СПОСОБ КОНТРОЛЯ СИСТЕМОГО ЗАПАСА ПО ОТНОШЕНИЮ ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ/ШУМ И КОГЕРЕНТНОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2019 года по МПК H04B10/79 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к системам связи, использующим когерентные сигналы и в частности, для контроля заданных отношений оптический сигнал/шум (OSNR).

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Развертывание высокоскоростных прозрачных и перестраиваемых оптических сетей требует эффективных, гибких и надежных способов контроля оптических характеристик (ОРМ), чтобы обеспечить высокое качество обслуживания и высокого уровня отказоустойчивости.

Внедрение оптического когерентного детектирования сигнала с частично подавленной несущей, при котором фаза и амплитуда несущей восстанавливаются на стороне приемника и преобразуются с понижением частоты в электрической области (в отличие от прямого детектирования, при котором теряется информация о фазе), обеспечивает дополнительную степень свободы для кодирования и передачи информации и, следовательно, способствует увеличению спектральной эффективности. Самое важное состоит в том, что выполняемое без потерь преобразование оптического сигнала в электрический предлагает резкое увеличение области применения цифровой обработки сигналов (DSP) с последующим высокоскоростным аналого-цифровым преобразованием.

На стороне передатчика, DSP может быть использовано следующим образом:

1. Для реализации продвинутых форматов модуляции с двойной поляризацией (DP) (например, DP-BPSK, DP-QPSK, DP-8QAM, DP-16QAM) для увеличения количества битов на символ;

2. Для повышения спектральной эффективности многоканальных систем передачи с использованием таких методик, как формирование импульсов по Найквисту или мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM);

3. Для реализации способа предварительного искажения с целью повышения устойчивости распространения сигнала по ухудшенному волокну; и

4. Для применения с программируемыми параметрами модуляции с целью передачи сигнала по изменяющемуся по времени и пространству каналу связи и при различных требованиях по пропускной способности.

На стороне приемника, DSP может быть использовано, в основном, для:

1. Снижения требований к когерентному оптическому приемнику, делая прием оптического сигнала экономически более эффективным, поскольку сложность может быть перенесена из оптической области в электрическую область (например, путем цифровой компенсации смещения несущей частоты и оптического фазового шума).

2. Компенсации искажений, вызванных распространением сигнала через оптическую сеть (хроматическая дисперсия ("CD"), дисперсия режима поляризации ("PMD"), потери, вызванные поляризацией ("PDL"), когда такая компенсация позволяет повысить пропускную способность и увеличить расстояние досягаемости.

3. Обеспечения нужных параметров контроля заданного отношения оптический сигнал/шум («OSNR»), отношения электрический сигнал/шум («ESNR»), накопленной дисперсии CD, PMD и PDL детектированного сигнала;

4. Адаптивной перенастройки стратегии детектирования сигнала для работы с динамическими сетями;

5. Разрешения на использование способы упреждающей коррекции ошибок (SD-FEC) и повышения гибкости управления.

При переходе на передовые форматы когерентной модуляции и использование DSP, оптические сети высокой спектральной эффективности могут быть разработаны практически без ограничений на накопленные CD и PMD. Современные технологии обеспечивают компенсацию до +/-60000 пс/нм накопленных CD и 30 пс PMD. Следовательно, протяженность передачи ограничивается, главным образом, усилением спонтанного шума («ASE») в оптических усилителях и оптическими нелинейными эффектами.

В режиме реального времени контроль OSNR должен обеспечить удовлетворительное качество сигнала и устранить возможные сбои на линии передачи. В данной области техники было предложено несколько способов выявления уровня внутриполостного шума OSNR путем непосредственной оценки внутриполостного шума, даже при наличии оптических фильтров в линии связи. Эти способы отвечают требованиям использования поляризационного мультиплексирования и форматам когерентной оптической модуляции. Имеются два способа внутриполостного контроля OSNR на основе эффекта вынужденного бриллюэновского рассеяние («SBS»), описанные в патентных заявках заявителя, опубликованных в США (US 20120063772 и US 20120219285), которые включены в данное описание в качестве ссылки.

Были также предложены и другие способы, которые основаны на использовании DSP в когерентном приемнике. Например, Z. Dong, А.Р.Т Lau and С. Lu, в работе "OSNR monitoring for QPSK and 16-QAM systems in presence of fiber nonlinearities for digital coherent receivers", Optics Express, vol. 20, no. 17, pp. 19520-19534, 2012», где они описывают способ контроля OSNR в цифровых когерентных приемниках, нечувствительный к нелинейности оптического волокна, который основан на включении и калибровке корреляции нелинейно-индуцированной амплитуды шума волокон между соседними символов в обычную методику оценки OSNR из распределения принятого сигнала.

Однако определение уровня OSNR сигнала все еще недостаточно для эффективного контроля запаса по OSNR (е.е. разности между OSNR на выходе линии связи и требуемым OSNR). Общий системный запас по OSNR определяется как отклонение значения OSNR от текущего рабочего уровня OSNR канала до уровня OSNR, которое достигается при заранее заданном коэффициенте битовых ошибок (BER). Как правило, это предварительный порог (preFEC BER), для которого пост FEC BER составляет 10^-15. Линия связи, подверженная ухудшению физических параметров, таких как оптическая мощность, полученная приемником, CD, PMD, PDL и особенно нелинейные эффекты, может значительно изменить уровень OSNR, который должен быть достигнут для заданной целевой величины BER и, следовательно, создаст трудности при оценке общего запаса по OSNR.

Контроль запаса по OSNR требуется на различных этапах работы оптической сети, начиная с установления канала связи (где нужно сравнить фактический и ожидаемый системный запас по OSNR на основе проекта сети с адаптацией системы в случае необходимости) во время передачи трафика (с целью определения потенциального ухудшения системы и выполнения необходимой адаптации канала и/или перенаправления сигнала при необходимости), а также при обнаружении неисправности (для локализации места повреждения).

Контроль системного запаса по OSNR особенно полезен при использовании оптических когерентных приемопередатчиков с программным управлением, позволяющий оптимизировать адаптивные параметры приемопередатчика, такие как скорость передачи данных, скорость передачи символов, форматы модуляции и затраты на FEC, как часть обслуживания, и требования сети, такие как расстояние досягаемости, производительность, приоритет обслуживания и время ожидания.

Известный из уровня техники способ контроля системного запаса по OSNR показан на фигуре 1. При передаче сигнала по линии связи, часть сигнала, подлежащая контролю, отводится от линии и уровень OSNR этого сигнала измеряется с помощью оптического спектрального анализатора («OSA»), и затем обеспечивается предварительный уровень FEC BER, используя модуль FEC декодера приемника. Как правило, для достижения заданной целевой величины FEC BER, уровень OSNR сигнала преднамеренно уменьшается до входа сигнала в приемник с помощью двух волоконных усилителей, легированных эрбием (EDFA) и установленных каскадно с переменным оптическим аттенюатором (VOA), который действует как элемент потери пролета, расположенный между двумя усилителями. Такой подход имеет недостаток, заключающийся в необходимости использовать сложное и дорогостоящее оборудование сети, не позволяющее его систематическое использование. Поэтому, когда в соответствии с этим способом требуется измерить запас по OSNR в данном сетевом узле, пользователь мог бы физически объединить эти элементы в географическом положении узла (при значительных эксплуатационных расходах) и найти точку доступа для монитора в линии, где сигнал может быть отведен без нарушения трафика во время измерения.

Патент US 7561797 описывает способ и систему для контроля OSNR оптического сигнала на приемном конце оптической линии. Предлагаемый способ основан на ухудшении сигнала на стороне передатчика, реализуя один из следующих двух вариантов:

Вариант 1. В цифровом фильтре используется функция предварительной компенсации (например, для предварительной компенсации CD), оставляя остаточное ухудшение на стороне приемника (например, остаточную хроматическую дисперсию).

Вариант 2. Добавление на стороне передатчика цифрового электрического шума к цифровому электрическому сигналу до его передачи в цифроаналоговый преобразователь («DAC»).

Однако патент США 7561797 имеет тот недостаток, что он требует ухудшения сигнала до его передачи через линию связи, и также требует, чтобы информация, принятая приемником, должна быть из приемника обратно в передатчик через канал управления для того, чтобы иметь возможность контролировать степень ухудшения. Кроме того, способ вывода только в полосе OSNR на основании предварительного измерения частоты ошибок по битам FEC BER недостаточно точен, так как предварительная коррекция ошибок FEC BER пропорциональна отношению электрический сигнал/шум (ESNR), и ESNR и OSNR линейно пропорциональны только тогда, когда уровень OSNR достаточно низкий и когда основные нарушения связи происходят только от шума ASE. В случае нелинейного искажения и/или искажений CD и PMD, зависящих от физической среды, линейная зависимость между ENSR и OSNR не подтверждается.

Следовательно, требуется точный способ определения системного запаса по OSNR. Способ должен надежно противостоять нарушениям в линии связи, таким как нелинейности оптического волокна, CD, PMD и PDL. Такой способ не должен влиять на качество обслуживания сигнала и должен обеспечивать возможность дистанционного контроля системы, чтобы быть экономически эффективным.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего раскрытия является обеспечение нового, сравнительно недорогого способа, нечувствительного к физическим ухудшениям линии связи, для контроля запаса по OSNR в оптических сетях.

Другой целью настоящего раскрытия является обеспечение способа, который соответствует форматам когерентной модуляции, которые могут быть выполнены прозрачно, не влияя на качество сигнала, и не требует установки сложного оборудования в узлах сети.

Другие цели настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания изобретения.

Отношения между OSNR и ESNR для когерентных оптических сигналов описаны в соответствии с публикацией «Нелинейные искажения в высоко-дисперсионных оптических когерентных системах», («F. Vacondio et al. (Optics Express, vol. 20, no. 2, pp. 1022-1032, 2012)» следующим образом:

где параметр «А» связан с характеристиками передачи (такими как скорость передачи символов, формат модуляции, ширина полосы пропускания электрического фильтра приемника и оптическая ширина полосы пропускания оптического фильтра до начала детектирования сигнала), тогда как параметр "К" (общее снижение физическое силы сигнала) относится к эффекту насыщения, который существует между OSNR и ESNR (для OSNR>>1/K, где ESNR приближается к значению А/K) и связан с физическими ухудшениями канала связи, по которым прошли когерентные оптические сигналы, такие как принятая оптическая мощность, CD, PMD, PDL и нелинейные эффекты оптических волокон.

В соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения, предложен способ контроля системного запаса по OSNR в оптической сети, который включает следующие стадии:

(i) получение когерентного оптического сигнала в оцифрованном виде;

(ii) получение значения текущего OSNR, (OSNR_dB), связанного с полученным когерентным оптическим сигналом;

(iii) получение значения текущего ESNR, (ESNR_1,dB), связанного с принятым когерентным оптическим сигналом;

(iv) определение опорного значения ESNR, (ESNR_2,dB);

(v) извлечение величины параметра А, который связан с характеристиками передачи, которые относятся к принятым когерентным оптическим сигналам;

(vi) вычисление величины параметра K, который связан с физическими нарушениями канала, по которому был передан когерентный оптический сигнал, до приема этого сигнала; и

(vii) определение системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB) на основе текущих величин ESNR_1,dB, ESNR_2,dB, параметра А и параметра K и получение из них изменений, которые происходят в контролируемом запасе по OSNR.

Согласно другому варианту воплощения стадия (vii) дополнительно включает вычисление запаса по ESNR, ΔESNR_dB как

В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения, величина системного запаса по OSNR, (ASNRdB), определяется с помощью следующего уравнения:

В еще одном варианте воплощения, величина опорного ESNR, (ESNR_2,dB), определяется на стадии (iv) путем добавления цифрового шума к когерентному оптическому сигналу, который находится в оцифрованном виде до тех пор, пока величина для ESNR_2,dB такова, что заранее заданная целевая величина BER не будет достигнута.

В соответствии с еще одним вариантом воплощения, величина ESNR2,dB извлекается из базы данных (например, из таблицы поиска).

В соответствии с другим вариантом воплощения, стадия (vi) осуществляется путем вычисления величины параметра К канала, по которому был получен когерентный оптический сигнал:

В еще одном варианте воплощения заявленный способ дополнительно содержит стадию, которая, когда величина запаса по OSNR (AOSNR_dB) контролируемого оптического канала ниже заданной целевой величины, инициирует переключение, в результате которого трафик будет передан от данного оптического канала другому оптическому каналу.

В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения, предложено когерентное приемное устройство, предназначенное для использования в оптической сети связи, которое включает:

приемник, предназначенный для приема когерентного оптического сигнала в оцифрованном виде;

монитор запаса по OSNR, выполненный с возможностью измерения величины текущего OSNR (OSNR_dB), связанного с принятым когерентным оптическим сигналом;

анализатор (например, анализатор спектра или подходящий анализатор сигналов), выполненный с возможностью измерения величины текущего ESNR, (ESNR_1,dB) и связанный с принятым когерентным оптическим сигналом;

по меньшей мере, один процессор (например, процессор для обработки цифровых сигналов (DSP), предназначенный для:

определения величины опорного ESNR, (ESN_2dB);

извлечения величины параметра "А", который связан с характеристиками передачи, которые относятся к принятым когерентным оптическим сигналам;

вычисления величины параметра "K", который связан с физическими нарушениями канала связи, по которому был получен когерентный оптический сигнал; и

определения величины системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB) на основе текущих величин ESNR_1,dB, ESNR_2,dB, параметра А, параметра K и вытекающих из них изменений, которые происходят в контролируемом запасе по OSNR.

Термин "монитор запаса по OSNR" или "устройство монитора OSNR", как он используется здесь в описании и формуле изобретения, в основном, относится к устройству, которое выполняет одну или несколько функций и действует как анализатор оптического спектра, анализатор радиочастотного спектра, асинхронный сэмплер или нелинейное оптическое устройство, например, оптический параметрический усилитель или бриллюэновский лазер кольцевого типа.

В соответствии с еще одним вариантом воплощения настоящего изобретения, по меньшей мере, один процессор дополнительно используется для вычисления запаса по ESNR, ΔESNR_dB, в виде

ΔESNR_dB=ESNR_1.dB-ESNR_2.dB

В еще одном варианте воплощения, по меньшей мере, один процессор дополнительно сконфигурирован для определения величины системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB), используя следующее соотношение:

В соответствии с еще одним вариантом воплощения, когерентный приемник дополнительно содержит цифровой генератор шума, выполненный с возможностью генерации цифрового шума (например, цифрового шума, имеющего нормальное распределение), в котором, по меньшей мере, один процессор имеет возможность определять величину опорного ESNR, (ESNR_2,dB), путем добавления и объединения контролируемого цифрового шума с когерентным оптическим цифровым сигналом, пока величина для ESNR2dB не станет равной величине заданной целевой величины BER.

В соответствии с другим вариантом воплощения, по меньшей мере, один процессор дополнительно сконфигурирован для вычисления величины параметра K канала, по которому был получен когерентный оптический сигнал, используя следующее отношение:

В соответствии с другим вариантом воплощения, по меньшей мере, один процессор дополнительно сконфигурирован для извлечения величины опорного ESNR, (ESNR_2,dB) из базы данных. Предпочтительно, база данных содержит данные опорных ESNR, (ESNR_2,dB), которые зависят, по меньшей мере, от одного члена группы, состоящей из формата модуляции принимаемого когерентного оптического сигнала, скорости передачи символов принимаемого когерентного оптического сигнала и режима оптической фильтрации (например, ширины пропускания оптического фильтра в цветовом режиме) или оптической фильтрации в бесцветном режиме).

В еще одном варианте воплощения источник шума может быть аналоговым электрическим источником, шум который может быть добавлен к принимаемому когерентному оптическому сигналу до его оцифровки (например, с помощью аналого-цифрового преобразователя («ADC»).

Описываемый здесь способ позволяет осуществлять контроль системного запаса по OSNR в отношении когерентных оптических сигналов, а также общего ухудшение физических параметров в реальных современных оптических сетях, не требуя внешнего оптического источника ASE. Кроме того, этот подход не требует участия человека на месте измерения, так как способ может быть выполнен дистанционно. Способ обеспечивает устойчивость к физическим воздействиям (в частности к нелинейным эффектам волокон) и высокую точность.

Следует понимать, что предложенный здесь способ относится к различным форматам когерентной модуляции, например, BPSK (двоичная фазовая манипуляция), ИКМ (импульсно-кодовая модуляция), QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), КАМ (квадратурная амплитудная модуляция) и тому подобное. Кроме того, этот способ также применим для случаев двойной поляризации указанных выше форматов модуляции с одной несущей (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов мультиплексирования) или мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM).

Нелинейные искажения (называемые также "интерференционным шумом"), которые присутствуют в линии, могут привести к добавлению циркулярно-симметричного гассового распределения шума в восстановленной группе сигналов после их обработки (например, с помощью DSP). Это случай характерен для оптических линий связи с не управляемой дисперсией. При этом опорное отношение ESNR для заданной целевой величины FEC BER не зависит от физических ухудшений линии связи (в отличие от опорного OSNR для заданной целевой величины FEC BER. Таким образом, может оказаться предпочтительным использовать поисковую таблицу для извлечения опорного ESNR.

Однако в случае когерентного оптического сигнала, передаваемого по линии связи с управляемой дисперсией, нелинейное распределение интерференционного шума отклоняется от кольцевой нормальности. Таким образом, использование поисковой таблицы для извлечения из нее опорного ESNR, может привести к некоторым неточностям, особенно для низких предварительных целевых уровней FEC BER (<4×10^~3). В таких случаях предпочтительны описанные выше варианты воплощения, с помощью которых генерируется цифровой шум, который добавляется к сигналу управляемым образом, пока не будет установлен опорный ESNR, который удовлетворяет заранее заданной целевой величине FEC BER.

С учетом характера когерентного детектирования, операция также может быть выполнена с использованием бесцветного подхода (то есть без установки какого-либо оптического фильтра перед приемником). В этом случае один монитор может быть использован для сканирования величины OSNR системы когерентных оптических каналов в оптическом спектре только с помощью настройки местного гетеродина оптической частоты в соответствующих когерентных оптических каналах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания настоящего изобретения обратимся теперь к рассмотрению следующего подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фигура 1 - Система предшествующего уровня техники, реализующая измерение запаса по OSNR, основанная на использовании широкополосного источника шума ASE и открытую архитектуру сценариев (OSA).

Фигура 2 - Пример, показывающий, как ухудшение физической сети влияет на системный запас по OSNR.

Фигура 3 - Блок-схема одного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором контроль системного запаса по OSNR основан на контроле ESNR и OSNR и использовании таблицы поиска для извлечения величины параметра А и опорной ESNR.

Фигура 4 - Блок-схема другого варианта осуществления настоящего изобретения, на которой контроль системного запаса по OSNR основан на контроле ESNR и OSNR и на использовании таблицы поиска для извлечения величин параметра А и опорной ESNR.

Фигура 5 - Примерные экспериментальные результаты, полученные при передаче 2×120,6 Гбит/с по каналам DP-QPSK вместе с передачей 2×45,8 Гбит/с по каналам DP-QPSK без управления дисперсией по линии связи 5×100 км.

Фигура 5А - Экспериментальные результаты зависимости ESNR от OSNR для различных уровней оптической мощности для передачи 120,6 Гбит/с по каналу DP-QPSK с принятой оптической мощностью -10 дБм.

Фигура 5В - Экспериментальные результаты зависимости порогов ESNR и OSNR для целей BER 1,5×10^~2 и 2×10^~3, соответственно, от исходных уровней оптической мощности для передачи 120,6 Гбит/с по каналу DP-QPSK с полученной оптической мощностью -10 дБм.

Фигура 5С - Примерные экспериментальные результаты сравнения проведенного между известным уровнем техники и способом по настоящему изобретению, включающим контроль системного запаса по OSNR в зависимости от исходной мощности для передачи 120,6 Гбит/с по каналу DP-QPSK.

Фигура 6 - Примерные экспериментальные результаты, полученные при передаче 1×120,6 Гбит/с по каналам DP-QPSK вместе с передачей 2×45,8 Гбит/с по каналам DP-QPSK и передачи 4×10.7 Гбит/с по каналам с управляемой дисперсией по линии G.652.

Фигура 6А - Экспериментальные результаты зависимости ESNR от OSNR для различных исходных уровней оптической мощности при передаче 120,6 Гбит/с по каналу DP-QPSK с принятой оптической мощностью -10 дБм.

Фигура 6В - Экспериментальные результаты зависимости порогов ESNR и OSNR для целей BER 1,5×10^-2 и 2×10^-3 при исходных уровнях оптической мощности для 120,6 Гбит/с по каналу DP-QPSK с принятой оптической мощностью -10 дБм.

фигура 6С - Примерный экспериментальный результат сравнения между известным уровнем техники и способом контроля системного запаса по OSNR по настоящему изобретению как функции исходной мощности для передачи 120,6 Гбит/с по каналу DP-QPSK.

Фигура 7 Схематическая иллюстрация другого варианта осуществления настоящего изобретения для контроля системного запаса по OSNR.

Фигура 8 - Еще один вариант осуществления настоящего изобретения для контроля системного запаса по OSNR.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В описании термин "содержащий" имеет расширенное значение так, что если говорится, что первый элемент содержит второй элемент, первый элемент может также включать в себя один или несколько других элементов, которые не обязательно идентифицированы или описаны в данном описании или в формуле изобретения. Для целей объяснения описываются многочисленные конкретные детали для того, чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения. Однако ясно, что настоящее изобретение может быть реализовано на практике без этих конкретных деталей.

Фигура 1 иллюстрирует известную установку для измерения системного запаса по OSNR, которая основана на использовании источника широкополосного шума ASE и анализатора OSA. После передачи сигнала по сетевой линии связи, часть сигнала, подлежащего контролю, отводится от линии. Уровень OSNR сигнала измеряется с помощью оптического спектроанализатора (OSA), и модуля декодера FEC приемника обеспечивает заданный уровень FEC BER. Для достижения заданной целевой величины FEC BER, уровень OSNR сигнала до приемника ухудшается с помощью двух эрбиевых волоконных усилителей (EDFA) в каскадной конфигурации с переменным оптическим аттенюатором (VOA), который действует как элемент компенсации потерь, расположенный между двумя усилителями. Такой подход имеет тот недостаток, что требует использования сложного и дорогостоящего сетевого оборудования, которое не позволяет оператору использовать его в своих системах. Следовательно, согласно известному техническому решению, когда требуется выполнить измерения запаса по OSNR в данном сетевом узле, оператору придется физически нести эти части оборудования в географическое местоположение узла (что связано со значительными операционными расходами) и найти точку доступа для монитора в линии, где сигнал может быть отведен без ввода помех в трафик во время выполнения этих измерений.

На фигуре 2 представлены два сценария зависимости от заданной целевой величины FEC BER 1,5×10^-2 от OSNR в примере, где трафик 120,6 Гбит/с передается по одному каналу DP-QPSK через пять пролетов, при этом каждый из этих пролетов включает 100 км стандартного одномодового волоконно-оптического кабеля (в соответствии с рекомендацией ITU-T G.652):

- Сценарий 1: исходная мощность на пролет составляет 1 дБм и принятая оптическая мощность -10 дБм (случай линейной передачи); и

- Сценарий 2: исходная мощность на пролет составляет 7 дБм и принятая оптическая мощность -19 дБм (случай нелинейной передачи).

Заданная целевая величина FEC BER достигается при OSNR=12,6 дБ для сценария 1 и OSNR=14,5 дБ для сценария 2. Предполагая, что OSNR в конце линии составляет 20 дБ, системный запас по OSNR составляет 7,4 дБ и 5,5 дБ для сценариев 1 и 2, соответственно. Этот пример демонстрирует важность точной оценки системного запаса по OSNR, так как он очень чувствительна к условиям работы системы.

На фигуре 3 представлена схема варианта осуществления настоящего изобретения, в котором контроль системного запаса по OSNR основан на контроле ESNR и OSNR и на использовании базы данных для извлечения требуемых значений, связанных с параметром А и опорным ESNR. После передачи по сетевой линии связи оптический сигнал поступает в его конечную точку и передается в когерентный приемник. Перед когерентным детектированием оптический сигнал может быть отфильтрован с помощью оптического фильтра (детектирование по цветовому коду) или он может быть детектирован без прохождения через оптический фильтр (бесцветное детектирование). В последнем случае все оптические сигналы, передаваемые через оптико-волоконные каналы, будут направлены в оптический приемник. Бесцветное детектирование не является источником помех, поскольку правильный выбор делается в то время, когда известна частота гетеродина, который, в свою очередь, определяет, какой канал когерентно обнаружен. После преобразования оптического сигнала в электрический домен, он оцифровывается с помощью четырех высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (ADC) и направляется в блок DSP для компенсации потерь в оптическом волокне, таких как CD, перекрестные поляризационные помехи, PMD и PDL. Также может быть выполнена цифровая компенсация смещения несущей частоты и оптического фазового шума. После применения этих алгоритмов компенсации искажений, шумовые символы восстанавливаются и оцениваются, используя жесткую или мягкую методику детектирования. ESNR оценивается на основе жесткой или мягкой обработки символа, и блок декодера FEC может обеспечить заданные величины FEC BER.

Монитор запаса по OSNR получает от блока управления необходимую информацию, которая относится к контролируемому каналу, например, заданная целевая величина FEC BER, формат модуляции, скорости передачи символов и режим оптической фильтрации: цветовой или бесцветный (в смысле - подвергается или не подвергается принятый сигнал оптической фильтрации до его ввода в приемник). В случае цветового режима также будет предоставлена информация о полосе пропускания оптического фильтра. С помощью этой информации, монитор запаса по OSNR извлекает из таблицы поиска величину параметра А и ESNR заданной целевой величины FEC BER, которая обозначается в описании и формуле изобретения как ESNR_2dB или ESNR_ref,dB. Кроме того, монитор запаса по OSNR посылает запрос на внешний внутриполосный модуль монитора OSNR, чтобы получить уровень OSNR контролируемого канала. Он также отправляет запрос в когерентный приемник на получение уровня ESNR обнаруженного канала, обозначаемого как ESNR_1dB.

Используя следующее уравнение,

ΔESNR_dB=ESNR_1.dB-ESNR_2.dB

монитор запаса по OSNR может оценить запас по OSNR канала. Параметр общего физического снижения мощности (обозначенный как параметр К) вычисляется с использованием следующего уравнения:

Этот параметр учитывает различные физические ухудшения, связанные с линией, такие как оптическая мощность, остаточная хроматическая дисперсия (CD), остаточная PMD, остаточная PDL, которые не компенсируются цифровой обработкой сигнала (DSP) когерентного приемника, а также нелинейные искажения (или остаточные нелинейные искажения, если используется нелинейное компенсационное устройство). Наконец, используя ESNR_1,dB, ESNR_ref,dB, параметры А и K, запас по OSNR, можно получить величину ΔOSNR_dB с помощью следующего соотношения:

Величины ΔOSNR_dB и/или параметра K (связанного с общим физическим ухудшением параметра мощности) может быть возвращено в блок управления для использования под его контролем или для выполнения дальнейших действий в случае необходимости. Монитор запаса по OSNR может быть частью встроенного программного обеспечения приемопередатчика, который содержит модуль когерентного линейного передатчика/приемника, или он может быть интегрирован в блок DSP, входящий в когерентный приемник.

С учетом характера когерентного детектирования, контроль запаса по OSNR также может быть осуществлен с использованием бесцветного подхода (то есть без установки какого-либо оптического фильтра перед приемником). В этом случае монитор может быть использован для сканирования системного запаса по OSNR когерентных оптических каналов в оптическом спектре только с помощью настройки местного гетеродина оптической частоты в соответствующих когерентных оптических каналах. В таком случае предложенный монитор может быть использован для сканирования системного запаса по OSNR когерентных оптических каналов, присутствующих в оптическом спектре, просто путем настройки оптической частоты местного гетеродина на оптические частоты каналов.

На фигуре 4 представлено схематическое изображение другого варианта осуществления настоящего изобретения с контролем запаса по OSNR на основе контроля ESNR и OSNR и использования таблицы поиска для извлечения параметров А и отношения ESNR_ref. В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения, контроль OSNR выполняется в блоке DSP когерентного приемника.

На фигуре 5 представлены экспериментальные результаты передачи 2×120,6 Гбит/с по каналам DP-QPSK с повторной передачей 2×45,8 Гбит/с по каналам DP-QPSK по линии связи без управления дисперсией, состоящей из 5×100 км оптического волокна, что соответствует рекомендации ITU-T G0.652. Каналы разнесены на 50 ГГц друг от друга, и запас по OSNR измеряется, используя способ, описанный на фигуре 3 для одного из двух каналов 120,6 Гбит/с.

На фигуре 5А представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие зависимость ESNR от OSNR для различных уровней оптической мощности для канала DP-QPSK со скоростью передачи 120,6 Гбит/с с оптической мощностью -10 дБм. Можно видеть, что зависимость ESNR от OSNR выражена следующим отношением:

При увеличении исходной мощности на пролет, канал подвергается более сильному нелинейному ухудшению, которое переходит в нелинейный интерференционный шум при когерентном детектировании. Пунктирные кривые показывают отличное соответствие с измерением, и следующие параметры А и K были получены как функции исходной мощности:

Можно видеть, что в линиях без управления дисперсией, нелинейные ухудшения влияют только на параметр К, тогда как параметр А остается постоянным. Параметр А зависит только от характеристик линии связи, таких как скорость передачи символов, формат модуляции, режим фильтрации и, следовательно, величины параметра А могут быть сохранены в таблице поиска, имеющей входы по скорости передачи, формату модуляции и режиму фильтрации.

На фигуре 5В представлены экспериментальные результаты зависимости между требуемыми порогами ESNR и OSNR для целей BER 1,5×10^~2 и 2×10^~3 при исходных уровнях оптической мощности на пролет для канала DP-QPSK со скоростью передачи 120,6 Гб/с, имеющего принимаемую оптическую мощность -10 дБм. Можно видеть, что для обеих заданных величин FEC BER, требуемое отношение ESNR не зависит от исходной мощности на пролет, в то время как отношение OSNR, которое требуется для достижения заданной целевой величины FEC BER, увеличивается вместе с исходной мощностью на каждый пролет в результате нелинейных ухудшений. Когда исходная оптическая мощность увеличивается от 1 дБ до 7 дБ, требуемый уровень OSNR для 1,5×10^-2 заданной целевой величины FEC BER увеличивается на 1,3 дБ, в то время как требуемый уровень OSNR для заданной целевой величины 2×10^-3 FEC BER увеличивается на 3,05 дБ. Отношение ESNR, требуемое для достижения соответствующей заданной целевой величины FEC BER, не зависит от исходной оптической мощности на пролет, поскольку в линии связи с неуправляемой дисперсией нелинейное шумовые помехи, как правило, с циркулярно-симметричным комплексным гауссовым распределением выражены как шум ASE и, следовательно, не могут быть отделены от ASE шума. Таким образом, требуемые величины ESNR могут быть получены в цветовой или бесцветной конфигурации режима фильтрации (т.е. без оптического волокна, но с источником шума ASE, чтобы настроить уровни OSNR и ESNR) для хранения в таблице поиска, имеющей входы в виде функции заданной целевой величины FEC BER, скорости передачи символов, формата модуляции и режима фильтрации.

На фигуре 5С представлено экспериментальное сравнение результатов, полученных по способу известного уровня техники, показанного на фигуре 1, с результатами, полученными при реализации предлагаемого способа контроля системного запаса по OSNR в зависимости от исходной мощности для канала DP-QPSK со скоростью передачи 120,6 Гб/с для заданных величин FEC BER 1,5×10^~2 и 2×10^~3 соответственно. Предполагается, что канал OSNR в приемнике фиксируется на 20 дБм, опорные величины ESNR установлены на 8,15 дБ и 10,1 дБ для заданных уровней FEC BER 1,5×10^-2 и 2×10^-3 соответственно, при оптической мощности принимаемого сигнала -10 дБм. На фигуре показано хорошее совпадение результатов, полученных обоими способами, с погрешностью менее 0,2 дБ для обеих заданных величин FEC BER.

На фигуре 6 представлены экспериментальные результаты передачи 1×120,6 Гбит/с по каналам DP-QPSK вместе с передачей 2×45,8 Гбит/с по каналам DP-QPSK и 4x10,7 Гбит/с по каналам ООK с управляемой дисперсией, состоящим из 5×100 км оптического волокна, которое соответствует рекомендация ITU-T G.652. Каналы разделены по частоте 50 ГГц и предусмотрена защитная полоса 300 ГГц между каналом DP-QPSK 120,6 Гбит и каналами 10,7 Гбит/с. Для каждого из двух первых пролетов в конце пролета использовалось волокно с компенсацией дисперсии (DCF) для компенсации 90 км CD, в то время как для каждого из последних трех пролетов использовалась DCF для компенсации 95 км.

На фигуре 6А представлены экспериментальные результаты зависимости ESNR от OSNR для различных исходных уровней оптической мощности для канала DP-QPSK 120,6 Гб/с и с принимаемой оптической мощностью -10 дБм. При повышении исходной мощности на пролет, канал демонстрирует увеличение нелинейного ухудшения, которое переходит в нелинейный интерференционный шум после когерентного детектирования. На этой фигуре пунктиром показано хорошее соответствие с данными измерения, и следующие были получены следующие параметры А и К, как функция исходной мощности:

Можно видеть, что в линиях связи, с управляемой дисперсией нелинейные ухудшения влияют только на параметр К, тогда как параметр А остается постоянным. Параметр А зависит только от характеристик линии связи (т.е. от скорости передачи символов, формата модуляции, режим фильтрации) и, следовательно, величины параметра А могут быть сохранены в таблице поиска, имеющей входы по скорости передачи, формату модуляции и режиму фильтрации.

На фигуре 6В представлены экспериментальные результаты зависимости порогов ESNR и OSNR для заданных величин FEC BER 1,5×10^~2 и 2×10^~3 от исходных уровней оптической мощности для канала DP-QPSK со скоростью передачи 20,6 Гб/с и с принимаемой оптической мощностью -10 дБм. Можно видеть, что OSNR, требуемая для достижения заданной целевой величины FEC BER, увеличивается вместе с исходной мощностью на каждый пролет в результате нелинейных ухудшений. Когда исходная оптическая мощность увеличивается от 0 дБ до 5 дБ, требуемый уровень OSNR 1,5×10^-2 для заданной целевой величины FEC BER увеличивается на 2,25 дБ, в то время как требуемый уровень OSNR для заданной целевой величины FEC BER 2×10^-3 увеличивается на 5,6 дБ. Также можно видеть, что в случае линий с неуправляемой дисперсией отношение ESNR, требуемое для достижения заданной целевой величины FEC BER слегка увеличивается по исходной мощности на пролет. При увеличении исходной оптической мощности от 0 дБ до 5 дБ, требуемый уровень ESNR для цели 1,5×10^-2 FEC BER увеличивается на 0,25 дБ, тогда как требуемый уровень OSNR для заданной целевой величины 2×10^-3 FEC BER увеличивается на 0,35 дБ. В отличие от линий связи с неуправляемой дисперсией, ESNR требуемое для получения заданной целевой величины FEC BER слабо зависит от исходной оптической мощности на пролет, поскольку нелинейное распределение интерференционного шума отклоняется от циркулярно-симметричного комплексного гауссового распределения. Таким образом, можно было бы ожидать получения ошибки запаса по OSNR, если требуемые величины ESNR получены из настройки по замкнутому контуру (т.е. без использования оптического волокна, но с источником шума ASE для настройки OSNR и уровней ESNR) и требуемые величины ESNR извлекаются из таблицы поиска, входы которой являются функцией заданной целевой величины FEC BER, скорости передачи символов и формата модуляции. Однако, как предполагается, эти ошибки, будут значительными только в том случае, когда заданные величины FEC BER существенно меньше величины 4×10^-3, и для высокого нелинейного OSNR потери будут, например, порядка 2,5 дБ).

На фигуре 6С показано экспериментальное сравнение результатов, полученных по способу известного уровня техники и по способу, показанному на фигуре 1, и результаты, полученные при реализации предлагаемого способа контроля системного запаса по OSNR, в зависимости от исходной мощности для канала DP-QPSK 120,6 Гбит/с. Предполагается, что OSNR канала на стороне приемника фиксируется на уровне 20 дБм, и принимаемая оптическая мощность составляет -10 дБм. Кроме того, предполагается, что опорные величины ESNR установлены на 8,15 дБ и 10,1 дБ для заданных уровней FEC BER 1,5×10^-2 и 2×10^-3 соответственно, и что оптическая мощность принимаемого сигнала равна -10 дБм. Для заданной целевой величины FEC BER 2×10^-3 погрешность составляет менее 0,35 дБ для исходной мощности до 4 дБм, в то время как в случае исходной мощности 5 дБм за пролет, ошибка возрастает до 1,35 дБ за счет высоких нелинейных потерь (5,6 дБ) и отклонения нелинейного распределения помехи от циркулярно-симметричного комплексного гауссового распределения.

Фигура 7 - схематическое представление еще одного варианта осуществления настоящего изобретения, где контроль системного запаса по OSNR основан на контроле ESNR и OSNR и на использовании источника цифрового шума, генерируемого в блоке DSP когерентного приемника. Величина параметра А извлекается из таблицы поиска. Реализация этого варианта позволяет оператору уменьшить ошибки измерений, когда нелинейные помехи в виде шума отклоняется от циркулярно-симметрично комплексного гауссова распределения. После полхождения по линии связи оптический сигнал поступает в свою конечную точку и передается в когерентный приемник. Как отмечено выше, до когерентного детектирования сигнал дополнительно может быть отфильтрован с помощью оптического фильтра (цветовое детектирование), или он может быть детектирован без прохождения через оптический фильтр (бесцветное детектирование). После преобразования оптического сигнала в электрический домен, преобразованный сигнал оцифровывается (например, с помощью четырех высокоскоростных ADC) и передается в блок DSP для компенсации потерь в оптическом волокне, таких как накопленное CD, поляризационные перекрестные помехи, PMD и PDL. Также может быть выполнена компенсация смещения несущей и оптических фазовых шумов. Источник цифрового шума создает независимые выборки циркулярно-симметричного комплексного гауссова шума, которые могут быть добавлены к обоим поляризационным трибутарным потокам детектированного сигнала. После применения алгоритмов компенсации ухудшений, шумовые символы восстанавливаются и оцениваются, используя жесткий или мягкий способ детектирования. ESNR оценивается на основе жесткой или мягкой обработки символов, и блок декодера FEC может обеспечить заданные коэффициенты FEC BER. Амплитуда цифровых выборок шума устанавливается таким образом, что обнаруженные восстановленные символы достигают заданного уровня ESNR.

Монитор запаса по OSNR извлекает из блока управления необходимую информацию, которая относится к контролируемому сигналу, например, формат модуляции, скорость передачи символов и режим оптической фильтрации. В случае цветного режима оптической фильтрации, также может быть предоставлена информация о полосе пропускания оптического фильтра. Полученная таким образом информация затем может быть использована монитором запаса по OSNR для извлечения из таблицы поиска величины параметра А. Кроме того, внешний внутриполосный модуль OSNR обеспечивает нужный уровень OSNR контролируемого канала. Монитор запаса по OSNR посылает запрос в когерентный приемник для того, чтобы обеспечить уровень ESNR обнаруженного сигнала (канала) и обеспечить значение ESNR_1dB, когда источник цифрового шума отключен, чтобы не влиять на выборки принимаемого сигнала. Затем монитор запаса по OSNR посылает второй запрос в когерентный приемник с целью ухудшения уровня ESNR для достижения заданной целевой величины BER (информации, которая передается блоком управления на оптический приемник) путем добавления цифровой выборки шума генерируемого с помощью источника цифрового шума. Величина уровня ESNR, полученного для заданной целевой величины BER подставляется в приведенное выше уравнение как ESNR_2dB. Источник цифрового шума адаптирует амплитуду добавленных выборок шума к монитору FEC BER, для того, чтобы достичь заданной целевой величины FEC BER. Уровень ESNR обнаруженного канала, ESNR_1dB, получается, как описано выше, когда источник цифрового шума отключен от выборок принимаемого сигнала. Монитор запаса по OSNR может оценить запас ENSR канала и параметр общего физического ухудшения (параметр K). Наконец, используя ESNR_1,дБ, ESNR_2,дБ и параметры А и К, вычисляется запас по OSNR, ΔOSNR_dB, который может быть отправлен обратно в блок управления для контроля или для выполнения дальнейших действий в случае необходимости. Монитор запаса по OSNR может быть встроенным программным обеспечением приемопередатчика в виде карты, которая содержит модуль когерентного линейного передатчика/приемника, или может быть встроена в блок DSP когерентного приемника.

С учетом характера когерентного детектирования, операция также может быть осуществлена с использованием бесцветного подхода и в этом случае один предложенный монитор может быть использован для сканирования запаса по OSNR когерентных оптических каналов в оптическом спектре путем настройки местного гетеродина оптической частоты на соответствующие оптические частоты поступающих каналов.

На фигуре 8 представлена схема еще одного варианта осуществления настоящего изобретения, где контроль системного запаса по OSNR основан на контроле ESNR и OSNR, используя генератор источника цифрового шума, расположенный в блоке DSP когерентного приемника, и таблицу поиска для извлечения из нее величины параметра А. В этом варианте воплощения контроль OSNR осуществляется в блоке DSP, входящим в когерентный приемник.

В описании и формуле изобретения настоящей заявки, каждый из глаголов, «включать», «содержать» и «иметь», и их спряжения используются для указания того, что объект или объекты по этому глаголу не обязательно охватывают все элементы, компоненты, или части предмета или предметов.

Настоящее изобретение было подробно описано в примерах вариантов осуществления, которые представлены в качестве примера и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом. Описанные варианты осуществления включают в себя различные функции, не все из которых требуются во всех вариантах осуществления настоящего изобретения. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения используют только некоторые из признаков или возможные комбинации признаков. Описанные варианты осуществления настоящего изобретения содержат различные комбинации признаков, известных специалистам в данной области техники. Объем настоящего изобретения ограничен только приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в оптических системах связи. Технический результат состоит в повышении качества связи. Для этого в способе и устройстве осуществляют контроль системного запаса по OSNR в оптических сетях, на основе величины отношения оптический сигнал/шум (OSNR) и величины отношения электрический сигнал/шум (ESNR). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ контроля системного запаса по отношению оптический сигнал/шум (OSNR) в оптических сетях, который включает следующие стадии:

(i) прием когерентного оптического сигнала в оцифрованном виде;

(ii) получение величины текущего OSNR, (OSNR_dB), связанного с принятым когерентным оптическим сигналом;

(iii) получение величины для текущего отношения электрический сигнал-шум (ESNR), (ESNR_1,dB), связанного с принятым когерентным оптическим сигналом;

(iv) определение величины опорного ESNR, (ESNR_2,dB);

(v) нахождение величины для параметра A, который связан с характеристиками передачи, относящимися к принятым когерентным оптическим сигналам;

(vi) вычисление величины для параметра K, который связан с физическими нарушениями канала, по которому был получен когерентный оптический сигнал; и

(vii) определение величины системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB) на основе текущих величин ESNR_1dB, ESNR_2,dB, параметра А и параметра K и выявление вытекающих из них изменений, которые происходят в указанном контролируемом системном запасе по OSNR.

2. Способ по пункту 1, в котором стадия (vii) дополнительно включает вычисление запаса по ESNR, ΔESNR_dB, в соответствии со следующим уравнением:

3. Способ по пункту 2, в котором величина запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB) определяется с помощью следующего уравнения:

4. Способ по пункту 1, в котором величина опорного ESNR, (ESNR_2,dB), определяется на стадии (iv) путем добавления цифрового шума к оцифрованному когерентному оптическому сигналу до тех пор, пока величина для ESNR_2,dB не обеспечит достижение заданной целевой величины BER.

5. Способ по пункту 1, в котором величина опорного ESNR, (ESNR_2,dB), извлекается из базы данных.

6. Способ по пункту 1, в котором стадия (vi) осуществляется путем вычисления величины параметра K канала, по которому был передан когерентный оптический сигнал, используя уравнение:

7. Способ по пункту 1, который дополнительно содержит стадию, в которой, когда величина системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB), контролируемого оптического канала ниже заранее заданной величины, инициируется переключение, в результате которого трафик переадресуется от указанного оптического канала к другому оптическому каналу.

8. Когерентное приемное устройство, сконфигурированное для использования в оптической сети связи и содержащее:

приемник, предназначенный для приема когерентного оптического сигнала;

монитор запаса по OSNR, предназначенный для измерения значения текущего OSNR (OSNR_dB) и связанный с принятым когерентным оптическим сигналом;

анализатор, предназначенный для измерения величины текущего, ESNR (ESNR_1,dB) и связанный с принятым когерентным оптическим сигналом;

по меньшей мере один процессор, предназначенный для:

определения величины для опорного ESNR, (ESNR_2,dB);

нахождение величины параметра А, связанного с характеристиками передачи, которые относятся к принятым когерентным оптическим сигналам;

вычисления величины параметра K, связанного с физическими нарушениями канала, по которому был принят когерентный оптический сигнал; и

определение величины системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB), на основе текущих величин ESNR_1,dB, ESNR_2,dB, параметра А, параметра K и выявление вытекающих из них изменений, которые происходят в указанном контролируемом запасе по OSNR.

9. Когерентное приемное устройство по пункту 8, в котором один или более из указанного по меньшей мере одного процессора дополнительно сконфигурирован для вычисления запаса по ESNR, (ΔESNR_dB), как

10. Когерентное приемное устройство по пункту 9, в котором один или более из указанного по меньшей мере одного процессора дополнительно сконфигурирован для определения величины системного запаса по OSNR, (ΔOSNR_dB), по следующему уравнению:

11. Когерентное приемное устройство по пункту 8, дополнительно содержащее цифровой генератор шума, сконфигурированный для генерирования цифрового шума, в котором по меньшей мере один или более из указанного по меньшей мере одного процессора дополнительно сконфигурирован для контроля величины опорного ESNR (ESNR_2,dB) путем управляемого комбинирования генерированного цифрового шума с оцифрованным когерентным оптическим сигналом до тех пор, пока величина ESNR_2,dB не достигнет заданной целевой величины BER.

12. Когерентное приемное устройство по пункту 8, в котором по меньшей мере один или более из указанного по меньшей мере одного процессора дополнительно сконфигурирован для вычисления величины параметра К канала, по которому был принят когерентный оптический сигнал, используя уравнение:

13. Когерентное приемное устройство по пункту 8, в котором один или более из указанного по меньшей мере одного процессора дополнительно сконфигурирован для нахождения величины опорного ESNR, (ESNR_2,dB) из базы данных.

14. Когерентное приемное устройство по пункту 13, в котором указанная база данных содержит записи опорных ESNR, (ESNR_2,dB), которые зависят по меньшей мере от одного члена группы, которая состоит из формата модуляции принятого когерентного оптического сигнала, скорости передачи символов принятого когерентного оптического сигнала и режима оптической фильтрации.