采用平均Q因子的可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控

隨著多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展。光骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)中的分組信號(hào)所占的比重越來(lái)越大，由于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)突發(fā)性和其不可預(yù)見(jiàn)性，因而要求光網(wǎng)絡(luò)具有可重構(gòu)性?？芍貥?gòu)光網(wǎng)絡(luò)是一種自動(dòng)地、動(dòng)態(tài)地分配帶寬資源，適應(yīng)于以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主導(dǎo)的光網(wǎng)絡(luò)。對(duì)可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，尤其是性能監(jiān)控尤為重要。

可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)及其性能管理的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。其中Q因子測(cè)量方法是一種有效的監(jiān)控方法，是確定光通道質(zhì)量的有效手段。通過(guò)測(cè)試Q因子來(lái)評(píng)估BER性能，可以得出最優(yōu)設(shè)計(jì)設(shè)備中的最小BER。它既可以采用雙判決電路進(jìn)行在線監(jiān)視，也可以采用單判決電路工作在在停業(yè)務(wù)狀態(tài)。眼圖是觀察波形失真、噪聲水平和信號(hào)質(zhì)量的首選工具。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外已有很多基于眼圖的不同抽樣方法，可實(shí)現(xiàn)光性能的監(jiān)控。

在現(xiàn)有的幾種方法中，通過(guò)眼圖抽樣可得出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均功率值，從而得出Q值。此方法需要時(shí)鐘定時(shí)提取，實(shí)現(xiàn)過(guò)程較復(fù)雜；而運(yùn)用異步眼圖抽樣法來(lái)監(jiān)控光信道中的歸零碼和不歸零碼的性能參數(shù)(主要是光信道的色散)，測(cè)量的參數(shù)比較單一，不能完全反映信道質(zhì)量；依據(jù)Q值和誤碼率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了一種在線檢測(cè)光信號(hào)Q值的方案，并基于數(shù)字信號(hào)處理芯片技術(shù)設(shè)計(jì)了檢測(cè)模塊，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的在線Q值監(jiān)測(cè)。此方法的判決電平不易確定，而且當(dāng)噪聲幅度較大時(shí)，誤差也大；利用同步眼圖來(lái)計(jì)算平均Q值的方法在抽樣時(shí)需要時(shí)鐘提取來(lái)同步，既復(fù)雜，成本又高，而且這種方法比特率也不透明；而使用異步眼圖抽樣方法來(lái)抽樣脈沖寬度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，則不需要時(shí)鐘恢復(fù)，而且比特率透明、成本低。

以上大多沒(méi)有監(jiān)測(cè)對(duì)其測(cè)試結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)之間的關(guān)系做深入研究。為此，本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的監(jiān)控方法，即在不需要時(shí)鐘定時(shí)提取的條件下，通過(guò)異步眼圖抽樣法，并利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)計(jì)算并得出平均Q值。通過(guò)比較平均Q值和初始Q值的關(guān)系，可以快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。該方法用于多波長(zhǎng)系統(tǒng)可得出抽樣間隔和測(cè)試結(jié)果之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)多波長(zhǎng)光網(wǎng)絡(luò)的作用。這種方法比特率透明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

1?實(shí)現(xiàn)原理

反映光通信系統(tǒng)信號(hào)性能質(zhì)量的參數(shù)很多。但無(wú)論采用哪個(gè)參數(shù)，都能從不同程度上反映光通道的性能。在這些參數(shù)中，BER反映的光通道性能最為準(zhǔn)確，但其測(cè)量需要電光變換和時(shí)鐘恢復(fù)等復(fù)雜操作。目前大多數(shù)系統(tǒng)采用OSNR來(lái)評(píng)估光通道性能，但精確度不夠，因此，一個(gè)新的參數(shù)，即Q因子被引入其中。

Q因子是反映光纖通信系統(tǒng)電信噪比(SNR)的重要參量，它的定義是接收機(jī)在最佳判決門限下電信號(hào)功率和噪聲功率的比值，可適用于各種信號(hào)格式和速率的數(shù)字信號(hào)，而且不需要解開(kāi)幀結(jié)構(gòu)。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，比較簡(jiǎn)單易行。Q因子參數(shù)的確立和測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際維護(hù)和測(cè)試有著重要的意義。

由于Q因子是在光接收機(jī)判決數(shù)據(jù)之前測(cè)量得到的，因此，很容易建立與BER之間的關(guān)系：



此外，由于計(jì)算Q因子的噪聲功率部分是由ASE造成的，故此，Q因子和OSNR之間的關(guān)系可由正式得到：



式中，r為發(fā)送端光信號(hào)的消光比。

圖1所示是平均Q值的異步眼圖和它的振幅直方圖。其中幅度圖表示的是信號(hào)傳號(hào)和空號(hào)的幅度分布，平均Q值的定義式為：



其中，μ1是信號(hào)1的平均電平，σ1是信號(hào)1電平的標(biāo)準(zhǔn)方差(噪聲)，μ0是信號(hào)0的平均電平，σ0是信號(hào)0電平的標(biāo)準(zhǔn)方差(噪聲)。

利用該方法可監(jiān)控傳輸光纖中信號(hào)的SNR。用光接收機(jī)和示波器來(lái)測(cè)量光信號(hào)的異步眼圖，并通過(guò)對(duì)眼圖進(jìn)行抽樣得出平均估計(jì)Q值。通過(guò)大量的計(jì)算機(jī)模擬仿真來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)某闃狱c(diǎn)間隔，筆者發(fā)現(xiàn)，在平均估計(jì)Q值和初始Q值之間有一個(gè)線性關(guān)系。運(yùn)用這個(gè)線性關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的性能監(jiān)控。同時(shí)，在光學(xué)采樣后，通過(guò)簡(jiǎn)單地增加波長(zhǎng)鑒別，還可以用于多波長(zhǎng)通道的監(jiān)測(cè)。

2?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示是一種取樣方法的系統(tǒng)流程圖，模擬仿真就是建立在這個(gè)系統(tǒng)之上的。將輸入的光信號(hào)通過(guò)分路裝置分成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一部分通過(guò)光纖輸出，另一部分輸出到調(diào)節(jié)器。采樣脈沖和輸入的光信號(hào)可進(jìn)入由低頻脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立偏振調(diào)制器。由于這種脈沖調(diào)制和數(shù)據(jù)是異步的，故可進(jìn)行抽樣平均。當(dāng)信號(hào)進(jìn)人到下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)將由一個(gè)光電二極管在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)調(diào)制信號(hào)的功率。數(shù)字信號(hào)處理器可用來(lái)收集測(cè)量數(shù)據(jù)，并獲得相應(yīng)的概率密度函數(shù)。然后利用這些概率密度函數(shù)來(lái)分析監(jiān)測(cè)信息。該方法可同時(shí)用于估計(jì)不同波長(zhǎng)信道的Q因子。



3 仿真實(shí)現(xiàn)

圖3所示是該光網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控系統(tǒng)的仿真流程圖。可以用一個(gè)余弦信號(hào)加隨機(jī)正態(tài)噪聲來(lái)模擬光纖中傳輸?shù)男盘?hào)(包括偽隨機(jī)二進(jìn)制序列的NRZ碼信號(hào)和自發(fā)輻射噪聲)，以得出初始Q值。然后選擇恰當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)抽樣點(diǎn)，可以周期為單位，兩抽樣點(diǎn)之間間隔為T+n·△t，再將抽樣值放人一個(gè)一維數(shù)組中。之后再按照抽樣值電平的范圍，對(duì)一維數(shù)組中的抽樣值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)值繪制振幅高斯分布圖。最后根據(jù)高斯分布圖求得平均估計(jì)Q值。這樣，將初始Q值和平均估計(jì)Q值進(jìn)行比較，就可以得到兩者之間的關(guān)系圖。



4 仿真結(jié)果

選取不同的抽樣點(diǎn)數(shù)和抽樣間隔，即可在不同的初始Q值情況下，得出表1和表2所列的平均Q值。



由表1和表2可知，在抽樣過(guò)程中，當(dāng)抽樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，兩抽樣點(diǎn)之間的間隔T+n·△t對(duì)仿真結(jié)果有較大的影響，測(cè)試結(jié)果往往不能反映實(shí)際Q值。一般地，當(dāng)抽樣點(diǎn)大于40000個(gè)，由抽樣位置不同造成的平均Q值之間的差別小于0.01，而仿真結(jié)果與抽樣位置(T+n·△t)基本無(wú)關(guān)。由于系統(tǒng)不需要時(shí)鐘定時(shí)提取，抽樣點(diǎn)位置是隨機(jī)的，故可能取到函數(shù)值為0處，從而導(dǎo)致平均Q值比初始Q值小很多。但平均Q值是穩(wěn)定的，仍然可以反映初始Q值的大小。筆者得出的初始Q值和平均Q值之間的關(guān)系如圖4所示。



由表1、表2和圖4可知，當(dāng)初始Q值由6降低到5時(shí)，單波長(zhǎng)信道的平均Q值從3.0086降到2.9082，降低了0.1004。而在抽樣點(diǎn)大于20000時(shí)，抽樣位置導(dǎo)致的波動(dòng)小于0.002，此時(shí)，Q值的劣化是可以被監(jiān)測(cè)到的。

在波分復(fù)用系統(tǒng)中(4個(gè)波分)，同樣取20000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行仿真。當(dāng)其中某一波長(zhǎng)信道的初始Q值由6降低到5時(shí)，其它3個(gè)信道的Q值仍然為6，此時(shí)，四波長(zhǎng)系統(tǒng)的平均Q值從3.0085降到2.9835(降低了0.025)，抽樣位置導(dǎo)致的波動(dòng)誤差也是小于0.002，此Q值的劣化也可以監(jiān)測(cè)。所以，該方法可以用于波分復(fù)用系統(tǒng)中。

進(jìn)一步的仿真還表明，在n個(gè)信道的波分復(fù)用系統(tǒng)中，某一波長(zhǎng)信道的Q值下降導(dǎo)致的平均Q值下降為該波長(zhǎng)系統(tǒng)的1／n，所以抽樣位置導(dǎo)致的波動(dòng)誤差必須更小。仿真表明，16個(gè)波分復(fù)用系統(tǒng)中的抽樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)該大于80000個(gè)。

5?結(jié)束語(yǔ)

本文主要探討了一種基于平均Q因子的可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控技術(shù)。此方法利用異步眼圖抽樣。不需要時(shí)鐘同步。文中通過(guò)大量數(shù)值仿真得出了抽樣點(diǎn)數(shù)對(duì)估計(jì)Q值的直接影響。結(jié)果表明：抽樣點(diǎn)數(shù)小于5000個(gè)時(shí)，不能反映實(shí)際結(jié)果。當(dāng)測(cè)試點(diǎn)數(shù)大于40000個(gè)以上時(shí)，可以測(cè)試多波長(zhǎng)系統(tǒng)的實(shí)際Q值。此方法不但可以快速監(jiān)測(cè)可重構(gòu)多波長(zhǎng)光網(wǎng)絡(luò)的性能，而且比特率透明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于實(shí)際的可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和測(cè)試且有重要意義。