专利名称：色散位移光纤密集波分复用系统传输波长选择方法
技术领域：
本发明涉及DWDM(密集波分复用)系统中光信号波长的选择方法，具体地说涉及使用G.653光纤(色散位移光纤)C波段DWDM系统传输波长的选择方法。
背景技术：
四波混频(FWM)是光纤中一种重要的非线性效应。近年来，随着密集波分复用(DWDM)技术和掺铒光纤放大器(EDFA)的大规模应用，它已经成了限制基于G.653光纤的光通信系统向DWDM升级的主要因素。所谓四波混频(FWM)效应，是指两个或三个波长的光波相互作用而导致在其他波长上产生新光波的效应，该效应所引起的信号能量之间的转移会影响到正常的通信。
在一个密集波分复用系统(DWDM)中，如果有三个频率分别为fi、fj、fk的信号光，则通过FWM效应将在频率fFWM＝fi+fj-fk，(fi，fj≠fk)处产生新的光波，其中，i、j、k可取1、2、3中的任一值。如果按照传统的波长选择方法(即等间隔选取)，则新产生的光波就会有部分和原有三个信号光重合，对信号光产生同频串扰，从而影响光传输系统的性能。
由于G.653光纤的零色散点在C波段(192.1-196.05THz)且光纤有效面积很小，非线性系数较高，C波段DWDM信号在G.653光纤中传输时会产生严重的FWM效应，从而对光信号产生严重的同频串扰，严重影响传输系统的性能。所以，按照常规的50GHZ或100GHZ等间隔选择的信道，很难在G.653光纤上进行传输。为了充分利用已经铺设的G.653光纤资源以及提高G.653光纤的利用率，需要在不影响系统传输性能的前提下选择DWDM系统的传输波长。
通常，采用完全不等间隔法来进行传输波长的选择。这种方法的原理是使得FWM效应新产生的光波不落在原有的波长信道上，这样就可以减小串扰的影响，同时抑制FWM效应的强度，提高DWDM信号的OSNR(光信噪比)，从而提高系统性能。采用这种方法，ITU-T G.692标准中给出了C波段8波系统的三种波长方案。采用这种方法，也可以得到C波段12波系统的波长方案。对于在G.653光纤上进行更多波的DWDM传输方案，采用该方法不能够得到。为了充分利用光纤的带宽，需要使用新的方法确定超过12波的波长分配方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种色散位移光纤密集波分复用系统传输波长选择方法，减小四波混频效应的影响，确定选择任意波长数的、符合标准和性能要求的波长分配方案。
本发明提供一种色散位移光纤密集波分复用系统传输波长的选择方法，在色散位移光纤C波段确定传输波长选择方案，所述方法包括如下步骤 (1)根据C波段标准波长和所需信道数目M，随机初始化N个信道数目为M的选择方案，同时，形成包括所有可能选择方案的搜索空间L，将每一选择方案视为一个M维矢量； (2)通过判断初始化产生的N个M维矢量是否属于M维的搜索空间L，来验证每一选择方案的有效性； (3)通过判断所述N个M维矢量之中每两个矢量之间的距离是否小于预定门限值，来验证两者之间是否碰撞； (4)将N个M维矢量中每一矢量的四波混频功率的范数作为评估因子，并依据评估因子更新对应矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest以及所有N个矢量的四波混频串扰功率值的全局最优解GBest； (5)依据步骤(4)更新的PBest和GBest，改进N个选择方案中的每一个选择方案； (6)重复步骤(2)至步骤(5)，直到满足结束条件为止，返回全局最优解GBest，其对应的选择方案作为最终确定的选择方案。
进一步地，所述步骤(1)包括 对C波段标准波长依升序编为从1开始的整数信道号； 从所述标准波长中随机初始化选择M个信道，确定N个信道数目为M的选择方案，每一选择方案为按升序编号排列的矢量n＝(n1，n2，…nM)； 从所述标准波长中选择出M个信道的所有可能选择方案，形成搜索空间 L＝{x＝(x1，x2，…，xM)|xi∈R，0＜x1＜x2＜…xM}，i＝1，…M。
进一步地，步骤(2)包括 判断N个信道数目为M的选择方案对应的每一个矢量n是否属于所形成的搜索空间L； 如果属于，则该选择方案具有有效性，如果不属于，则该选择方案不具有效性。
进一步地，步骤(3)包括 计算所述N个信道数目为M的选择方案之中的任何两个对应的矢量n、m之间的距离，如果所述距离小于预定的门限值DTh，则两者发生碰撞，将其中性能较差的选择方案丢弃，并在搜索空间中随机生成一个新的选择方案，保留原来的历史最优解PBest；否则继续步骤(4)。
进一步地，步骤(4)包括 对于N个M维矢量中具有有效性的每一矢量，将其四波混频功率的范数 作为评估因子，该范数大小与系统性能成相反趋势，即该范数越小，系统性能越优，并且等于每一矢量中各信道波长所产生的最大功率值； 依据评估因子更新对应矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest； 从所有N个矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest中，确定最小的PBest为全局最优解GBest； 如果不具有有效性，则直接进入步骤(5)； 其中，PFWM(n)＝(P1，P2，…PM)，是叠加在每一路信号上的四波混频功率的总和， 而
进一步地，步骤(5)包括 将每一波长选择方案作为搜索空间中的一个粒子，把更改波长选择方案作为粒子在该空间中的运动，设定n(k)和v(k)分别为第k次叠代的粒子位置和速度，按照以下公式更新粒子的速度和位置 其中，c1和c2是加速系数，分别调节向全局最好粒子和个体最好粒子方向飞行的最大步长；rand1和rand2是
之间的随机数，用以增加粒子搜索的随机性；w是惯性因子，表示自身惯性大小，w较大适于对解空间进行大范围探查，w较小适于进行小范围搜索，经过上述计算得到的n(k+1)即为更新后的波长选择方案。
进一步地，步骤(6)包括 所述结束条件是叠代次数到达，则返回全局最优解GBest，从而确定其对应的波长选择方案n(k+1)即为所需波长选择方案。
进一步地，步骤(1)中所述的标准波长是现有的C波段标准波长、或者是扩展的C波段标准波长，其中， 现有的C波段标准波长，是192.1-196.05THz波段范围中的信道间隔50GHz的波长，相应地，C波段中可包括80波； 扩展的C波段标准波长，是191.45-196.2THz波段范围内的共96个波分别对应的波长。
进一步地，所述80波对应的信道号和现有的标准波长的频率对应关系为 f＝(n-1)×0.05+192.1 其中f为光载波频率，单位THz，n为信道号。
与现有技术相比，本发明在整个波长域中进行搜索，搜索空间全面；且由于本发明进行的并非完全不等间隔信道选择，所以，我们的方法并不局限在某几个特定信道数(例如，小于8)和选取结果上面，而是在尽量减小FWM对系统的影响的前提下，尽可能多的扩充系统信道，从而充分利用光纤资源。另外，本发明并不试图对所有可能进行搜索，而是按照一定的规则进行有效的信道选择，所以，在实现上具有很好的可行性和可控性。可以按照精度需求获得合适的选择方案。
图1是本发明实施例中所采用的DWDM系统的配置图； 图2是本发明实施例中DWDM系统传输波长选择方法的流程图。
具体实施例方式 下面结合附图及实施例对本发明所述选择方法作进一步详细说明。
如图1所示，是色散位移光纤DWDM系统的配置图，其中Tx和Rx是光终端站点，主要包括光转发单板，合分波装置以及光放大板。其中，光转发板线路侧的波长根据本发明所述的方法确定。F1-F19是色散位移光纤，其参数如表1所示，给出了系统中各段光纤的具体参数。在每段色散位移光纤之后是衰减器以及光放大器。
如图2所示，本发明提供的色散位移光纤C波段DWDM系统传输波长选择方法，包括下述步骤 步骤1根据ITU-T建议的C波段标准波长形成搜索空间；并根据要选择的信道数随机初始化N个波长选择方案。
其中，我们可以用信道号来表示C波段的标准波长(192.1-196.05THz，信道间隔50GHz，即192.1、192.15、192.2等)，即192.1对应信道号1，192.15对应信道号2，以此类推，直到信道号80。在本发明中，并不只局限于这80波，将来如果C波段可使用的波长数目超过这80波，则本发明仍然适用。例如，目前已经有厂家设备C波段为191.45-196.2THz内共96波，将来可能更多，本发明所述的方法都适用。我们可以这样来描述DWDM系统中的波长选择问题，以80个波的C波段为例，即在C波段的80个标准波长中找出一个M(根据用户需求而定，例如16、20、24或更多)条波长的组合，使得由这组波长产生的FWM串扰功率最大值在所有可用波长组合中最小。在该步骤中，我们提到的随机波长选择方案即是包含任意M个波长的一个组合。我们可以把该包含M条波长的一个组合，按信道号升序编号排列，并表示为矢量的形式n＝(n1，n2，…nM)，而此时的搜索空间可以表示为 L＝{x＝(x1，x2，…，xM)|xi∈R，0＜x1＜x2＜…xM}，i＝1，…M。
另外，本方法需要进行多次叠代来获取最终的选择方案，因此，需要在流程开始时，设置一个叠代次数，计数完成后结束叠代过程。
步骤2验证每个波长选择方案的有效性。
其中，所谓波长选择方案的有效性是指，该波长选择方案是否是C波段的80个标准波长中找出一个M波长的组合，换句话说，该波长方案是否是在搜索空间L中。如果不是，则不予计算该波长选择方案的评估因子，但仍然按照一定的规则更改该波长选择方案。
步骤3对每个波长选择方案进行碰撞处理。
其中，所谓的碰撞是指当两个波长选择方案的距离小于某一门限DTh，即此时，应选择其中较差的一个波长选择方案，即FWM串扰功率大的方案，丢弃它，并在搜索空间中随机生成一个新的波长选择方案，但保留原来的历史最优解PBest。历史最优解PBest可以随机生成，也可以手动输入以前计算得到的最优解，在每次更改该选择方案时，生成新的历史最优解PBest。
步骤4计算每个波长选择方案的评估因子，并根据各自的评估因子更新每个波长选择方案的历史最优解PBest，以及所有N个波长选择方案的全局最优解GBest； 其中，我们需要对评估因子做一下说明。定义如下波长组合n的函数 PFWM(n)＝(P1，P2，…PM)，式中
i＝1，...，M 即叠加在每一路信号上的FWM功率的总和，而Pjkl的计算稍后加以说明。
由于DWDM系统的性能由其性能最差的信道来决定，故我们所选信道的优劣也由FWM串扰功率最大的那一路波长来决定。引入以下范数来评价波长组合的性能优劣 即该范数越小，系统性能越优，范数越大，系统性能越劣，这就是所谓的评估因子。
依据评估因子更新对应矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest；从所有N个矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest中，确定最小的PBest为全局最优解GBest。
对于步骤4，我们有必要对FWM功率(即Pjkl)的计算进行一下说明。对于光纤零色散点波长恒定不变的系统(由于光纤制造工艺等原因，这种系统是不存在的)，大多数文献上都给出了Pjkl的计算公式，如下所示 其中， Δβ＝β(fi)+β(fj)-β(fk)-β(fFWM)， Pi，Pj，Pk是输入光功率，其对应的频率为fi，fj，fk，PFWM(L)是对应于频率fFWM＝fi+fj-fk处的FWM产物的光功率，n是光纤折射率，λ是光波长，c是真空中光速，Aeff是纤芯的有效面积，α是光纤损耗因子，L是光纤长度，D是光纤色散因子，χ是三阶非线性电极化率，这里假定输入光具有相同的偏振态。η表示相位失配Δβ时的四波混频效率。
然而，在实际系统中，由于生产工艺的限制，光纤零色散点波长恒定不变的条件往往得不到满足，各段光纤的零色散波长总会存在微小的偏差。在这种情况下，我们给出了由m段光纤，每段光纤零色散波长有微小的偏差，组成的光纤传输系统四波混频产物功率的计算公式，如下所示 其中， L(m-1)＝L1+L2+…+Lm-1≤z≤L1+L2+…+Lm＝L(m)。
步骤5按照一定的规则更改每个波长选择方案； 其中，所谓一定规则是指更改波长选择方案的规则。更改波长选择方案是需要向串扰功率变小的方向进行的，我们可以把每个波长选择方案看做是在搜索空间中的一个粒子(即矢量空间中的一个矢量点)，而把更改波长选择方案看做是粒子在该空间中的运动。
我们用n(k)和v(k)分别为第k次叠代的粒子位置和速度，按照以下公式更新粒子的速度和位置 式中c1和c2是加速系数(或称学习因子)，分别调节向全局最好粒子(GBest对应的选择方案)和个体最好粒子(指每个波长选择方案的历史最优解PBest)方向飞行的最大步长，若太小则粒子可能在远离目标区域缓慢前进，使收敛速度过慢，若太大则会导致突然向目标区域飞去，甚至飞过目标区域。rand1和rand2是
之间的随机数，用以增加粒子搜索的随机性。w称惯性因子，用以表示自身惯性大小，w较大适于对解空间进行大范围探查，w较小适于进行小范围搜索。经过上述计算得到的n(k+1)即为更新后的波长选择方案。而上述方法即为更改波长选择方案的规则。
步骤6判断结束条件是否满足，如不满足，则重复步骤2、3、4、5； 所述结束条件，一般指叠代次数计数到达时，可在算法开始时设定叠代次数。
步骤7算法计算流程结束后，返回全局最优解GBest，从而确定所需要的选择方案。
根据以上提出的方法，编写相应的软件，用来进行波长分配方案的搜索。对于图1的DWDM系统，分别进行16和24波的波长搜索。表1是图1所示系统中各段光纤的具体参数。
本发明所述的方法具体实施时，波长选择方案和光纤参数相关，不同的光纤参数得到的最优的波长方案可能不同，因此需要给出光纤参数。对于本发明提到的方法，可以根据不同的光纤参数计算得到不同的波长方案，也可以在得到一组最优波长分配方案后，计算其在其他光纤参数上的FWM功率以及传输性能。如果传输性能满足系统要求，就不需要再重新根据光纤参数搜索新的波长方案。
将表1中的光纤参数输入搜索软件，将叠代的次数设置为2000次，将随机初始的波长选择方案数N设置为100，加速系数c1和c2都设置为0.5，惯性因子w设置为1。这样根据实现了上述方法的程序选出的波长方案如下所示(以信道号表示) 信道号(1 7 14 15 25 34 45 47 53 57 63 67 70 77 78 80) 其中信道号和频率的对应关系为 f＝(n-1)×0.05+192.1 其中f为光载波频率，单位THz，n为信道号。
我们将表1中的光纤参数输入搜索软件，将叠代的次数设置为3000次，将随机初始的波长选择方案数N设置为300，加速系数c1和c2都设置为0.4，惯性因子w设置为1。这样根据实现了上述方法的程序选出的波长方案如下所示(以信道号表示) 信道号(1 7 17 18 26 42 44 49 53 56 64 66 70 73 79 80) 其中，信道号和频率的对应关系为 f＝(n-1)×0.05+192.1 其中，f为光载波频率，单位THz，n为信道号。
通过改变搜索条件，对于上述配置的系统，还可以搜到了如下的可行解 信道号(1 4 17 21 32 39 40 45 52 56 58 61 68 70 77 78) 信道号(1 10 18 25 30 36 43 44 48 59 62 66 68 72 7880) 信道号(1 4 18 27 28 34 39 43 51 53 62 63 70 74 78 80) 其中信道号和频率的对应关系为 f＝(n-1)×0.05+192.1 其中f为光载波频率，单位THz，n为信道号。
对24波的波长分配方案进行了搜索，搜索结果如下 信道号(7 10 15 22 24 28 29 34 37 38 40 42 43 4751 53 54 58 60 64 69 73 75 79) 信道号(1 6 10 14 16 17 18 22 24 28 31 36 41 4555 56 59 62 65 67 70 72 73 80) 其中信道号和频率的对应关系为 f＝(n-1)×0.05+192.1 其中f为光载波频率，单位THz，n为信道号。
仿真以及实验结果已经验证上述波长分配方案的正确性和可用性。采用本发明所述方法，可以按照系统的传输性能要求得到超过12波的任意数目的波长方案，提高色散位移光纤的传输容量。本发明只给出16波和24波的波长方案以及系统。上述实施方式并未完全包括本发明的全部实施方式。
表1 在本发明中，对于将来如果C波段可使用的波长数目超过这80波的情况，则本发明仍然适用。例如，目前已经有厂家设备C波段为191.45-196.2THz内共96波，将来可能更多，本发明所述的方法都适用，可参照C波段80波的处理方法，来实现WDM传输波长的选择。
权利要求
1.一种色散位移光纤密集波分复用系统传输波长的选择方法，在色散位移光纤C波段确定传输波长选择方案，其特征在于，所述方法包括如下步骤
(1)根据C波段标准波长和所需信道数目M，随机初始化N个信道数目为M的选择方案，同时，形成包括所有可能选择方案的搜索空间L，将每一选择方案视为一个M维矢量；
(2)通过判断初始化产生的N个M维矢量是否属于M维的搜索空间，来验证每一选择方案的有效性；
(3)通过判断所述N个M维矢量之中每两个矢量之间的距离是否小于预定门限值，来验证两者之间是否碰撞；
(4)将N个M维矢量中每一矢量的四波混频功率的范数作为评估因子，并依据评估因子更新对应矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest以及所有N个矢量的四波混频串扰功率值的全局最优解GBest；
(5)依据步骤(4)更新的PBest和GBest，改进N个选择方案中的每一个选择方案；
(6)重复步骤(2)至步骤(5)，直到满足结束条件为止，返回全局最优解GBest，其对应的选择方案作为最终确定的选择方案。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括
对C波段标准波长依升序编为从1开始的整数信道号；
从所述标准波长中随机初始化选择M个信道，确定N个信道数目为M的选择方案，每一选择方案为按升序编号排列的矢量n＝(n1，n2，…nM)；
从所述标准波长中选择出M个信道的所有可能选择方案，形成搜索空间
L＝{x＝(x1，x2，…，xM)|xi∈R，0＜x1＜x2＜…xM}，i＝1，…M。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括
判断N个信道数目为M的选择方案对应的每一个矢量n是否属于所形成的搜索空间L；
如果属于，则该选择方案具有有效性，如果不属于，则该选择方案不具有效性。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括
计算所述N个信道数目为M的选择方案之中的任何两个对应的矢量n、m之间的距离，如果所述距离小于预定的门限值DTh，则两者发生碰撞，将其中性能较差的选择方案丢弃，并在搜索空间中随机生一个新的选择方案，保留原来的历史最优解PBest；否则继续步骤(4)。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括
对于N个M维矢量中具有有效性的每一矢量，将其四波混频功率的范数
作为评估因子，该范数大小与系统性能成相反趋势，即该范数越小，系统性能越优，并且等于每一矢量中各信道波长所产生的最大功率值；
依据评估因子更新对应矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest；
从所有N个矢量的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest中，确定最小的PBest为全局最优解GBest；
如果不具有有效性，则直接进入步骤(5)；
其中，PFWM(n)＝(P1，P2，…PM)，是叠加在每一路信号上的四波混频功率的总和，
而
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括
将每一波长选择方案作为搜索空间中的一个粒子，把更改波长选择方案作为粒子在该空间中的运动，设定n(k)和v(k)分别为第k次叠代的粒子位置和速度，按照以下公式更新粒子的速度和位置
n(k+1)＝n(k)+v(k+1)，
其中，c1和c2是加速系数，分别调节向全局最好粒子和个体最好粒子方向飞行的最大步长；rand1和rand2是
之间的随机数，用以增加粒子搜索的随机性；w是惯性因子，表示自身惯性大小，w较大适于对解空间进行大范围探查，w较小适于进行小范围搜索，经过上述计算得到的n(k+1)即为更新后的波长选择方案。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)包括所述结束条件是叠代次数到达，则返回全局最优解GBest，从而确定其对应的波长选择方案n(k+1)即为所需波长选择方案。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的标准波长是现有的C波段标准波长、或者是扩展的C波段标准波长，其中，
现有的C波段标准波长，是192.1-196.05THz波段范围中的信道间隔50GHz的波长，相应地，C波段中可包括80波；
扩展的C波段标准波长，是191.45-196.2THz波段范围内的共96个波分别对应的波长。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述80波对应的信道号和现有的标准波长的频率对应关系为
f＝(n-1)×0.05+192.1
其中f为光载波频率，单位THz，n为信道号。
全文摘要
本发明公开了一种色散位移光纤密集波分复用系统传输波长的选择方法，根据C波段标准波长和所需信道数目M，随机初始化N个信道数目为M的选择方案，判断每一选择方案的有效性，并验证两个方案之间是否碰撞，将每一选择方案的四波混频功率的范数作为评估因子，并依据评估因子更新对应的四波混频串扰功率值的历史最优解PBest以及所有N个方案中的全局最优解GBest，并依据PBest和GBest改进N个选择方案中的每一个选择方案，满足结束条件时，返回全局最优解GBest，其对应的选择方案作为最终确定的选择方案。本发明在尽量减小FWM对系统的影响的前提下，尽可能多的扩充系统信道，从而充分利用光纤资源。
文档编号H04J14/02GK101170377SQ20061015004
公开日2008年4月30日 申请日期2006年10月24日 优先权日2006年10月24日
发明者李红军, 王加莹 申请人:中兴通讯股份有限公司, 北京邮电大学