CN104410452B - 一种长距离相干光通信***传输性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决长距离、跨段数量大、跨段指标不等、无色散补偿相干光传输***的传输性能难以快速进行全局优化的问题，提出一种长距离相干光通信***传输性能优化方法，包含以下步骤：基于链路衰减和放大器噪声特性计算出整个光通信链路的最优性能参数；设定一组加权系数(m、t)的范围和初始值；考虑放大器增益最优差值和放大器跨段位置两个因素设置度量标准Mea(m，t，n)，选择Mea较大时对应的Kmin个放大器跨段位置M_k，取放大器增益为A_opt,Mk，其中k＝1～K_min，其他放大器增益为其初始值。本发明在既考虑提升光路性能指标Q因子，又避免调节量过大或调节个数过多所引起的抖动、时延等瞬态特性，实现超长距离、跨段数量大情况下光传输***性能快速优化。

Description

一种长距离相干光通信***传输性能优化方法

技术领域

本发明是一种实现长距离光通信的方法，尤其涉及跨段数量大时的相干光通信***传输性能的优化方法。

背景技术

由于光纤传输中受到色散、自发增益辐射(ASE)噪声、光纤非线性效应等复杂因素的影响，在动态光路交换场景下，链路衰减和增益的原始配置往往并非最优的，这限制了传输性能，因此需要进行优化。目前的光通信***传输性能优化方案主要针对直接检测***，包括调节源节点发射功率、调节动态分插复用(ROADM)节点的色散补偿和衰减量等方案。

调节源节点发射功率方案。首先根据初始设定的发射机功率，计算接收端的光信噪比(OSNR)。如果光信噪比过小，则提高源节点注入光纤的信号光功率，使光路整体非线性相移保持较低的值，以保证接收端光信噪比达到预定指标。

调节色散补偿和衰减量方案。在每个ROADM节点对色散补偿和衰减量进行调节从而达到动态优化的目的。假设每个节点的色散补偿器、衰减可以动态调节，从源节点开始，依次计算经过每个节点的OSNR、残余色散、节点的输入输出信号光功率及累积非线性相移。对各个节点的衰减量和色散补偿量进行调节，直到OSNR、残余色散、输入输出信号光功率和残余色散符合预定要求则优化完成。该方法一般默认传输链路跨段为等量配置，即各跨段参数包括光纤类型、光纤长度、光纤色散、非线性、衰减系数等全部相同。因此，上述方案只适用于规则链路、具有色散补偿的直接检测***，无法适用于节点中无色散补偿的相干光传输***、各个跨段传输配置不相同的***。

针对相干光传输***，还有基于逐段优化或基于最大调节量的单纯形优化方法。该方法要么简单地按照从前向后的次序进行优化，要么只考虑各节点的最大调节量。因此只能适用于传输距离较短、传输跨段数较少的***。在针对长距离、跨段数量大的***时，优化效率较低，无法实现对调节量和站点调节次序的全局优化效果。

发明内容

为了解决长距离、跨段数量大、跨段指标不等、无色散补偿的相干光传输***的传输性能难以快速进行全局优化的问题，本发明提出一种长距离相干光通信***传输性能优化方法，动态调整源发射功率和若干跨段中光放大器的增益，提高优化效率。

假设光传输***链路存在N个跨段，在***接收端(RD)的信号质量参数(Q值)受影响于发射端(TD)的入纤光功率(P)、各放大器的增益(A_n，n＝1～N)、各跨段的长度(L_n，n＝1～N)以及各放大器的噪声特性。在***优化前，存在入纤功率初始值(P_s)、各放大器增益初始值(A_s,n，n＝1～N)。在各跨段的衰减、各放大器噪声特性均确定的条件下，Q值最优(Q_opt)时对应的***参数为最优入纤功率(P_opt)、最优放大器增益(A_opt，n)。当传输***的性能要求接近最优(使Q_opt>Q>Q_ref，其中Q_ref为预设的一保证可靠传输所要求的指标值)时，本发明将放大器增益最优差值ABS(ΔA_n)＝|A_opt,n-A_s,n|和放大器跨段位置(n，最靠近TD的放大器跨段位置为1，向RD方向顺序递增编号)两个因素的加权组合作为度量标准来选择满足传输性能需求时的最少放大器调整数量。

本发明长距离相干光通信***传输性能优化方法，包含以下步骤：

步骤1、基于链路各跨段衰减和放大器噪声特性，计算出整个光通信链路的最优性能参数，包括第一段光纤的最优入纤功率(P_opt)、最优放大器增益(A_opt,n)，继而得到放大器增益最优差值ABS(ΔA_n)＝|A_opt,n-A_s,n|；

步骤2、设定一组加权系数(m，t)的范围和初始值；

步骤3、考虑所述放大器增益最优差值、和放大器跨段位置两个因素，设置度量标准为Mea＝m·ABS(ΔA_n)-t·n，根据假定的m，t值计算出Mea(n)；选择Mea(n)较大时对应的K个(K≥1)放大器跨段位置(n＝M₁,…,M_K)，所对应的放大器增益分别设为A_opt,M1,…,A_opt,MK，其他放大器增益为其初始值A_s,n(n＝1～N，且n≠M₁,…,M_K)，使***Q>Q_ref；

步骤4、在预定的范围内改变所述加权系数(m，t)的值，重新执行上一步骤(步骤3)；多次改变所述加权系数的值，则经步骤3得到一组数据K(m，t)；

步骤5、选取K(m，t)最小时的值K_min，对应的加权系数值m_min，t_min此时放大器调节个数为K_min个，根据步骤3结果得到对应的放大器增益分别为A_opt,Mk，其中k＝1～K_min。

在所述步骤3～4中，入纤功率使用所述最优入纤功率(P_opt)。

上述步骤结束后，只需要对链路中K_min个放大器的增益进行调整，使所对应的放大器增益从其初始值A_s,Mk调整为A_opt,Mk(k＝1～K_m)。

本发明内容和现有技术的区别在于，通过在优化过程中采用了基于调节放大器增益和放大器链路位置双重特性的度量因子，将该度量因子的累加效果用于选取最优的调节节点和放大器最优值，可有效降低传输性能优化过程中的所需调节的放大器个数。本发明在光路传输性能优化过程中，既考虑提升光路性能指标Q因子，也考虑了避免光路整体增益调节量过大或调节个数过多所引起的抖动、时延、瞬态特性，同时也降低了网络运营开销，实现了超长距离、跨段数量大的情况下相干光传输***性能的快速优化。

附图说明

图1为跨段指标不等的长距离光通信***配置示意图

图2为本发明光通信***传输性能优化方法流程的实施例

图3为本发明光通信***传输性能优化的数值结果举例

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

在对应如图1所示***链路中，给定光路配置(如发射机功率、各段光纤参数、各跨段放大器增益、噪声指数等)条件，假设光传输***链路存在N个跨段，在***接收端(RD)的信号质量参数(Q值)受影响于***发射端(TD)的入纤光功率(P)、各放大器的增益(A_n，n＝1～N)、各跨段的长度(L_n，n＝1～N)以及各放大器的噪声特性。

例如一种计算***质量参数(Q值)的方法是适用光信噪比级联计算，即Q＝SNR_Rx。经过若干段光纤长度不同、放大器增益不同的光纤跨段级联后，接收端***最终的信噪比整个跨段的传输性能评估方法采用各个跨段信噪比倒数相加求和得到，如公式(1)所示。

其中第n个跨段信噪比SNR_n仅由该跨段中所产生的ASE噪声和非线性噪声所导致，在经过该跨段放大器后，SNR_n可表示为：

其中P_in，n为第n个跨段的入射光信号功率(其中P_in，1即为上文所述发射端入纤光功率P)，假设各段光纤除长度不同外，其他光纤本征参数均相同，其中，P_ASE为放大器自发辐射噪声功率，例如当光放大器为EDFA时，可以表示为

其中，A_n-1为第n-1个跨段放大器增益，NF为其该放大器噪声指数，h为普朗克常量，c为光速，λ为波长，B_WDM为波分复用***带宽。

P_NLI，n为非线性噪声功率，例如当光放大器为EDFA时，可以表示为

(公式4的参考文献见P.Poggiolini,‘The GN model of non-linearpropagation in uncompensated coherent optical systems,’Journal of LightwaveTechnology,vol.30,no.24,3857-3879)

随着跨段个数及传输距离的增加，链路配置的调节量也会显著增加。本发明选择满足传输性能需求时放大器调整数量最少的情况。在***优化前，存在入纤功率初始值(P_s)、各放大器增益初始值(A_s,n，n＝1～N)。在各跨段的衰减、各放大器噪声特性均确定的条件下，Q值最优(Q_opt)时对应的***参数为最优入纤功率(P_opt)、最优放大器增益(A_opt，n)。当传输***的性能要求接近最优(使Q_opt>Q>Q_ref，其中Q_ref为预设的一保证可靠传输所要求的指标值)时，为了尽可能少地对链路中的放大器配置进行调整，有效优化链路传输性能，本发明将放大器增益最优差值ABS(ΔA_n)＝|A_opt,n-A_s,n|和放大器跨段位置(n，最靠近TD的放大器跨段位置为1，向RD方向顺序递增编号)两个因素的加权组合作为度量标准来选择满足传输性能需求时的最少调整量。

光通信***传输性能优化方法流程的实施例如图2所示，具体步骤如下：

步骤1、基于链路各跨段衰减和放大器噪声特性，计算出整个光通信链路的最优性能参数。具体地，本实施例包含步骤101：

步骤101、通过第一段光纤入纤功率和对A_n遍历取值的方法，根据公式(1)-(4)算出***中第一段光纤的最优入纤功率(P_opt)、最优放大器增益(A_opt,n)。其中P_opt及A_opt，n是接收端信噪比最大时对应的首段光纤入纤功率及第n(n＝1～N)个跨段段放大器增益。根据A_opt，n计算出放大器增益最优差值，所述放大器增益最优差值定义为最优放大器增益与放大器增益初始值之间差的绝对值，表示为ABS(ΔA_n)＝|A_opt,n-A_s,n|；

步骤2、设定一组加权系数(m，t)的范围和初始值，具体地，包含步骤201～202：

步骤201、设置m变化区间[m1，m2]，设定初值为m＝m1；

步骤202、设置t变化区间[t1，t2]，设定初值为t＝t1；

在步骤201-202中，作为一个最佳实施例，设置所述加权系数m和/或t的变化范围为[δ，1]，其中δ为一接近0的正数，例如0.1。

步骤3：考虑放大器增益最优差值和放大器跨段位置两个因素，经优化计算得出放大器调节个数及对应的放大器跨段位置。具体地，本实施例包含步骤301～303：

步骤301、设置度量标准为Mea＝m·ABS(ΔA_n)-t·n，根据假定的m，t值计算出Mea(n)。基于一组固定的m，t值，若首次执行步骤301时，选择Mea(n)最大时对应的放大器跨段位置n＝M₁的放大器增益设为A_opt,M1；若第k次执行步骤301时，继续选取Mea(n)第k大时对应的放大器跨段位置n＝M_k的放大器增益设为A_opt,Mk；其他放大器增益为其初始值A_s,n(n＝1～N，n≠M_k，k＝1～K)，计算Q值。

步骤302、判断是否Q>Q_ref，若是，则进入步骤303，否则回到步骤301

步骤303、确定放大器调节个数。取变量count，其初始值为0，每执行一次步骤301则加1，因此当满足步骤302条件时，假定执行步骤301共计K次，则对应一组确定的加权系数(m，t)，有count＝K(m，t)。

步骤4、在预定的范围内改变所述加权系数(m，t)的值(例如预定范围为[0.1，1]，每次增加步长为0.1)，重新执行上一步骤(步骤3)；多次改变所述加权系数的值直到对m、t的遍历结束，则经步骤3得到一组数据K(m，t)，具体地，本实施例包含步骤401～404：

步骤401、判断是否t超范围(t>t2)，如果是则进入步骤402，否则进入步骤403；

步骤402、判断是否m超范围(m>m2)，如果是则进入步骤501，否则进入步骤404；

步骤403、数值t按照步长改变，增加Δt，进入步骤301；

步骤404、数值m按照步长改变，增加Δm，进入步骤301；

步骤5、在得到的一组数据K(m，t)中选取最小值，输出对应调节量及Q值，具体地，包含步骤501：

步骤501、选取K(m，t)最小时的值K_min，对应的加权系数值(m_min、t_min)，此时放大器调节个数为K_min个，步骤3已经得到对应的放大器增益为A_opt,Mk，其中k＝1～K_min。得到对应需要调节的放大器跨段位置、调节量及Q值

图3为一段二十个跨段长度互不相同且随机分布的光纤链路，其中可以调节的物理量和物理器件包括：P_in，1和A_n(n≤N，N＝20)。方案中选用PDM-QPSK-WDM***，WDM有80个信道，信道间隔50GHz，信号带宽30GHz。

优化过程：

经过前述步骤1，根据网管数据库主动获取光纤的链路配置，参数包括光路各传输跨段的传输光纤色散系数D＝20ps/nm/km、衰减α＝0.2dB/km、非线性系数γ＝1.3681×10^-3/W/m，可调放大器增益A_s,n分别为24，6，6，14，10，10，14，8，14，20，10，20，6，12，6，10，6，8，8，10(dB)。在发射机和放大器允许范围内，发射机功率遍历范围选取[-10,10](dBm)，采用公式(1)所示的评估公式计算出对应的接收端Q因子最大时Q_opt＝19.0635dB，及其对应的链路最优配置值第一段光纤的最优入纤功率P_opt＝1.42dBm，放大器增益A_opt，n分别为：17.92，6，8.75，12.65，10，11.35，11.97，10.03，16，16.65，13.35，15.25，8.08，9.92，7.4，8.6，6.72，8，8.68，10(dB)，如表1所示。设置Q_ref＝18.4717dB(在有控制功能的光通信***设备中，Q_ref可以通过控制平面或网管设置)。

经过前述步骤2，按照度量标准为Mea＝m·ABS(ΔA_n)-t·n，设置m、t变化范围均为[0.1:0.01:1]，表示变化区间为[0.1，1]，步长为0.01。

经过前述步骤3～5，在m，t变化时，统计Q因子大于Q_ref时所需的光放大器配置调节个数，得到在m＝1，t＝0.3时具有最小的调节个数(K_min＝2)，其中需要调节的放大器跨段位置分别为M1＝1、M2＝3(图3所示A₁和A₃)，对应的Mea值分别为5.78和1.85，如表1最右一栏所示。此时，经过将A₁和A₃分别调整到A_opt，1和A_opt，3，得到Q因子为18.5698dB，大于Q_ref＝18.4717dB，优化结束。

最后，优化完成的调节量可以通过网管平面(或控制平面)和传输平面之间接口下发到各节点实施动态调节。当实现传输性能评估的装置位于控制平面(PCE或分布式控制平面节点)，所述放大器增益的信息可以通过信令协议在各控制平面节点之间传递，并且通过控制平面节点和传输平面节点接口，将调节量下达到各节点实施动态调节，实现对链路的优化，并将最新的配置参数保存在网管或控制平面的数据库中。

表1、放大器初始值及优化结果(K＝2时，Q>Q_ref)

从上表可看出：第二次优化的结论满足判决条件，为返回网管的配置值，其仅对第一和第二个变量进行调节。当然，实例中初始配置还有其他多种情况，对于接收端信号质量差、传输性能需要进一步提高的光纤链路，本发明可以在尽可能少的调节配置量的情况下，有效且快捷的优化***的传输性能。该优化算法选取调节次数和传输性能两个因素的平衡状态，实现对***配置的优化，采用尽可能少的光放大器调节个数，达到尽可能优的传输性能。

本方案适用于长距离的多跨段不规则链路、无色散补偿的相干检测***情况。其度量值考虑了调节量和调节节点个数两个目标，除本专利中给出的两者相减的示例外，度量值M_ea还可以是包含调节量和调节节点个数的其他组合形式，以有效减少优化链路所需要调节的调制器个数。

Claims (6)

1.一种长距离相干光通信***传输性能优化方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、基于链路各跨段衰减和放大器噪声特性，计算出整个光通信链路的最优性能参数，包括最优入纤功率P_opt、最优放大器增益A_opt,n，继而得到放大器增益最优差值ABS(ΔA_n)＝|A_opt,n-A_s,n|，其中ΔA_n是最优放大器增益与放大器增益初始值之间的差；

步骤2、设定一组加权系数m、t的范围和初始值；

步骤3、考虑所述放大器增益最优差值和放大器跨段位置n两个因素，设置度量标准为Mea＝m·ABS(ΔA_n)-t·n，根据假定的m，t值计算出Mea；选择Mea较大时对应的K≥1个放大器跨段位置n＝M₁,…,M_K，所对应的放大器增益分别设为A_opt,M1,…,A_opt,MK，其他放大器跨段位置n＝1～N，且n≠M₁,…,M_K所对应的放大器增益为其初始值A_s,n，使***Q>Q_ref，其中Q是***质量参数，Q_ref为预设的一保证可靠传输所要求的指标值；

步骤4、在预定的范围内改变所述加权系数m，t的值，重新执行步骤3；多次改变所述加权系数的值，则经步骤3得到一组数据K；

步骤5、选取K最小时的值K_min，对应的加权系数值m_min、t_min，此时放大器调节个数为K_min个，根据步骤3结果得到对应的放大器增益分别为A_opt,Mk，其中k＝1～K_min；所述步骤3～4中，入纤功率使用所述最优入纤功率P_opt。

2.如权利要求1所述长距离相干光通信***传输性能优化方法，其特征在于，还包含以下步骤：

对链路中K_min个放大器的增益进行调整，使所对应的放大器增益从其初始值A_s,Mk调整为A_opt,Mk。

3.如权利要求1所述长距离相干光通信***传输性能优化方法，其特征在于，计算Q值的方法是适用光信噪比级联计算，即Q＝SNR_Rx，有

其中，SNR_n为第n个跨段信噪比。

4.如权利要求3所述长距离相干光通信***传输性能优化方法，其特征在于，

其中，L_n为n＝1～N各跨段的长度，P_in，n为第n个跨段的入射光信号功率，P_ASE,n为放大器自发辐射噪声功率，P_NLI，n为非线性噪声功率，A_n为放大器的增益。

5.如权利要求1～4任一所述长距离相干光通信***传输性能优化方法，其特征在于，设置所述加权系数m的变化范围为[δ，1]，其中δ为一接近0的正数。

6.如权利要求1～4任一所述长距离相干光通信***传输性能优化方法，其特征在于，设置所述加权系数t的变化范围为[δ，1]，其中δ为一接近0的正数。