超长距离波分传输的关键技术

    前言：我们对ULHWDM传输的发展、优势和应用领域已经在之前进行了介绍，这里将重点论述ULH传输所面临的技术挑战以及相应的要害技术。

    限制光信号传输距离的因素有几个，包括放大自发辐射噪声（ASE）、色度色散、非线性效应和偏振效应。本文主要介绍ASE噪声对波分传输系统的影响以及为克服OSNR劣化以实现ULH传输所诞生的要害技术。

    ASE与传输系统性能ASE噪声是光纤链路中光放大器生成的光噪声。所有放大器都会带来额外的噪声，光放大器也一样。在EDFA中，铒离子四周的电子从基态被泵浦到激发态。在光信号穿过掺铒光纤（典型的长度大约为5至10米）时，前者从受激发的电子中抽取能量，信号随之得以放大。可是电子可以自发地回落到基态，同时随机地辐射出光子。掺铒光纤的前端随机辐射生成的光子可以在光纤的后部分获得放大，其放大机理与输入光信号的一样。该额外噪声可以由噪声指数（NF）描述。该参数说明了光放大器的放大特性有多“嘈杂”。理论上EDFA的最小噪声指数是3dB。但实际应用中EDFA的典型噪声指数是6dB。由于光放大器不但能对输入的光信号和ASE噪声进行相同增益的放大，而且会额外增加一部分ASE噪声功率，因此ASE噪声会沿着传输光纤路径积累起来，这一效应可利用“光信噪比（OSNR）”这一概念来定量衡量。OSNR定义为某信道的光功率和该信道波长上的ASE光功率之间的比值。显然，沿着传输光纤路径上OSNR数值是逐步降低（劣化）的。

    对于一个带光放大的传输链路，作为衡量系统性能最终手段的接收比特误码率（BER）直接与接收器的OSNR有关。其他条件不变，OSNR越大，则BER越低。以2．5Gbps接收机为例，在背靠背（无传输）配置下接收10dB消光比的光信号，为获得10？12的BER所要求的最小OSNR的典型值为14dB？15dB，因此2．5Gbps传输系统的接收机处的OSNR必须大于这一数值。相应这一OSNR数值称为该传输系统的“OSNR容限”。在WDM传输系统中“OSNR容限”是衡量系统性能的最重要的光学指标之一。其他条件不变，传输系统的OSNR容限越低，接收具有某一OSNR的信号光所获得的BER就越低，系统性能也就越优异。

    显然，OSNR最终也会对传输距离造成限制。利用一个简单公式可以估计典型的带光放大的传输链路的OSNR。假设每段光纤的损耗相同，每段光纤使用的光放大器的增益和噪声指数也相同，则经过N段光纤传输后，光信号的OSNR为：OSNRdB＝58dB＋入纤光功率－NF－每跨段损耗－10log（跨段数目）取单信道的入纤光功率为0dBm，每个放大器的噪声指数为6dB，每个80km光纤跨段损耗为22dB，一个8跨段光放大传输链路给出的接收端OSNR约为21dB。考虑到2．5Gbps收发机在背靠背配置中的典型OSNR容限为14dB？15dB。因此，在不计入传输代价时上例中的传输系统具有大于6dB的系统余量。

    10Gbps接收器的带宽较大，不但轻易受光噪声的影响，而且轻易受电噪声的影响，因此对于10Gbps传输很难获得良好的原始BER，OSNR要达到25dB才能得到10？15的BER。在0dBm入纤光功率情况下，上述OSNR对应3个80km跨段的光放大传输。因此须采用适当的措施延伸传输距离。

    可以看出，为使传输距离更长的同时又保持足够的OS？NR，可以增加入纤光功率，入纤光功率增加3dB可以将传输距离延长一倍。然而入纤光功率的一味提高会引发较大的光纤非线性效应，反而不利于实现超长距离传输。切实可行的方法主要集中在如下两方面：降低OSNR容限，如采用前向纠错（FEC）技术、码型技术等；采用低噪声光放大器，延缓OSNR的劣化，如喇曼放大技术等。

    前向误码校验技术FEC技术通过在传输码列中加入冗余纠错码，可降低接收端的OSNR容限，从而达到改善系统性能、降低系统成本的目的。FEC所贡献的传输系统OSNR容限的降低可以称为“FEC编码增益”，编码增益越强，则纠错性能越高。在10Gbps系统中利用G．975FEC技术可以将8×10－5的原始BER纠错至10？15，前者对应的OSNR大约是14dB？15dB。因此单信道10Gbps的DWDM传输（带FEC和色散补偿）性能与单信道2．5Gbps的DWDM系统几乎相同。在0dBm入纤光功率情况下，两者的OSNR受限传输距离都可达到8×80km。而在单信道2．5Gbps的DWDM系统使用G．975FEC技术，前者的OSNR容限可降低至14dB左右（含6dB系统余量）。

    从编码角度来说，交织码和级联码都可以用于FEC技术。前者包括BCH码、RS码、Goppa码等，具有算法简单、编码效率高、纠错能力强等优点，是用于纠突发错误的一种简洁有效方法，现在大多数FEC技术都采用了这种技术。后者包括RS级联码、分组Turbo码（BCH乘积码）等。

    目前业界提出的用于SDH／DWDM的实用化FEC主要有以下三种：

    带内FEC。带内FEC利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的监督码元。缺点是受限于帧开销中可利用的字节数和帧本身的长度，编码增益较小，一般为3dB？4dB。带内FEC常采用BCH3码编解码，有现行标准I？TU－TG．707支持。

    带外FEC。带外FEC由ITU－TG．975／709标准支持。ITU－TG．975标准规定利用RS（255、239）码交织编解码，在帧尾插入校验字，编码冗余度为7％。ITU－TG．709标准规定使用RS（255、238）编码，编码冗余度更大，且开销有一定灵活性。带外FEC的编码冗余度大，纠错能力强，编码增益较高（5dB？6dB），并且可以很方便地插入FEC开销而不受SDH帧格式的限制，具有较强的灵活性。缺点是插入的开销会增加线路速率，不能无缝升级，须对相应的设备做一定的改动。由于各设备厂商的广泛支持和应用，目前带外FEC基本上已成为事实上的FEC编码标准，也解决了初期由于FEC编码不同引起的不同公司设备不能互通的问题。

    超级FEC（SFEC）。随着软件和硬件技术的发展，在光通信系统中也逐步引入级联信道编码技术及其他具有更强增益的编码技术，进行超级FEC的研制。SFEC主要应用于时延要求不严、编码增益要求非凡高的光通信系统。涉及的码型包括RS级联码、分组Tur？bo码、Goppa码等。级联码不仅有极强的纠正突发错误、随机错误的能力，提供更大的编码增益，而且更重要的是可以利用其构造方法，达到信道编码定理所给出的码限（Shannon码）。超级FEC可用于带外FEC系统里，因此开销灵活，便于用户根据实际情况自行定义。超级FEC因其编解码过程比较复杂，目前还很少应用，但由于其性能优势，以后很可能会发展成为一项实用技术，并成为下一代的带外FEC的主流。

    总的来讲，若对编码增益要求不太高、不想对现有的系统进行大的调整，带内FEC则是一种最佳方案，可方便实现平滑升级。带外FEC具有灵活的开销，可用于需更大的编码增益的通信系统，但由于会改变调制速率，须根据码率对整个发送／接收设备作一定的更换。