0 引言

隨著多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展。光骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)中的分組信號所占的比重越來越大，由于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)突發(fā)性和其不可預(yù)見性，因而要求光網(wǎng)絡(luò)具有可重構(gòu)性。可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)是一種自動地、動態(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。通過測試Q因子來評估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、噪聲水平和信號質(zhì)量的首選工具?，F(xiàn)在，國內(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，通過眼圖抽樣可得出信號的標(biāo)準(zhǔn)差和平均功率值，從而得出Q值。此方法需要時鐘定時提取，實(shí)現(xiàn)過程較復(fù)雜；而運(yùn)用異步眼圖抽樣法來監(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值和誤碼率的對應(yīng)關(guān)系，提出了一種在線檢測光信號Q值的方案，并基于數(shù)字信號處理芯片技術(shù)設(shè)計(jì)了檢測模塊，從而實(shí)現(xiàn)了信號的在線Q值監(jiān)測。此方法的判決電平不易確定，而且當(dāng)噪聲幅度較大時，誤差也大；利用同步眼圖來計(jì)算平均Q值的方法在抽樣時需要時鐘提取來同步，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抽樣脈沖寬度對測試結(jié)果的影響，則不需要時鐘恢復(fù)，而且比特率透明、成本低。

以上大多沒有監(jiān)測對其測試結(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，即在不需要時鐘定時提取的條件下，通過異步眼圖抽樣法，并利用計(jì)算機(jī)仿真來計(jì)算并得出平均Q值。通過比較平均Q值和初始Q值的關(guān)系，可以快速監(jiān)測系統(tǒng)的性能。該方法用于多波長系統(tǒng)可得出抽樣間隔和測試結(jié)果之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測多波長光網(wǎng)絡(luò)的作用。這種方法比特率透明，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)現(xiàn)原理

反映光通信系統(tǒng)信號性能質(zhì)量的參數(shù)很多。但無論采用哪個參數(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，但其測量需要電光變換和時鐘恢復(fù)等復(fù)雜操作。目前大多數(shù)系統(tǒng)采用OSNR來評估光通道性能，但精確度不夠，因此，一個新的參數(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功率和噪聲功率的比值，可適用于各種信號格式和速率的數(shù)字信號，而且不需要解開幀結(jié)構(gòu)。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)分析時，比較簡單易行。Q因子參數(shù)的確立和測量方法的實(shí)現(xiàn)，對于可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際維護(hù)和測試有著重要的意義。

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傳號和空號的幅度分布，平均Q值的定義式為：



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

利用該方法可監(jiān)控傳輸光纖中信號的SNR。用光接收機(jī)和示波器來測量光信號的異步眼圖，并通過對眼圖進(jìn)行抽樣得出平均估計(jì)Q值。通過大量的計(jì)算機(jī)模擬仿真來選擇恰當(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值之間有一個線性關(guān)系。運(yùn)用這個線性關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的性能監(jiān)控。同時，在光學(xué)采樣后，通過簡單地增加波長鑒別，還可以用于多波長通道的監(jiān)測。

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系統(tǒng)之上的。將輸入的光信號通過分路裝置分成兩個網(wǎng)絡(luò)，一部分通過光纖輸出，另一部分輸出到調(diào)節(jié)器。采樣脈沖和輸入的光信號可進(jìn)入由低頻脈沖發(fā)生器驅(qū)動的獨(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)信號進(jìn)人到下一個系統(tǒng)時，系統(tǒng)將由一個光電二極管在一個特定的時間內(nèi)檢測調(diào)制信號的功率。數(shù)字信號處理器可用來收集測量數(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)來分析監(jiān)測信息。該方法可同時用于估計(jì)不同波長信道的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?？梢杂靡粋€余弦信號加隨機(jī)正態(tài)噪聲來模擬光纖中傳輸?shù)男盘?包括偽隨機(jī)二進(jìn)制序列的NRZ碼信號和自發(fā)輻射噪聲)，以得出初始Q值。然后選擇恰當(dāng)?shù)妮斎胄盘柍闃狱c(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一維數(shù)組中。之后再按照抽樣值電平的范圍，對一維數(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，在抽樣過程中，當(dāng)抽樣點(diǎn)數(shù)較少時，兩抽樣點(diǎn)之間的間隔T+n·△t對仿真結(jié)果有較大的影響，測試結(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，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)基本無關(guān)。由于系統(tǒng)不需要時鐘定時提取，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，單波長信道的平均Q值從3.0086降到2.9082，降低了0.1004。而在抽樣點(diǎn)大于20000時，抽樣位置導(dǎo)致的波動小于0.002，此時，Q值的劣化是可以被監(jiān)測到的。

在波分復(fù)用系統(tǒng)中(4個波分)，同樣取20000個點(diǎn)進(jìn)行仿真。當(dāng)其中某一波長信道的初始Q值由6降低到5時，其它3個信道的Q值仍然為6，此時，四波長系統(tǒng)的平均Q值從3.0085降到2.9835(降低了0.025)，抽樣位置導(dǎo)致的波動誤差也是小于0.002，此Q值的劣化也可以監(jiān)測。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個信道的波分復(fù)用系統(tǒng)中，某一波長信道的Q值下降導(dǎo)致的平均Q值下降為該波長系統(tǒng)的1／n，所以抽樣位置導(dǎo)致的波動誤差必須更小。仿真表明，16個波分復(fù)用系統(tǒng)中的抽樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)該大于80000個。

5 結(jié)束語

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。不需要時鐘同步。文中通過大量數(shù)值仿真得出了抽樣點(diǎn)數(shù)對估計(jì)Q值的直接影響。結(jié)果表明：抽樣點(diǎn)數(shù)小于5000個時，不能反映實(shí)際結(jié)果。當(dāng)測試點(diǎn)數(shù)大于40000個以上時，可以測試多波長系統(tǒng)的實(shí)際Q值。此方法不但可以快速監(jiān)測可重構(gòu)多波長光網(wǎng)絡(luò)的性能，而且比特率透明，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。對于實(shí)際的可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和測試且有重要意義。