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摘要 本文在结合技术原理与实际经验的基础上，基于城域波分技术的特点，对城域波分组网设计时的功能和性能要求进行了论述，重点探讨了保护方式、OSNR指标、功率和色散预算等方面的技术要求。
0、引言
城域波分技术自诞生之日起就备受青睐，近年来随着需求增长加速和设备实用性、性价比的大幅度提升，其大规模的组网应用正在加速。
城域波分应用中，大多数情况下采用环型组网，OTU等具体板卡的配置可根据实际需求确定，而系统性能方面的考虑则比较重要，重点考虑的几个方面包括：保护方式的选用，光功率预算，色散和非线性，光信噪比，运维方面的其他考虑等等。上述几方面的总体原则众所周知，但实际应用中仍有各种各样的关键细节必须注意，下面将逐一进行探讨。
1、保护方式的选用
可提供保护是城域波分相对于裸纤传送方式的一大优点。是否使用波分层面的保护，采用何种方式保护，需要根据实际情况而应用。
对于已有保护的上层信号，如：采用节点双归方式的数据信号、采用MS-Spring等保护方式的SDH信号、采用RPR环网保护的RPR信号等，无需在波分层面提供保护功能。但需要注意的是，对于采用节点双归方式的数据电路，在波道安排时必须将两条起始点相同电路安排在两个不同流向。
对于没有上层保护的电路，如：节点单挂方式的数据电路、SAN电路等，可根据业务重要程度采用波分层面保护。在具体保护方式上，UPSR（单向光通道保护倒换）和BPSR（双向光通道共享保护倒换）是最常用的两种方式：UPSR是最成熟的保护方式，简单可靠，所有设备均支持；BPSR方式较为节省保护波道，且改进后可克服保护路由过长的问题，总体上较UPSR为优，但在多数城域网络业务分布为汇聚型的情况下优势不明显，且需要设备支持此功能。
对于系统中节点数不多（2～4个节点），而均为OTM节点的情况，可选用朱光路的1+1线路保护功能。与UPSR和BPSR相比，其优点是简单，在这种特定情况下保护代价不高。
对于同一流向开通了多条电路，配置了多对OTU的情况，可以考虑配置OTU的1:N保护，以较小的代价提高系统的可靠性。
2、光功率预算
在波分系统中，线路的衰耗、器件的插入损耗等往往通过光放大器来补偿，而光放大器的使用又会引起接收端（Rn参考点）信噪比的下降。因此，系统的光功率预算需要与光信噪比统一考虑。本小节中只讨论系统发送与接收光功率的之间的配合问题（包括主光通道与子光通道），更多光功率与信噪比的配合问题在后文论述。
子光通道的光功率预算即发送OTU与接收OTU（很多情况下发送OTU与接收OTU集成在一块板卡上）之间的功率预算，可能仅是一个光复用段或光再生段，也可能包含多个光再生段或光复用段，其衰耗因子主要包括合/分波器件的插损、光连接器插损、线路衰耗等，而功率提升因子则包括所经过的功放、线放、前放的增益。功率预算通常要满足下式（单位为dBm、dB）：
发送OTU的发光功率-接收OTU的灵敏度>各放大器的增益-线路衰耗-各类插损-富余度。
在主光通道满足功率预算的情况下，放大器的增益大于线路衰耗，而发送OTU的发光功率-接收OTU的灵敏度通常远大于各类插损，因此子光通道的功率预算往往可以得到满足。多数情况下需要增加可调衰耗器吃掉多余的功率，以免接收端过载。
主光通道的光功率预算指的是每个光复用段或光再生段中，前一级光放至下一级光放之间的功率预算（个别情况下，如果只有前放，则指发送OTU至前放的功率预算；如果只有功放，则指功放与接收OTU之间的功率预算）。主光通道必须满足—波信号输入到满波信号输入的所有情况。由于可以利用可调光衰耗器吃掉多余的功率，因此可不考虑光放段的最小衰耗（即过载的情况）。通常，衰耗受限距离采用最坏值法设计。功率预算需满足下式所示：
Ps-Pr-C-Cr>a×L
式中：
Ps：为光放大器单信道的最小输出功率，单位为dBm。
Pr：为单信道接收端的最小允许输入功率，单位为dBm。
C：所有光连接器的衰减和，每个光连接器的衰减为0.5dB。
Cr：线路富余度，通常60 km以内取3 dB，大于60公里按照0.05 dB/km取值。
a：为光纤损耗系数（dB/km），包含了光纤衰减、光纤熔接衰减等，以实测值为准，估算时通常取0.25dB/km。
注：DWDM系统是OSNR受限系统，上式仅反映了光放大器的功率受限情况，OSNR的考虑见下文。
此外，为保证系统的长期运行稳定，必须满足以下要求：
（1）单波及满波输入情况下，主光通道均可满足线路末端的光功率落在接收端放大器的输入功率范围内，从而保证系统平滑扩容或波道调整；
（2）满波输入情况下，主光通道的发送光功率小于或等于20 dBm，以避免光功率过高引起的非线性等负面影响；
（2）系统初始投入使用时，各类富余度需通过电可调衰耗器衰耗掉，运行期间如出现衰耗增大等情况，则可调节电可调衰耗器释放一定的富余度，从而保证系统功率预算正常。
3、色度色散
色度色散是由于不同波长的光在光纤中传播速率不同（光纤中短波长比长波长传播得快）而造成的接收端信号时域展宽效应。色散问题并不是波分复用所独有的，但在波分复用系统中，光的色散斜率不为零，导致了色散特性与波长有关。不同的波长信道的色散大小是不一样的，这就给色散技术带来了新的问题。好的色散补偿技术应同时补偿波分复用的所有波长信道的不同大小的色散，即可以补偿色散斜率。
DWDM系统中为减少色散的影响，一方面OTU采用外调制、预啁啾等技术获取尽量窄的光源谱宽；另一方面可通过采用分布式无源色散补偿光纤模块进行补偿。
一个端对端链路的总色散可由下面公式求得：
Dispersion total（ps/nm）=D（ps/nm.km）×Length（km）
工程设计时G.652光纤按16～22ps/nm.km考虑色度色散，G.655光纤按4～8ps/nm.km考虑色度色散，以实测值为准。色散预算的原则是接收端的色散值在接收器的色散容限范围之内。
我们以某厂家的城域波分设备为例：对于2.5G WDM系统，受色散限制传输距离达640 km，不需要色散补偿；对于10G系统，在G.655光纤上，可实现200km不需要色散补偿，在G.652光纤上，可以实现60～80公里不需色散补偿。
值得注意的是，与长途波分不同，城域波分多采用OADM站点，某波道承载的业务往往在下一个节点可能是穿通而不是终结，色散的影响考虑不仅是两个OADM节点之间而是两个上下业务节点之间。因此，通常城域波分的色散是对整个环网进行预算，同时保证遍历全环以及单一复用段的接收端色散残余值均不超出OTU的色散容限范围。
根据需补偿的长度不同，色散补偿光纤（DCF）可分为40/60/80/100/120 km（等效G.652光纤），多采用分布补偿或者后补偿方式，好的器件可同时补偿光纤色散值和光纤色散斜率。
必须注意，DCF引入的插损是功率预算需要考虑的。但如同一站点采用多级放大，DCF设置在两级放大器之间，则无须在主光通道中考虑DCF的插损。
4、偏振模色散和非线性考虑
城域波分中，传送距离相对较短，偏振模色散（PMD，又译作极化模色散）和非线性效应的影响比长途波分小，但也需要在一定程度上予以考虑。
偏振模色散是由单模光纤特有的双折射与偏振引起的。光纤的固有偏振模色散是由非圆形纤芯引起，构成双折射现象导致的色散，而对双折射引起的偏振模色散是由外部因素如机械压力、热压力等导致的色散。偏振模色散不能避免，只能最小化。
一个端对端链路的PMD色散P total可由下面公式求得：
其中，Pfiber：G.655光纤按照计算值
，G.652光纤按照计算值
。
对于2.5G系统，由于其PMD容限至少为40 ps/nm，故通常可不考虑。对于10G系统，其理论PMD容限为10～18ps/nm。PMD造成的信号劣化，可通过等效增加OSNR的富余度来抵消，即OSNR的提高增加了PMD的容忍度。对应关系可简单表示如表1：
表1 OSNR的提高折合成PMD容忍度的对应表
| PMD（ps） | OSNR富余度 |
| 10 | 0 |
| 11 | 0.1 |
| 12 | 0.3 |
| 13 | 0.6 |
| 14 | 1 |
| 15 | 1.4 |
| 16 | 1.9 |
光纤的非线性效应也是限制WDM系统性能的重要因素。光纤的非线性效应可分为两类：散射效应和折射效应。
散射效应主要包括受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。SBS是一种窄带效应。当调制后的激光线宽大于50～100MHz时，便可以有效抑制SBS。实际系统中，10Gbit/s反射机的激光调制线宽要远大于这个数值，而每一信道的光输出功率又小于5mW，因此可认为SBS对WDM系统无多大影响。SRS是宽带效应，阈值功率较高，约1W。因此也可认为SBS对WDM系统无多大影响。
由于散射效应与入纤光功率大小有关系，入纤光功率过大可能会引起散射效应的突变。因此这也是限制发送点入纤光功率的一个原因。国标规定，32/40波的城域波分系统的MPI-S功率常规应用时不大于+17dBm（对应每通道为+2/+1 dBm），长距离应用时不大于+20dBm（对应每通道为+5/+4 dBm）。因此，在光功率预算时不仅考虑当前波道配置的入纤功率，还必须考虑满波配置时的总功率不超标，否则将来扩容是需要调整主光路功率，影响已开通业务。这种情况在某个地区刚刚引入波分系统时有出现，必须注意避免。
折射效应包括自相位调制效应（SPM）、交叉相位调制效应（XPM）和四波混频效应（FWM）。SPM可使传输光脉；中宽度压缩，可以利用SPM补偿色散展宽脉冲的效应。交叉相位调制效应（XPM）一般发生在大于40信道的DWDM系统中。四波混频效应（FWM）与光纤色散有很大关系。使用色散系数较大的G.652光纤，不会有显著的FWM。
在工程设计中，通常可采用光通道代价来统一考虑上述因素的影响。光通道代价包括PMD色散、ASE噪声、通道串扰、码间干扰等的影响，通常取值为1～2dB。光通道代价一般包含在OSNR值的富余度中统一考虑。
5、光信噪比考虑
光信噪比（OSNR）定义为，OSNR=每信道的信号光功率/每信道的噪声光功率。
光放大器会在几十纳米宽的光谱区内产生所谓放大的自发辐射ASE。这个ASE对信号光来说就是一个噪声，在具有若干级联EDFA的传输系统中光放大器的ASE噪声将同信号光一样重复一个周期性的衰减和放大。
ASE噪声频谱分布也是沿系统长度展开的。当来自第一个光放大器的ASE噪声被送入第二个光放大器时，第二个光放大器的增益分布就会因增益饱和效应导致ASE噪声而发生变化。这种效应会向下游传递给下一个光放大器，即使在每个光放大器处使用窄带滤波器，ASE噪声也会积累起来，这是因为噪声存在于包含着信号频段之内的缘故。
ASE噪声积累对系统的SNR有影响，因为接收信号SNR劣化主要是与ASE有关的差拍噪声。这种差拍噪声随光放大器的数目的增加而线性增加。因此误码率随光放大器数目的增加而劣化，此外噪声是随放大器的增益幅度以指数形式积累的。作为光放大器增益的一个结果，积累了许多个光放大器之后的ASE噪声频谱会有一个自发射效应导致的波长尖峰。特别要指出的是，如果考虑采用闭合全光环路的网络体制，那么若级联数目无限的光放大器，则ASE噪声就会无限积累起来，SNR会随光放大器的增多而劣化。城域波分环中必须设置一个以上的OTM或并行OADM节点，以避免此问题。
由此可见，光放大器不仅放大光信号，还在信号周围和下方加入噪音（额外寄生功率），其影响是劣化光信噪比，而且OSNR随着光放级联数目的增加而进一步降低，最终在接收端增加误码率。经理论推导及实际测试，可得出接收端OSNR与误码率之间的大致关系曲线，图1是2.5G系统的BER-OSNR曲线。
图1 2.5G系统的BER～OSNR对应曲线
对于多个级联线路光放大器的DWDM系统噪声的光功率主要由放大的自发辐射噪声所支配。光放大器级联时的光信噪比OSNR近似计算公式如下：
OSNR=POUT-L-NF-10LogN+58
POUT是每信道的输出功率（单位为dBm），L是光放大器之间光纤段的损耗（单位为dB），NF是EDFA的噪声指数（单位为dB），N是链路中光纤段数，此处假定链路中所有光纤段的损耗是相等的。
光信噪比是影响DWDM系统误码性能最重要因素之一，由于其复杂性，故也是波分系统设计时考虑最多的性能参数。城域波分系统中，可通过FEC技术提高接收端的OSNR容忍度，通常可提高4～7dB。从图2中的BER-OSNR曲线可以看出启用FEC对误码率的改善效应（以10G系统为例）。
图2 10G系统的BER-OSNR曲线（带外FEC与无FEC比较）
系统设计时通常的原则是，Rn参考点的OSNR模拟计算值必须大于器件标称值（一般为BER=10-15时对应的标称值，已考虑光通道代价以及接收机老化等因素）。例如，国标规定，2.5G、10G波分系统的OSNR要求如表2（系统初始值）：
表2 波分系统Rn点OSNR要求
| 系统类型 | 2.5G | 10G |
| Rn点每通路最小光信噪比 | 20 dB（无FEC） | 25 dB（无FEC）或20 dB（带外FEC） |
系统类型 2.5G 10G
Rn点每通路最小光信噪比 20 dB（无FEC） 25 dB（无FEC）或20 dB（带外FEC）
根据经验，OSNR最好还有1～3 dB的额外富余，以利于系统的长期稳定，超过3 dB的额外富余则参考意义相对不大。
系统设计中，OSNR对线放站点的设置也是一个必须考虑的问题。通常，在对系统性能影响不大的情况下，可通过采用FEC等技术尽量节省线放站点。但与长途波分不同的是，城域波分多采用OADM站点，某波道承载的业务往往在下一个节点可能是穿通而不是终结，对OSNR的影响不是两个OADM节点之间的距离而是两个上下业务节点之间的距离，因此线放站的节省与否必须考虑业务的情况而不仅仅是站点间的距离。
6、其他方面的考虑
组网设计时也需要为系统投入使用后的运行维护工作而进行多方面的考虑，以减少后续运营成本。
网管是波分系统的一个重要组成部分。要求功能完善、界面友好、操作方便，并通过合理的网管路由规划（包括OSC以及外部路由的设计）实现快速可靠的与网元间通信。
网管管理能力是针对一套网管在保证规定性能指标的情况下所能管理的最大网元数量。需要通过合理的软硬件配置来保证网管的操作管控性能优良。
系统抖动特性的考虑也是一个方面。整个波分系统中，只有OTU部分具有光/电转换，其余均为全光处理及传送。因此，OTU是引入抖动的唯一来源，而且在业务调度、转接时需要2～5级级联。但是，3R OTU具有良好的抖动抑制特性，通常可实现多级级联无误码。主流厂家的设备，对于2.5G OTU级联数目可达128级以上，对于10G OTU级联数目可达64级以上。这一指标大大高于长途波分实际OTU级联应用的可能数目，在城域波分应用中更是游刃有余。所以，城域波分设计中通常不必考虑抖动的影响。
波分系统很大程度上是一个模拟的系统，因此对模拟量的在线定期监控是维护工作中必不可少的部分。系统设计时可以考虑配置内置光谱分析仪，通过系统的不中断业务监测口监测光功率、OSNR、偏置电流、每波道波长等参数，并反映在网管的实时界面和历史记录当中，以便及时发现并排除隐患，保证系统性能。
主光路的变动对波分系统的性能有不小的影响，如光路劣化、光缆割接、中断主光路扩容等，光路参数的变动将系统性能将发生变化。因此，系统设计时应在主光通道配置电可调光衰耗器，可以方便快捷的进行光功率调整，重新优化系统，恢复较优的性能。
此外，OTU客户侧接口与业务信号的互通对接，具体波道的划分，是否配置可调波长OTU用以通用备件等问题也应该在系统设计时加以考虑。
7、结束语
城域波分的大规模应用正在加速，波分复用是模拟与数字技术的结合，系统的设计必须重视。细节决定成败，如果全盘照搬厂家的初始方案，而不对关键因素作细致的检查，可能会影响城域波分系统的长期稳定性，相关反面例子并不少见。设计时考虑得越严密周全，系统就会越稳定可靠，从而实现整个网络的完善。
