偏振模色散引起的系统不可用概率的估算方法 【技术领域】
本发明涉及对光纤通信系统性能参数的计算方法，更具体地，涉及对光纤通信系统中偏振模色散(PMD)引起的系统不可用概率(Outage Probability)的估算方法。
背景技术
随着人们对信息需求的不断增长，光纤通信系统的容量不断扩大。与此同时，进行系统设计时需要考虑的因素也越来越多。最初的光纤通信系统，只需考虑损耗和色散。随着系统速率的不断提高，偏振模色散(PMD)成为一个不可忽视的因素。另一方面，为了降低成本，系统的无中继距离越来越长，使得原来在常规无中继距离下无须考虑偏振模色散(PMD)的系统，也不得不重新正视这一问题。
偏振模色散(PMD)是指光在光纤及光器件中传输时，两种正交模式地简并状态被打破，使得两种模式的速度不相等，从而造成光脉冲展宽的现象。长距离光纤中的偏振模色散(PMD)呈现随机性，服从麦克斯韦分布(Maxwellian Distribution)，分布率唯一地由均值确定。
偏振模色散(PMD)对系统的影响可用多种指标来衡量，经常采用的指标有功率代价(Power Penalty)、眼开度代价及Q值代价。所谓代价，是指在给定误码率下系统背靠背的指标(dB)与实际传输的指标之差。但这些指标均为某一确定值，用其来描述诸如色度色散(CD)等确定性现象对系统的影响是合适的，而偏振模色散(PMD)是一个随机现象，用这些指标衡量其影响，具有一定的局限性。较为合理地衡量偏振模色散(PMD)的影响，应采用不可用概率(Outrage Probability)。
不可用概率(Outage Probability)是指系统功率代价(Power Penalty)超过某一特定值的概率，该特定值通常选择1dB。系统允许的不可用概率(Outage Probability)值通常较低，1dB功率代价下为10-5。由于偏振模色散(PMD)是一个缓变过程，要直接通过实验测出系统的不可用概率(Outage Probability)是非常困难的，需要耗费大量的时间，可能长达数年之久。
另外一方面，由于通信业务的增加，原来的系统需要升级，单个波长携带的信号速率可能要提高。但速率提高后，偏振模色散(PMD)能否满足要求，能否不更新线路，在不更新线路的情况下，系统能以多大的概率正常运行，这些都是长期困扰人们的问题。
因此，需要一种快速计算光纤通信系统中偏振模色散引起的系统不可用概率的方法。
【发明内容】
本发明目的是提供一种快速估算偏振模色散引起的光纤通信系统系统不可用概率的方法。下面解释本发明的基本技术原理：
按照本发明的，只需知道系统的偏振模色散(PMD)的均值，借助于偏振模色散(PMD)的概率分布及系统所使用的不同光接收器，例如正-本征-负(PIN)光电二极管或雪崩光电二极管(APD)的功率代价/偏振模色散曲线，就可以估算出系统的不可用概率。其中，而两种不同光接收器的功率代价/偏振模色散曲线可以通过系统仿真方式预先测量出，系统的偏振模色散均值可以通过系统所使用光纤出厂标记的技术指标或通过仪器实际测量获得。
本发明的方法包括步骤：
步骤一，在偏振控制器设置为特定偏振状态和偏振模色散仿真器设置差分群延时(DGD)为0且满足系统所要求误码率时状态下特定光接收器的输入功率；
步骤二，在偏振控制器设置为步骤一的特定状态和偏振模色散仿真器设置特定某个差分群延时数值且满足系统所要求误码率时状态下特定光接收器的输入功率；
步骤三，将步骤二所测量出的输入功率与步骤一所测量出的输入功率相减即为在该特定偏振状态下该特定差分群延时所引起的功率代价；
步骤四，不断改变偏振控制器设置的偏振状态而不改变偏振模色散仿真器设置的差分群延时数值情况下，反复重复步骤一至步骤三，即可获得某个特定差分群延时数值所对应的多个不同偏振状态的多个功率代价，将这些功率代价求平均即可获得某个特定差分群延时数值对应的系统平均功率代价；
步骤五，不断改变偏振模色散仿真器设置的差分群延时数值，并反复重复步骤一至四，即可获得特定光接收器的完整功率代价/偏振模色散曲线，并在该曲线上获得对应1dB功率代价所对应的偏振模色散数值；
步骤六，使用仪器对系统实际测量或参考系统所使用光纤的技术指标获得系统的偏振模色散均值；
步骤七，将步骤五所获得的1dB功率代价对应的偏振模色散数值除以步骤六所获得的偏振模色散均值，将所得商带入麦克斯韦分布函数公式，在该商值至无穷大的区间求积分，即可计算出系统的不可用概率。
在本发明的方法中，使用PIN光接收器和APD光接收器可以获得各自的功率代价/偏振模色散曲线。
在本发明的方法中，系统所要求的误码率为10-12。
本发明的偏振模色散(PMD)引起的系统不可用概率(Outage Probability)的估算方法，具有准确的特点。尽管是估算，但由于该方法利用了偏振模色散(PMD)的概率分布，具有坚实的理论基础，估算结果是准确的。而实验测量时，取样点必须具有代表性，而且数目庞大，否则测试的准确性难以保证。
本发明的偏振模色散(PMD)引起的系统不可用概率(Outage Probability)的估算方法，具有快速的特点。由于涉及的计算较为简单，因而速度是非常快的。实际上，利用所述的方法，可以制成偏振模色散(PMD)引起的系统不可用概率(Outage Probability)与偏振模色散(PMD)均值的对照表。需要时，根据偏振模色散(PMD)的均值直接查表，就可以立即得到所需的数据。与通过实验测量相比，速度大大提高了。
本发明的偏振模色散(PMD)引起的系统不可用概率(Outage Probability)的估算方法，具有需要的参数较少的特点，因而需要的仪器、仪表较少甚至可以不需要。由于只需要偏振模色散(PMD)的均值，因而只需测量线路的偏振模色散(PMD)的均值，如果线路的偏振模色散(PMD)的均值已知时，可以直接计算或查表。而通过实验方法测试，除了测量线路的偏振模色散(PMD)外，还必须反复多次测量系统的功率代价。
总之，利用本发明的估算方法，不需要进行旷日持久的测量，只需利用系统的偏振模色散(PMD)的均值，就可以估算出系统的不可用概率，从而可以节省大量的人力物力，为配置新系统和进行系统升级提供指导。
【附图说明】
图1是偏振模色散(PMD)满足的麦克斯韦分布(Maxwellian Distribution)；
图2是偏振模色散(PMD)在采用两种不同的光接收器(PIN或APD)时的功率代价/偏振模色散曲线；
图3是仿真方式计量由偏振模色散(PMD)引起的系统平均功率代价的示意图。
【具体实施方式】
图1画出了偏振模色散(PMD)满足的麦克斯韦分布(Maxwellian Distribution)，图中横坐标上所标记的数字1、2和3表示为1倍均值、2倍均值和3倍均值的位置，图中曲线服从下列公式(1)所代表的概率分布函数：
f(Δτ)=32Δτ2π2<Δτ>3exp(-4Δτ2π<Δτ>2)---(1)]]>
公式(1)中，Δτ为偏振模色散的瞬时值，<Δτ>为偏振模色散的均值。由该函数可知，只要知道偏振模色散的均值，就可以计算出偏振模色散瞬时值在任意范围内的概率。
图2画出了一种典型的功率代价/偏振模色散曲线。对利用雪崩光电二极管(APD)作为光接收器的情况，系统的1dB代价对应的偏振模色散(PMD)的瞬时值为0.3UI；而对PIN光电二极管作为光接收器的情况，系统的1dB代价对应的偏振模色散(PMD)的瞬时值为0.4UI。对于40G系统而言，采用APD和PIN两种不同的光接收器时，通过预先仿真计算出的功率代价/偏振模色散曲线，可以查出1dB代价对应的偏振模色散(PMD)的瞬时值分别为7.5ps和10ps。
图3表示进行仿真计算功率代价/偏振模色散曲线时所使用的系统仿真模型。利用该仿真模型测量功率代价/偏振模色散曲线的方法如下：首先测出系统在背靠背条件下的接收灵敏度，保持发射机(TX)输出信号的偏振态不变，将偏振模色散仿真器(PMD SIMU)的瞬时差分群延时(DGD)设为0，不断调整衰减器的衰减值，观察接收误码仪(BER)的误码率，当正好达到10-12时，用功率计测出接收机(RX)的输入功率。其次，测出DGD为某一特定值、仿真器的输入偏振态为某一特定偏振态的接收灵敏度，即将偏振控制器(PC)与偏振模色散仿真器(PMD SIMU)调整到某一特定状态。用测得的灵敏度减去背靠背条件下的接收灵敏度，即可得到差分群延时(DGD)为某一特定值、偏振模色散仿真器的输入偏振态也为某一特定偏振态所产生的功率代价。然后，保持调整偏振仿真器的状态不变，调整偏振控制器，使偏振仿真控制器的输入偏振态发生改变，用类似的方法测出在该偏振态下，DGD对应的功率代价。随后，不断重复上述步骤，测量不同偏振状态下DGD为一特定值的多个功率代价。然后，将上述多个功率代价计算平均值，即可求出在某一特定DGD时对应的平均功率代价。最后，不断改变DGD值，重复上述步骤，即可求出完整的功率代价/偏振模色散曲线。
结合图1所示的偏振模色散概率分布曲线和图2所示的功率代价/偏振模色散曲线，就可以计算出相应的不可用概率。计算时，只需将特定功率代价所对应的偏振模色散(PMD)的瞬时值表示成偏振模色散(PMD)的平均值的形式，代入偏振模色散(PMD)的概率分布函数进行积分，就可以得到相应的不可用概率。
为了更清楚地说明算法，下面就举一个典型的例子进行说明。假如一个40Gbit/s的系统，通过仪器实际测量或根据系统所使用光纤技术参数估算的偏振模色散(PMD)的均值为2.5ps，若采用APD光接收器进行接收，则1dB代价下不可用概率可用这样计算：
首先，根据功率代价/偏振模色散曲线查出1dB功率代价对应的偏振模色散(PMD)的瞬时值为7.5ps，除以系统的偏振模色散均值2.5ps后，表示成均值的形式即为3<Δτ>；
其次，将分布函数在3<Δτ>～+∞进行积分，如下列积分公式(2)所示：
∫3<Δτ>+∞f(Δτ)dΔτ---(2)]]>
公式(2)中f(Δτ)为偏振模色散(PMD)的概率分布函数；
最后，利用相应的数学方法进行积分变换，再利用相应的数学工具(如Matlab)计算，可得到结果为4.2×10-5。
用同样的方法可算出，如采用PIN光接收器接收的话，1dB功率代价对应的偏振模色散表示成均值的形式即为4<Δτ>，系统的不可用概率如下列公式(3)所示：
∫4<Δτ>+∞f(Δτ)dΔτ=7.411×10-9---(3)]]>
如果需要计算其他功率代价下的系统的不可用概率，用类似的方法，也可以算出。
当然，为了使得到的数据更准确或者系统采用的码型为非NRZ码时，也可以针对所配置的系统测量功率代价/偏振模色散曲线，再依照所述的方法计算系统的不可用概率。