（电磁场与微波技术专业论文）dwdm网络光性能智能监测功能的实现.pdf

、- 一 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另t l d n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人鹳：二牛 本人承担一切相关责任。 日期： 尘! ! 兰：! 孽 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 垒竺二车 本人签名： 竺竺：车 导师签名： k 跟殿复 日期：一穸叫 日期：2o d 2 2 0 ， h 卞 c d w d m 网络光性能智能监测功能的实现 摘要 本文首先简单介绍了密集波分复用技术( d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 以及光性能监测技( o p t i c a lp e r f o r m a n c e m o n i t o r ，o p m ) 的相关原理，然后根据d w d m 设备项目的实际需求设计 了光性能监测板卡( p e r f o r m a n c em o n i t o r i n gu n i t ，p m u ) ，包括硬件和 软件部分，最后与网管系统进行了联合测试，验证了板卡功能的正确 性。 在板卡的设计过程中，采用模块化设计思路，缩短了硬件的设计 周期，减少了定位错误所需的时间，同时板卡与网管端的通信设计采 用了协议转化模块，使得网管可以直接通过简单网络管理协议( s i m p l e n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，s n m p ) 来管理板卡，这是本文设计的创 新之处。另外在改进的方案设计中，提出采用复杂可编程逻辑器件 ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 作为硬件通信的中间件， 则是本文另一个创新点。 本人的主要研究工作包括： 1 对d w d m 系统的发展、网络设备以及网络结构进行了研究，同时对 o p m 光性能监测技术的原理进行了分析研究，并在理论上研究了信道 信噪比与误码率之间的数学关系； 2 设计p m u 板卡的原理图( 包括芯片的选型) 、p c b 锘i 版图，焊接芯 片，调试模块功能，编写主控软件，与网管系统联合测试，完善板卡 功能，最终使得网管系统能够准确监测信道参数。 3 对p m u 板卡设计方法提出了修改方案，并设计了相关的试验测试方 案，验证其设计的可行性；同时完成了对光监控信道( o p t i c a l s u p e r v i s o rc h a n n e l ，o s c ) 中的传号反转码( c o d e dm a r ki n v e r s i o n ，c m i ) 与不归零码( n o nr e t u r nz e r o ，n r z ) 之间码型变换的软硬件设计方案， 并通过实际的测试平台验证了设计方案的正确性。 关键词：密集波分复用系统光性能监测性能监测单元复杂可编 程逻辑器件 个 、 f t o ft h i sp m ub o a r di sv e r i f i e dt h r o u g haj o i n tt e s tw i t ht h en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m m o d u l a rd e s i g ni su s e dd u r i n gt h ep r o c e s so ft h ep m ub o a r dd e s i g n i n g ， w h i c hc o u l dc u td o w nc y c l et i m e o fh a r d w a r e d e s i g n i n g i t i sa l s o c o n v e n i e n tt od od e b u g m e a n w h i l e ，d e s i g n i n go fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n 英文摘要 d e s i g nf e a s i b i l i t yi s s t i l ln e e d e d a n o t h e rw o r k i n gi st oc o m p l e t et h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n gf o ri n t e r c h a n g i n gp a t t e r nb e t w e e n c m i ( c o d e dm a r ki n v e r s i o n ) a n dn r z ( n o nr e t u r nz e r o ) i nt h eo s c c h a n n e l t h ev a l i d i t yo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n gp r o p o s a l i sv e r i f i e dt h r o u g hs o m er e a l i s t i ct e s t i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：d w d mp m u 0 p mc p l d i v t 、 ，l 1 i 波分复用系统1 1 1 1 波分复用技术。1 1 1 2 网络设各2 1 2 光性能监测技术3 1 3 研究内容4 1 4 研究意义4 第二章光性能监测技术6 2 1 基本原理6 2 2 信道参颦7 2 2 。1 信道光波长。7 2 2 2 信道功率8 2 2 3 信道总功率9 2 2 4 光信噪比9 2 2 5 品质因子1 0 2 3 误码率分析1 1 第三章p m u 单板的没计与实现1 4 3 1d w d m 项目背景。1 4 3 1 1 项目系统框图1 5 3 1 2 硬件设计1 6 3 1 3 软件设计1 7 3 1 4 芯片选型1 7 3 1 5 调试平台1 9 3 2p m u 板# 的硬件设计方案2 0 3 2 1 母板模块设计2 2 3 2 2 光开关模块设计2 3 3 21 3 土控模块设计2 4 3 2 4o p m 模块设计2 4 3 2 5d n e 通信模块殴计。2 5 3 2 6 电源模块设计2 6 3 2 7 机箱显示设计2 6 3 3p m u 板卡的软件设计方案。2 7 3 3 1 软件功能结构设计2 7 3 - 3 2 关键技术实现2 9 第四章p h u 单板的系统性能测试与评估3 7 4 1 功能测试平台3 7 4 2功能测试3 7 4 2 1 第一阶段实验3 7 4 2 2 第二阶段实验3 9 4 2 3 第三阶段实验4 2 目录 4 3 测试总结4 3 第五章设计改进及o s c 信道编解码4 5 5 1 设计方案改进4 5 5 1 1 芯片选型4 5 5 1 2 编程平台4 5 5 1 3 难点攻关4 6 5 1 。4 仿真时序图4 7 5 2 光监控信道o s c 编解码的实现一4 8 5 2 1 光监控信道简介4 8 5 2 2 主要任务4 9 5 2 3 实现方案5 0 5 2 4 方案测试5 3 总结5 5 参考文献5 6 缩写与注释5 7 致谢 5 9 攻读硕十期间发表论文目录6 0 i l 第一章绪论 第一章绪论 本章主要分成四个部分。第一部分介绍了波分复用系统，阐述了波分复用技 术的基本概念，其中着重介绍了d w d m 组网设备。第二部分主要介绍了光性能监 测技术的基本概念和其理论基础。第三部分主要介绍了波分复用设备项目研究的 内容。最后一部分则是介绍了项目研究的意义。 1 1 波分复用系统 1 1 1 波分复用技术 随着终端用户对信息需求的日益增长，使得通信运营商除了需要在接入网的 建设上加大投入，同时也需要扩大通信主干网的传输容量。但是重新布线所造成 的高额费用是各大通信运营商所无法接受的，所以如何利用现有的通信资源，做 最优化配置，是运营商们急需解决的问题。在传输网络中，运营商都把搭建波分 复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 网络作为骨干网络优化的首选目标， 因为波分复用技术使得传送网络具有巨大的容量和高效的带宽利用。 波分复用技术从本质上说就是光的频分复用技术i 。在模拟通信中，为了充分 利用传输带宽资源，人们采用了频分复用技术( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，f d m ) ，在发送端将多路信号调制到不同载波频率上，接收端再利用 滤波器或者混频器( 降频) 将各个不同频率的信号取出。波分复用技术采用同样原理 进行工作，只是由于人们更喜欢采用波长来定义光信号在频率上的差别，因此将 这种复用方法称为波分复用。所谓的w d m 技术就是按一定的波长间隔将单模光纤 的低损耗窗口划分成若干个信道，每一信道不同波长的光波将作为信号的载波【2 j 。 在发送端将承载信号的光波通过波分复用器把它们合并，并送入到一根光纤进行 传输，在接收端再利用波分解复用器将合并的光信号分开，如下图1 1 所示。 图1 - 1 波分复用示意图 第一章绪论 1 1 2 网络设备 与w d m 被同时提起的还有密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，d w d m ) ，两者使用的是同一种技术，只是密集波分复用技术的波道 间隔更小，使得复用的波道数更多，具体参数如表1 1 所示。目前在通信运营商的 骨干商用网络的传输技术基本上都采用d w d m 技术，基于d w d m 技术的光传送网 则是构成了整个通信网络的基础物理层i 引。 表1 1 波分复用波长使用范围 l复用类型w d md w d mc w d m j波长j 旬隔 as2 5 n mas 3 2 n m 3 2 n msa as2 5 n m 目前d w d m 设备主要有光转化单元( o p t i c a lt r a n s f e ru n i t ，o t u ) 、掺铒光纤 放大器( e r b i u m - d o p e do p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 、光分插复用器( o p t i c a la d d d r o pm a c h i n e ，o a d m ) 、光交叉连接器( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，o x c ) 等设备，如下图 1 2 所示。 - o a d m o x c _ o- i d 光 t厶 e贫。 二l i | a u- u d 分 一j 一 日 +波 f 波 oo 波 器器 一i t t 卜 器 a二l u - u l + 一 光 纤 收端 图1 - 2d w d m 密集波分复用设备的系统结构 ( 1 ) 光转化单元( o t u ) 它以电的方式再生光信号，把来s d h 的光信号转换为满足波分复用系统要 求的光信号，或者是将满足波分复用系统的光信号转换成为符合s d h 传输的光信 号。 ( 2 ) 掺铒光纤放大器( e d f a ) 根据e d f a ( 主要用来弥补合波器引起的功率损失以及提高光信号的发送功率) 在d w d m 光传输网络中的位置，可以将其分功率放大器、线路放大器以及前置放 大器。 ( 3 ) 光分插复用器( o a d m ) d w d m 系统容量增长迅速，通路数越来越多，点到点的线性系统已不能满足 网络的需要，因为两点之问的容量达到3 2 * 2 5 g b i t s 并不是很寻常的事情。引入 光分插复用器在线路的中间上下波长是非常必要的一种功能。 2 第一章绪论 o a d m 的功能主要包括：可分插复用技术是以2 5 g b i t s 为单通路速率的波长， 直接通过o a d m 的波长进行上下路的操作中断以及在本地或远端进行控制 ( 4 ) 光交叉连接设备( o x c ) d w d m 技术的广泛应用使传输带宽资源得到了极大丰富，网络交换节点逐渐 成为网络发展的瓶颈。o x c 主要由光交叉连接矩阵、多波输入、输出接口、光监 控和网络管理单元等组成。目- f i ；f o x c 主要是基于波长的交叉连接，通过对波长通 道的分插、配置功能实现业务汇接和网络光纤资源的优化。它能有效的管理整个 网络、实现灵活的业务调度，当网络出现故障时能迅速进行网络的保护、恢复。 1 2 光性能监测技术 由于d w d m 广泛应用在全球核心长途干线和城域网传输系统中，充分利用光 纤的巨大带宽，满足了人们对语音、数据和多媒体业务同益增长的需求。骨干长 途和城域网传输统领了其下所有的许多不同业务信息，决定了整个网络的运行状 况。为了能实时监控网络线路，发现故障并尽快解决，维持网络的正常运行，光 监控信道的概念应运而生1 4 1 。 网络管理具有配置管理、故障管理、性能管理、安全管理、计费管理五大模 块，而作为网管的五大功能之一的性能管理，在光传送网中是通过在线性能检测 来实现的。在目前的传送网体系中，主要有两大监测方法。 第一大类是直接监测光传输网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 所传送的数 字信号的误码率，其监测方案往往与帧结构密切相关，必须要在网元节点实施完 整的光电光转换( 即：即使网元的唯一功能是性能监测，也要对整个光信号实施 电域处理和数字再生) ，因此又被称为介入式监测。此种方法依据现存的光传送网 的体系结构，分为基于s d h s o n e t 的比特间插奇偶校验( b i ti n t e r l e a v e dp a r i t y , b i p ) 监测和基于以太网帧的循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 监测。 第二大类是各种间接监测法，包括准误码率监测q b m 法、抽样统计法和各种 光信噪比监测法。提出各种间接监测法的主要原因是直接监测法要求在电域上对 o t n 的客户信号进行处理，而这将舍弃o t n 原本具有的许多优点。随着光传送 网在光域处理功能的增强以及w d m 的广泛应用，传统在电域实施的放大再生、 业务调度和交换、以及监控和管理功能已经可以在光域实现。间接监测法的核心 思想是：性能监测不再与所传输的帧结构有关，而只与光信号或光电转换后的电 信号“质量 有关，只需部分抽取光通道上的光信号用于监测而无需实施完整的 数字再生，因此被称为非介入式性能监测。非介入式的性能监测完全抛开了数字 通信中利用附加开销实施校验的传统在线监测方法，转而监测光信号和光电转换 后的模拟信号质量，通常称之为光性能监测( o p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ， 3 第一章绪论 0 p m ) 。 1 3 研究内容 本文的研究内容是结合了预研项目“d w d m ”来展开研究的。笔者参与项目中 光性能监测单板( p e r f o r m a n c em o n i t o ru n i t ，p m u ) 的研制，以及o s c 信道中数据 信号的处理，对光性能监测技术、a t m e g a l 2 8 处理器以及x c 9 5 1 4 4 x l 编程器件 进行了详细的研究，设计出了具有t c p i p 协议转化功能的p m u 板卡设备，与网 管系统配合，能够实时监测传输线路上光性能参数的动态变化，以便监控人员作 出及时有效的管理操作。 本论文结构如下： 第一章绪论，介绍了当前的d w d m 的技术、原理、结构，以及光性能监测 技术应用的背景及概念，阐述了论文的研究内容以及研究的意义。 第二章光性能监测技术，介绍了光性能监测技术的基本原理，对监测信道的 信号量进行了原理分析与性能阐述，并且理论分析推导出监测信号量的变化与实 际网络传输质量之间的关系。 第三章d w d m 设备中p m u 单板的设计与实现，主要介绍了p m u 单板的软 硬件设计与开发及其关键技术的实现，尤其是其与网管系统通信的技术实现。 第四章p m u 单板的系统性能评估，主要设计了p m u 单板的功能验证的测试 方案以及完成各种测试，并验证了系统的准确性。 第五章设计改进及o s c 信道编解码，利用复杂可编程逻辑器件实现板卡设 计方案的改进，并针对o s c 信道解析任务，设计了c m i 、n r z 码型变化的软硬件 方案，并得到了测试的验证。 1 4 研究意义 传送业务信号的光通道一般是由多段光纤链路构成的，其问往往需要经过多 个节点中继，由于光纤的损耗、色散和非线性以及光器件的噪声、串扰等因素的 累积作用，使得光通道的传输性能迅速下降，进而导致光信号劣化、误码增多， 会造成网络故障和网络捌塞，同时还会降低运营商的收入。对于通信运营商来说， 支撑其业务的密集波分复用网络的稳固是关键，而光信道监测技术正是满足这样 需求的种合适的选择。 本篇文章首先论述的是光信道检测技术的基本原理，在此基础之上设计p m u 板卡系统，实现在d w d m 网络系统环境中对多路光信号的监控，保证整个传输网 络的稳定可靠。 4 ， 、 广 第一章绪论 随着光网络的不断发展，对光信道结点性能的监控必然会提上同程。o p m 模 块将会是制造商与运营商共同关注的重点。在o p m 监测技术的基础上设计实现的 p m u 板卡，将会以其超高的性价比成为光网络传输的明星产品。通信网络提供商 如果采用此模块升级传输网络性能指标，那么对提升它们服务的o o s 将会有积极 的意义。 5 第二章光性能监测技术 第二章光性能监测技术 本章由三部分组成，第一部分首先阐述了光信能监测技术实现的基本原理， 第二部分重点介绍了传送网络中监测的信道参量，分别是信道光波长、功率、光 信噪比、品质因子和信道总功率。第三部分则是本章的创新之处，在理论的基础 上分析了信噪比与误码率之间的数学关系，并做出了仿真图，为采用o s n r 分析误 码率提供了一定的理论基础。 2 1 基本原理 在现有的d w d m 网络中，光信号由于长距离传输造成功率衰减，虽然经过 e d f a 线路信号的功率放大了，但同时也会引入一些噪声功率，会对线路信号有较 大影响。如果在线路中设置光信道参数监控模块，使得网管系统能够实时提取线 路信号参数，就可以达到对网络状态进行实时监控的目的。d w d m 网络中的光通 道性能监控( o p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ，o p m ) 模块就是为满足这些需求而出 现的一种精确、轻便和低成本的测试模块。如下图2 1 所示，是o p m 模块在d w d m 网络中的使用实例。 注：m u x ：复用器；d e m u x ：解复用器；o a d m ：光分插复用器；e d f a ：掺铒光纤放大器； 图2 - 1o p m 模块在d w d m 系统中的使用实例 随着d w d m 技术的不断发展【9 l ，通信网中的光信道间隔己由2 0 0o h z 缩d , n 1 0 0g h z 、5 0g h z 甚至2 5g h z ，信道数量越来越多，速率不断提高，容量也越来 越大，网络的安全高效运行就越来越需要得到有效的保障和加强。目前，很多公 司已经开发出或正在开发多种型号和性能指标的o p m 模块，按照其分光原理的不 同，这些o p m 模块可以分为衍射型和干涉型两种。在本次系统中使用的o p m 是采 用衍射型技术。基本原理如下图2 2 所示： 6 第二章光性能监测技术 d w d m 信号 布拉格光栅 图2 2 衍射型o p m 的工作简单示意图 衍射型o p m 模块的光学设计包括一个布拉格光栅、精密阵列的光学探测器， 这种设计平台由固定的，高可靠性的组件组成。因为扫描光谱无需移动部件，所 以扫描速度很快( 1 0 0 毫秒，典型值) ，而且重复性好，可靠性高。从图2 2 可以 看到，光信号从d w d m 系统中分流出来，经过布拉格光栅之后，不同波长会分开， 再经过聚透镜将同一波长的光波反射到探测器阵列。探测器将采集到的光信号变 成电信号，送到模块信号处理器，信号处理器对原始数据进行处理和分析，根据 光强的幅度和分布，进行去卷积运算，恢复光谱曲线，计算出光信号的通道中心 波长( 频率) 、光功率、光信噪比等各种参数。 2 2 信道参量 在i t u t g 6 9 7 标准中1 5 1 ，国际电联指定了在光层监测的数据参量的类型，根 据这些参量的测量数值来判断网络性能所处的状态。在标准中光层所需监测的数 据分别为信道光波长、功率、光信噪比、品质因子和信道总功率，下面分别介绍 每种参量的定义。 2 2 1 信道光波长 在g 6 9 2 标准中1 6 】，对d w d m 网络中的波长做出了详细的制定，若以 5 0 1 0 0 g h z 为例，由下表2 - 1 所示： 表2 - 1d w d m 波分复用系统的波长关系 标准中心频率( 5 0 g h z )标准中心频率( 1 0 0 g h z )对应的中心波长( n m ) 1 9 6 1 01 9 6 1 01 5 2 8 7 7 1 9 6 0 5 1 5 2 9 1 6 1 9 6 0 01 9 6 0 01 5 2 9 7 5 1 9 5 9 5 1 5 2 9 9 4 1 9 5 9 01 9 5 9 01 5 3 0 3 3 7 第二章光性能监测技术 1 9 5 8 51 5 3 0 7 2 1 9 5 8 0 1 9 5 8 0 1 5 3 1 1 2 1 9 5 7 51 5 3 2 2 9 1 9 5 7 0 1 9 5 7 01 5 3 2 6 8 1 9 2 1 51 5 6 0 2 0 1 9 2 1 01 9 2 1 01 5 6 0 6 1 由图表中可以看到，在标准中心频率这一栏中，起始频率为1 9 6 1 0 t h z ，在 5 0 g h z 的频率间隔中，逐次按5 0 g h z 递减，而对应的波长则是按照公式 a = c 1 ，计算所得。5 0 g h z 的d w d m 传输网络中波长平均f 白j 隔大概是在 0 4 r i m 左右，而1 0 0 g h z 系统对应的波长间隔平均值在0 8 n m 。这里所说的0 4 n m ， 0 8 n m 都是一个估算值，并不是每个波长间隔都满足这样的数值变化。 在项目中所采用的o p m 模块，其波长测量范围是1 5 2 9 5 5 1 5 6 1 0 1 n m ，测量 信道的最小间隔是0 4 n m 。 2 2 2 信道功率 信道功率在于评判在传输网中光信道的衰减情况，如果一旦光功率低于临界 值，那么传输系统的性能将会受到极大的威胁，因为功率低于光接收机的临界值 之后，接收端是无法保证对接收到的信号进行准确的提取【7 1 。在实际的工程应用中， 有如下公式： o s n r 己。一l - n f - 1 0 l o g n - 1 0 l o g h v a v o 】 式( 2 1 ) 其中n f 为e d f a 的噪声指数( 噪声系数f 的d b 形式) ；为跨距损耗；为跨 段数；h 为普朗克常数；，为光频率；为光带宽；在1 5 5 0 n m 波长，测量带宽 为0 1 n m 时， o s n r 一5 8 + ，：i ，一一 7 f - 1 0 1 0 9 n 式( 2 2 ) 反过来就是： 兄，= o s n r + l + n f + 1 0 1 0 9 n + l o l o g h v a v 。】 一般情形下，系统的光信噪比( o p t i c a ls i g n a ln o i s er a t e ，o s n r ) 都必须满足 一定的范围要求，比如1 0 gd w d m 传输系统o s n r 的要求就是大于1 6 d b m ，4 0 g d w d m 系统要求o s n r 大于2 4 d b m i 剐，那么根据以上的推导过程，信道要求的最 小功率可根据公式近似推导，但光信噪比一般都会大于2 5d b m 。 8 第二二章光性能监测技术 2 2 3 信道总功率 计算方式为： 乇= 只叫+ 。引n , 1 0 ，+ 工m 。 式( 2 4 ) 其中脬为e d f a 的噪声指数( 噪声系数f 的d b 形式) ；l 为跨距损耗；为 跨段数；h 为普朗克常数；1 ，为光频率；a v 。为光带宽。d w d m 系统上接收端o t u 单板一般采用两种光接收机：p i n 光电二极管和雪崩二极管( a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，a p d ) 。目前2 5 g 速率一般采用的p i n 光电二极管，灵敏度为一1 8 d b m ；而 a p d 雪崩二极管的光接收机灵敏度为2 8 d b m1 9 】。 在实际的传输过程中，光信道总功率还会受到光纤自发辐射的影响，自发辐 射所产生的功率消耗如下： 巴硒= 2 n s e ( g 一1 ) 加 式( 2 5 ) 其中，h 为普朗克常数，是传输的频率，g 为系统增益， 胛划叫2 一等卜 加删 2 2 4 光信噪比 ， 1 、o s n r 简介 在d w d m 系统中，光信号以透明的方式进行传输，传输质量监测只能借助简 单的模拟量，如光功率、o s n r 等，其中o s n r 能够比较准确地反映信号质量， 成为最常用的性能指标1 1 0 l 。o s n r 的定义如下： 一= 1 0 l g 每删哮 加扪 其中：日是第f 个通路内的信号功率；耳是参考光带宽，通常取o 1 n m l l l 】；吃是 噪声等效带宽；m 是等效噪声带宽吃范围内窜入的噪声功率。在实际的工程应用 中，不同的波长间隔，不同的传输码型都会影响到信噪比的测量【1 2 1 ，如表2 4 ，所 示。 表2 - 4 信噪比与传输间隔的关系 频率间隔5 0 g h z1 0 0 g h z2 0 0 g h z o s n r1 0 c 坍sn s2 5 据1 0 c 旧s ns 3 0 c 坍1 0 c 坍s ，ls 3 0 c 己b 2 、测试方法 i t u tg 6 9 7 给出了o s n r 的测试方法，如下图2 3 所示，中心波长处的峰值 功率是信号功率只与噪声功率m 之和，即只+ m ，由于只 m ，通常认为 9 第二二章光性能监测技术 p + f 一只，中心波长处a v 的平均功率等效为信道内噪声功率，即为 n ( v t + ，) + ( ，；一，) 卜2 ，两者的比值即为o s n r 值。这种以信道间噪声等 效信道内噪声的测量方法( 即带外噪声测试法) 简单且不失准确性，而且不影响 业务，因此得到了广泛应用，多数仪表厂商的o s a ( 光谱分析仪) 都以此法为标 准测试方法1 1 引。 厂一一：面 图2 - 3o s n r 测试方法示意图 由于计算q 因子噪声功率的主要部分是由自发辐射噪声( a m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ，a s e ) 造成的( 忽略电热噪声和光接收机的散射噪声) ，同 时考虑到消光比的影响，光信噪比与q 因子关系也很容易得到： o s n r o 一喾鲁q 2 加埘 其中： ，- p 朋。气庸苫- l o d b 为发送光信号消光比 皿一0 7 5( 厶对比特率f 0 的有效电带宽( 升余弦函数) ) ， 吃- 1 2 5 g h z 或o 1 n m 为光信噪比o s n r 的测试带宽【4 i 2 2 5 品质因子 无论是采用光功率，信噪比，光波长中哪一个参数，都不能准确的反映光通 道的性能。虽然误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 反映的光通道性能最为准确，但其测 量需要电光变换和时钟恢复等复杂操作。因此，目i i 大多数系统采用o s n r 来评估 光通道性能i l 引，但精确度不够，于是人们引入另一个新参数一品质因子。 q 因子是反映光纤通信系统的电信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 的重要 参量，定义为在接收机在最佳判决门限下电信号功率和噪声功率的比值，q 因子 1 0 、 ， 第二章光性能监测技术 的计算公式如下： q 。划式( 2 9 ) q + 其中，n 是信号“1 ”的平均电平，q 是信号“1 ”电平的标准方差( 噪声) ，是 信号“0 ”的平均电平，是信号“0 ”电平的标准方差( 噪声) 。如下图所示： j n 嗍 d t _ ，i 函，i il ，鸭l z e p j i 碱 。捆”严 k 艚e “ ，形，缈 脍、 。77 。m 矿4 一。 - l t o 图2 - 4 传输判决示意图 假设抽样符合高斯分布，那么传输误码率应该有如下式的表述1 1 4 】： 脲= 私( 舞卜( 譬) 】 其中，d 为抽样标准值，若是，d 与最低电平值相等，则误码率计算公式如下： 础2 荆锩) 】 若是，d 的数值与最高电平值雎相等，则误码率计算公式如下 脚2 州甓) 】 根据以上公式，最后可得到的a 与b e r 之间的关系如下： b e r 7 1 咖( 隽) 式( 2 - 1 3 ) 2 3 误码率分析 在通信传输中有两个指标非常重要，一是通信的有效性，一是通信的可靠性。 通信的有效性是说在d w d m 一般指的是传输的带宽，而有效性则是说明d w d m 系统的误码率。在实际的系统测试中，是可以得到较为准确的o s n r 数值的，还 可以利用上述的公式进行推导，推测系统误码率的计算公式。 胁一喾寺q 2 联立方程式可得公式： 其中： 砌；一e 1 ，c ( ，= 。乇庸乏- 1 0 d b 为发送光信号消光比f 1 6 i 也= 0 7 5( o 对比特率厶的有效电带宽( 升余弦函数) ) ， 吃一1 2 5 g h z 或0 1 n m 为光信噪 ：t o s n r 的测试带宽。 采 m a t l a b 软件仿真后，得到仿真图如下图2 8 所示： 图2 - 5 误码率仿真图 从图形中可以看到，随着o s n r 数值的增大，b e r 的数值会越来越小，几乎 是成跃变状态。但在实际工程应用中，网络环境的实际情况会影响到公式的准确 1 2 第二章光性能监测技术 性。因为在做推导的过程中，是假设了在传输过程中系统没有光放大器，噪声满 足高斯正态分布，而且系统还忽略了传输色散等因素，所以会存在一定的误差。 但是通过此图，还是可以预测到光信噪比与系统误码率之间的关系，也为实际的 工程监测有了理论基础。 1 3 第三章p m u 单板的设计与实现 第三章p m u 单板的设计与实现 p m u 板卡是d w d m 设备中的一个关键模块，是用来给d w d m 设备提供关 键的光通道性能信息，并能够提出相应的告警信息，使得网络管理员能够实时监 控网络状态。 本章分为两个部分。第一部分讲述的是d w d m 项目的背景，包括项目框图， 软硬件设计思路。第二部分阐述的是p m u 板卡设计方案，主要的设计内容包括板 卡原理图设计、p c b 制图设计、板载软件的编程设计。 本章的创新有两点，一是在研制方案中首次采用了以板载模块解析来自网管 的s n m p 协议，二是采用模块化的设计思路，1 i 1 3 ；o n 快了开发进度，也节约了成本。 3 1d w d m 项目背景 项目背景是研制能支持1 6 0 x 1 0 g b i t s s 的智能d w d m 设备。 本系统是一套d w d m 的终端设备，由若干个板卡及板载软件和一台运行网管 软件管理端的p c 组成，可实现波长的动态上下功能，并能接入不同厂商的w d m 子网，被该子网的网管软件识别，和该子网协同工作。其来路光信号为若干波符 合3 2 x 2 5 g b p s 标准的光信号1 1 6 j 和一波符合1 6 0 x 1 0 g b p s 标准光信号的合波信号。 去路光信号的配置和来路光信号的配置完全相同。 d w d m 线路 崩 s d h 殴备 图3 - 1 研制d w d m 系统组成示意图 本系统所实现功能为标准d w d m 终端设备功能的子集，具体如下： 1 ) 在只有o s c 通道连通而主光通道未曾连通的情况下，公务通道、使用者 通道和d c c 通道可用： 2 ) 冷启动后自动被所在d w d m 子网的网管系统识别，接收并执行该子网网 1 4 第二章p m u 单板的设计与实现 管系统发出的指令，在该子网中良好地协同工作； 3 ) 在本系统自带的网管系统中显示所在子网的信息，如子网名称、子网设备 生产厂家等；显示来路和去路主光通道波长信息、显示各板卡的基本信息等；可 通过网管动态指定需要上下路的波长； 4 ) 主光通路中任一2 5 g b p s 波长的动态上下路和波长转换； 5 ) 主光通路中任一1 0 g b p s 波长的动态上下路和波长转换； 3 1 1 项目系统框图 图3 - 2d w d m 设备的系统结构图 表3 - 1 接口描述 序号方向接口描述 主光通路输入接口，为若干波符合3 2 2 5 g 标准的光信号和一波符合 1 单向 1 6 0 + 1 0 g b p s 标准光信号的合波信号。 主光通路输出接口，为若干波符合3 2 奉2 5 g 标准的光信号和一波符合 2单向 1 6 0 奉1 0 g b p s 标准光信号的合波信号。 3单向来路o s c 信号光接口。 4 单向去路o s c 信号光接口。 5双向 o s c 光中继段公务联络接口，该接口为破向接口，分来路和去路。 6 双向o s c 光复川段公务联络接口，该接口为舣向接口，分米路和去路。 1 5 第二章p m u 单板的设计与实现 7 双向o s c 使朋者通路接口，该接口为双向接口，分米路和去路。 8 单向信号1 除去o s c 波k 后的信号。 9 单向 信号2 除去o s c 波长后的信号。 1 0 单向c 波段输山接口，为信号1 中c 波段所有波长功率三等分后的信号。 1 1单向 单波长符合3 2 + 2 5 g b p sd w d m 标准的2 5 g b p s 光信号。 1 2 单向 符合s d h 标准的2 5 g b p s 下路光信号。 1 3单向 符合s d h 标准的2 5 g b p s 上路光信号。 1 4 单向和信号1 0 完全相同。 1 5 单向 单波k 符合1 6 0 + 1 0 g b p sd w d m 标准的1 0 g b p s 光信号。 1 6 单向 符合s d h 标准的1 0 g b p s 下路光信号。 1 7 单向 符合s d h 标准的1 0 g b p s 上路光信号。 1 8 双向基- j - 2 3 2 的舣向网管接口。 基丁以太网的双向网管接口。物理上为以太网接口，协议栈为 1 9 舣向 e t h e m e t + u d p + s n m p 。 2 0 单向和信号1 0 完全相同。 2 1 单向c 波段光信号输入接口，可以是合波信号，也可以是单波信号。 3 1 2 硬件设计 根据图3 - 1 和图3 2 定义的系统结构，d w d m 设备包括以下功能模块单元： ( 1 ) 波分复用模块( w d m ) 完成各个上下路业务波长的功能； ( 2 ) 光性能监测单元( p m u ) 周期性和指令性扫描来路和去路光信号中的波长序列，记录每个波长的波长 值、功率值、o s n r 等参数。和网管软件进行通信，执行网管指令，上报相关参 数。 ( 3 ) 2 5 g b p s 可调光转换单元( 2 5 g b p s 可调o t u ) 下路方向将网管指定的某一路下路d w d m 波长转换成s d h 波长， 将s d h 波长转换成相应的d w d m 波长。 ( 4 ) 1 0 g b p s 可调光转换单元( 1 0 g b p s 可调o t u ) 下路方向将网管指定的某一路下路d w d m 波长转换成s d h 波长， 将s d h 波长转换成相应的d w d m 波长。 ( 5 ) 光监测信道( o s c ) 上路方向 上路方向 o s c 单元是d w d m 设备的核心功能单元，它能够解析子网网管系统的网管 指令，并能适配o s c 的帧结构使设备能在d w d m 子网中良好地协同工作 ( 6 ) 网管系统( n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ) 负责对节点设备内各功能模块单元( 2 5 g o t u 、p m u 、1 0 g o t u 、o s c ) 及环 境条件实施监控，并对外提供网络管理接口； 1 6 根据复用设备的功能和管理要求，网络管理功能结构从上到下可以化分为三 层，分别是p c 管理层、控制层和板载软件。管理站与代理端连接结构框图如图 3 3 所示。 图3 - 3 管理站与代理端连接结构框图 设备 徊 图3 3 管理层由网络管理的代理端软件a g e n t 组成。a g e n t 运行于设备的核心 c p u 中，一方面，负责对设备的性能、工作状态、以及工作方式进行管理；另一 方面，负责处理符合简单网络管理协议的数据包，完成与管理站的通信。根据s n m p 的要求，目标设备被抽象成许多单独的被