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发布日期: 2011年3月8日

开通 40G 海底网络—测试挑战

开通 40G 海底网络—测试挑战

3/15/2011

从海底光缆的规划阶段到部署需要花费大量时间、金钱和人力才能确保海底网络的成功建成。在此过程中经常被忽略的一点是光纤的最终验收测试,它可能导致不希望的延迟。简单而言,都是为了保证光纤达到承诺的带宽。由于以往数据速率被认为是传输的极端挑战,因此这种最终验收测试通常都会被忽略。而随着 40G 的部署,将面对前所未有的严峻挑战,为了应对这些挑战,就必须正确理解它们并做好准备工作。为此,必须执行一些关键的物理层测试,包括色散测试,如色度色散 (CD) 测试和偏振模色散 (PMD) 测试。在 10G 系统中被认为不那么重要的测试在 40G 传输系统中就变得尤为关键。一旦这些参数经过充分鉴定和优化,就必须执行系统开通测试;系统开通测试包括信号功率水平和光信噪比 (OSNR) 测量,它们对于重复越洋或架空链路均十分重要。最后,还必须完成网络端到端数据链路层的鉴定,这时会执行所有相关的 SONET/SDH 测试,包括误码率 (BER) 等测试。

本文回顾了 40G 传输的出现所带来的挑战,介绍了各项测试的重要性,以及应该在哪里及如何执行这些测试,此外,还介绍了 2010 年执行的跨大西洋色散验收测试案例研究。

背景

人们对海底网络带宽的要求越来越强烈,使得服务提供商只有通过调整网络来为客户提供更多服务。此外,随着新技术的迅速涌现,服务提供商面临着艰难的选择,在这样竞争激烈的环境下,从 10G 升级至 40G 高级调制模式成为必然之选,但这并不意味着不考虑价格。

每次升级背后的三个主要推动因素是:(1) 服务提供商希望使用现有光纤和网元,以从已经部署的基础设施获取最大收益;(2) 希望提升运营的灵活性,这意味着更高效的服务准备和通过向客户提供新服务来增加收益;(3) 以及希望增加网元的密度来优化中心局空间和功耗。然而,从 10G 升级到 40G 或甚至升级到 100G 会对光损伤容限产生巨大的影响,比如:光信噪比,以及 CD 和 PMD 风险。

早在几十年前,人们就已经了解了 CD 和 PMD 效应,而在 OC-192/STM-64 系统中人们往往不会对这些参数进行测试。目前,随着 40G 的普及,CD 和 PMD 也日益成为更加严峻的问题。新的 40G 传输速率具有许多优点,但即使最健壮的 OC-768/STM-256 (40G) 系统的 CD/PMD 容限也比 OC-192/STM-64 (10G) 系统的 CD/PMD 容限小很多。40G 系统的 CD 容限典型值是 10G 的 10% 左右,PMD 容限典型值通常为 25%。这意味着原来认为可接受的 PMD 值可能不再被接受。

此外,在 10G 系统中有效的 CD 补偿方案,对于 40G 而言,残余色散仍然过高,特别的,PMD 不会被补偿,无论 PMD 是“预期良好”,还是经更频繁地测试发现其过高时,因此光纤被限制在较低速率。但可通过简单的色散补偿模块 (DCM) 来补偿 CD,这些模块由系统供应商自动部署并安装。另一方面,通过准确测量该参数,可以精细调节补偿的每个阶段,并且通过(如果需要)端到端的补偿调节来消除过量的残余色散。

以下案例研究强调了在 40G 海底网络部署中进行 CD 和 PMD 测量的重要性。

案例研究

本案例研究介绍了从英国到纽约的海底网络,测试了该网络的色散参数。该网络单程(英国-美国)长为 6008 km,包括 144 个掺铒光纤放大器 (EDFA)。测试了两条光纤:A4 和 A5。执行了以下测试:

  • 光纤 A4 的 CD 和 PMD,测试了两次 CD 以检验可重复性
  • 光纤 A5 的 CD 和 PMD,测试了两次 PMD 以检验可重复性

结果非常有启发性:

 

Lambda Zero (nm)

1550 nm 的残余色散 (ps/nm)

PMD (ps)

光纤 4A

1552.02

-1060

3.928

光纤 4A 重复

1552.04

-1065

未测试

光纤 5A

1551.86

-978

1.65

光纤 5A 重复

未测试

未测试

185

这些结果处于预期范围内:CD 得到了正确补偿,因此对于 10G 而言足够低,但显然不符合任何 40G 规范。PMD 低于 10G 容限,但其中一条光纤(光纤 4A)不满足 40G 典型 PMD 容限(典型值为 2.5 ps)。

为了证明测试结果的准确性,执行了环回测试。CD 为线性,对其进行环回测试应使结果值翻倍。PMD 具有随机性,总的预期值将会是平方和。结果如下所示:

 

Lambda Zero (nm)

1550 nm 的残余色散 (ps/nm)

PMD (ps)

光纤 4A 环回

1552.08

-2247

5.284

光纤 5A 环回

1551.95

-2025

未测试

两条光纤的环回结果值均在预期范围内(考虑测试设备的不确定度),这就确认了单向测试的有效性,进而确认了结论的有效性。这清楚证明了在 40G 海底网络部署中进行 CD 和 PMD 测试的重要性,无论其是否在 10G 下无差错运行。40G 网络中要监测的第二个参数是 OSNR,它可以很好地表示所有光学噪声效应。通常情况下,OSNR 和 BER 之间存在直接关系,因此,较高 OSNR 会导致较低 BER。

通常会遵循 IEC 61280-2-9 的建议,使用插值法来测量 OSNR。该方法基于噪声水平在相邻波峰之间和下方大致平坦这一假设。遗憾的是,当波峰的间距非常小(比如 40G 大信号,或超密集波分复用 (UDWDM) 的情况)并且串扰在 ASE 噪声中占主要部分(参见图 1)时,无法使用插值方法。
1 图 1. 不能插值的情形:波峰下方的噪声不平坦

在本案例中,使用了一种创新的方法,即偏振差分光谱分析法,它的原理是使用信号和噪声之间的根本差异进行的高级分析法;通过这种方法可以充分测量通道中的噪声,而无需关闭发送器。此方法被称为带内 OSNR 测量,它利用内置的偏振分集探测功能,结合偏振控制器来测量多偏振态光在两个偏振轴上功率随波长的变化,从而区分偏振和非偏振能量并分离通道内的噪声和信号。凭借可同时作用于信号波形的精密算法,用户便能够在 40G 网络中自动实现精确且可重复的 OSNR 测量。最后,鉴定 OC-768/STM-256 40G 净荷是开通 40G 海底链路的重要部分,典型方法是通过在整个网络上进行端到端 BER 测试 (BERT)。通过 BERT,服务提供商可以确保运行中的所有新 40G 线路均被证实能够处理将来可能面临的、具有苛刻要求的所有服务。因此,如果不采用合适的测试设备来执行这些测试例程,事情就会变得复杂并且烦琐。

结论

如上所述,随着 40G 及更高速率的部署,新的挑战即将到来。为了应对这些挑战,必须深刻理解它们并做好规划。关键的物理层测试包括色散测试,如色度色散 (CD) 测试和偏振模色散 (PMD) 测试。此外,还必须进行网络端到端的鉴定,这时会执行所有相关的 SONET/SDH 测试,包括误码率等测试。它们只是在 10G 下比较重要而在 40G 传输下变得极为关键的其中一些测试。
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