运行压力，可为建设坚强电力通信网提供重要支撑和基础保障。endprint