骨干光網絡工程系統(tǒng)性能指標分析

葉 胤，汪令全（.廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司，浙江廣州 50630；.中國電信集團有限公司，北京 0003）

0 引言

目前100 Gbit∕s是骨干波分網絡的主流速率，部分新建系統(tǒng)開始采用雙載波400 Gbit∕s速率，即單波速率提升到200 Gbit∕s。骨干波分網絡頻譜效率從100 Gbit∕s 系統(tǒng)的2 bit∕s∕Hz，提升到雙載波400 Gbit∕s 系統(tǒng)2.67 bit∕s∕Hz（PM-QPSK）或4 bit∕s∕Hz（PM-16QAM），未來網絡的速率還將進一步提升，頻譜效率也將繼續(xù)增加。根據香農公式，正交偏振復用系統(tǒng)的頻譜效率C∕B=2log2（1+SNR），其中SNR 是信噪比，可以看出隨著網絡頻譜效率的提升，系統(tǒng)所要求的信噪比也要相應提高。光纖信道中存在多種因素可產生噪聲使得信號劣化，單純提升信號功率并不一定能提升信噪比，且提高信號功率的同時系統(tǒng)非線性噪聲可能成倍增加。現(xiàn)有光網絡工程對系統(tǒng)性能進行衡量或評估時主要采用光信噪比（OSNR）指標，本文首先分析OSNR指標及存在的主要問題，并探討借鑒開放海纜標準中廣義信噪比（GSNR）指標的可能性。

1 骨干網OSNR指標及存在的問題

現(xiàn)有100 Gbit∕s 及以上速率的波分系統(tǒng)技術標準［1］對性能的要求是基于背靠背壽命終止（EOL）OSNR 值取裕量的方式：系統(tǒng)跨段小于或等于12×22 dB 的取4.5 dB；系統(tǒng)跨段大于12×22 dB 且小于等于20×22 dB 的取5.0 dB；系統(tǒng)跨段大于20×22 dB 且小于等于28×22 dB 的取5.5 dB；系統(tǒng)跨段大于28×22 dB 的取6.0 dB。標準還要求系統(tǒng)的光通道OSNR 代價小于2 dB。標準模型采用的是等效22 dB 的均勻跨段，在超長距100 Gbit∕s WDM 標準［2］中：針對某個非均勻跨段，假設其跨段損耗為L，其等效22 dB 跨段數(shù)的計算方法如下：若L≤22 dB，則其等效22 dB 跨段數(shù)量為1；若L＞22 dB，則其等效22 dB 跨段數(shù)量為1+（L-22）×0.2；將該系統(tǒng)所有光放段的等效22 dB 跨段數(shù)相加，得到該系統(tǒng)的等效22 dB跨段數(shù)，然后將N×22 dB均勻跨段系統(tǒng)的OSNR裕量指標，作為該非均勻跨的OSNR裕量參考指標。實際網絡絕大多數(shù)是非均勻跨段系統(tǒng)，不同光放段損耗差異較大，難以直接參照均勻跨段系統(tǒng)入纖功率指標，在超長距標準中針對不同跨段損耗和光纖類型給出了入纖功率參考區(qū)間。

系統(tǒng)中每個摻鉺光纖放大器產生的自發(fā)輻射（ASE）噪聲會經后續(xù)的放大器積累，系統(tǒng)光信噪比會逐步下降，對于經過摻鉺光纖放大器級聯(lián)的光傳輸系統(tǒng)，OSNR可用式（1）計算。

式中：

Pin——放大器輸入單波光功率

NFi——放大器的噪聲系數(shù)

N——跨段數(shù)

h——普朗克常數(shù)，取6.63×10-34J·s

ν——光頻率，取1 550 nm窗口頻率

νr——參考帶寬，取12.5 GHz

當每個跨段衰耗是均勻的并由同樣的放大器補償，ASE 功率遠低于信號光功率時，式（1）可以簡化為式（2）。

式中：

Pout——入纖單波光功率

L——跨段衰耗

衡量通信系統(tǒng)性能的指標Q因子可視為誤碼率（BER）的定性指示，Q（dB）=20lg其中erfc是互補誤差函數(shù)。對于100 Gbit∕s 及以上的光傳輸系統(tǒng)，Q值已難以直接通過儀表測試獲得。從式（2）可以看出，通過增加系統(tǒng)入纖光功率Pout可提高光信噪比數(shù)值，但對于實際光通信系統(tǒng)，如果信號光功率不斷增大且超過一定數(shù)值后，進一步加大光功率將造成Q值性能的降低，可參考圖1 曲線示意。需要說明的是，不同系統(tǒng)的跨段距離及衰耗、光放性能及功率、碼型及光收發(fā)器性能等參數(shù)不同，對應曲線均會有差異。

圖1 系統(tǒng)OSNR與Q值性能的關系示意

只考慮ASE 噪聲的OSNR 指標對于系統(tǒng)性能的評估是不全面的，實際骨干光傳輸線路的跨段距離和衰耗不僅各不相同，并且差異還很大，即使每個段落可以有光功率參考區(qū)間進行指引，也難以評估整個系統(tǒng)受到非線性的劣化程度。骨干光網絡項目承建方為滿足合同OSNR 指標，可能通過增加光功率掩蓋系統(tǒng)非線性等損傷，導致系統(tǒng)在運行一段時間后出現(xiàn)誤碼或瞬斷的情況，這類問題在工程實踐中已出現(xiàn)過。波分系統(tǒng)的技術標準中均有要求光通道OSNR 代價小于2 dB，但光通道代價指標在光網絡工程實踐中并未得到應用，項目建設階段沒有針對擬建系統(tǒng)的光通道代價提出指標數(shù)值，后續(xù)驗收未要求測試，波分傳輸系統(tǒng)工程設計規(guī)范［3］及驗收規(guī)范［4］對此也沒有具體要求。

對此問題的探討借鑒ITU-T 開放海纜標準［7］的處理方式，G.977.1為海底光纜系統(tǒng)的光電層開放解耦增加了廣義信噪比（GSNR）指標。GSNR 指標除了考慮ASE 噪聲還要考慮非線性效應（NLI）噪聲及聲導波布里淵散射（GAWBS）等噪聲帶來的影響，相對式（1）廣義信噪比指標更加接近系統(tǒng)光層的真實性能情況，其物理含義可由式（3）來表達。

在熱平衡的條件下，GAWBS 產生光與光纖材料橫向振動聲學支聲子的相互作用，有研究［9］表明，SNRGAWBS與系統(tǒng)長度和光纖結構相關，與入纖光功率不相關。隨著系統(tǒng)速率的提升，系統(tǒng)信噪比要求提高，GAWBS 的影響在長距離海纜系統(tǒng)中受到重視。聲導波布里淵散射噪聲功率相對較小，且與傳輸距離線性相關，在對陸地傳輸系統(tǒng)性能的比較與分析中這部分噪聲暫且可以忽略，下面將重點分析非線性的影響。

2 系統(tǒng)非線性效應及其影響

光纖中的非線性效應包括非彈性散射效應與折射率擾動效應兩大類。光場經過非彈性散射將高能光子散射成低能的光子，同時產生能量為2 光子能量差的另一個能量子，其中受激拉曼散射（SRS）參與的能量子為光學支聲子，受激布里淵散射（SBS）參與的能量子為聲學支聲子。如果光功率超過閾值，散射光強將指數(shù)增長，一般光傳輸系統(tǒng)設計都會避免入纖功率接近閾值。根據光纖中拉曼增益頻譜特性，高頻段泵浦光功率會將部分能量轉移到低頻段信號，增益效率隨著兩者頻差的增加而逐步增加，在10～15 THz 范圍將達到最大，例如C 波段的拉曼放大系統(tǒng)泵浦光波長在1 450 nm 附近。因此在超寬譜寬的波分系統(tǒng)中SRS將不可被忽視，例如對于C+L 的系統(tǒng)，信號譜寬已超過10 THz，C 波段信號的能量可能會通過SRS 遷移到L波段信號。

折射率擾動效應是由于光纖中光場強度的變化引起光纖折射率的變化，產生了包括自相位調制、交叉相位調制、四波混頻效應、交叉極化調制等效應?？紤]了非線性部分的光纖的折射率n可以表達為式（4）。

式中：

n0——線性折射率系數(shù)

n2——非線性折射率系數(shù)

Aeff——光纖的有效面積

P——入纖光功率

無色散補償?shù)南喔上到y(tǒng)SNRNLI的計算可參考高斯噪聲非線性傳播模型公式（GNRF）［10］，GNRF 把非線性干擾項作為加性高斯白噪聲（AWGN），功率疊加在自發(fā)輻射噪聲上。GNLI是非線性噪聲功率譜密度，對其進行積分得到非線性噪聲功率PNLI。當信號譜寬與系統(tǒng)波道間隔接近，可等效為奈奎斯特波分復用系統(tǒng)時，假定跨段衰耗是均勻的，且波道間隔和功率一致，PNLI進行近似處理后如式（5）所示。2

式中：

ε——段落間相干指數(shù)，如果是0，則認為各段落產生的非線性效應之間不相干，其計算方法近似為

LS——跨段長度

α——光纖衰減系數(shù)

Leff——光纖有效長度，Leff=

NS——跨段數(shù)量

β2——光纖二階色散系數(shù)

γ——光纖的非線性系數(shù)，γ與式（4）系數(shù)的關系為γ=

BWDM——信號光總帶寬

PS——信號光在Bn（取12.5GHz帶寬）的等效功率

對于滿配的WDM 系統(tǒng)，ε的典型數(shù)值會在0.03～0.08。將式（5）換取工程常用的參數(shù)形式，并進一步簡化，可表達為式（6）。

式中：

αdB——衰耗系數(shù)，αdB=4.343α

D——色散系數(shù)，D=-

從式（6）可以看出，非線性效應隨著跨段數(shù)量的增加而增加；對于C 波段光纖非線性系數(shù)γ，G.654E 的γ值（約0.7∕km∕W）相對于普通G.652的γ值（約1.3∕km∕W）更小，因此非線性性能也更好；PNLI最重要的關系是與入纖信號光功率PS的立方成正比，因此1∕SNRNLI=PNLI∕PS與入纖光功率PS的平方成正比，所以入纖光功率達到一定數(shù)值后，非線性效應對整體系統(tǒng)性能的影響會急劇增大。

數(shù)字信號處理（DSP）技術已成熟應用于線性效應的補償，但非線性效應補償技術相對更為復雜。為進行非線性補償首先要建立非線性傳播理論模型，以理論模型為基礎，對實際傳輸系統(tǒng)進行精確建模，再對系統(tǒng)非線性效應進行一定的補償。光波在單模光纖中受到非線性影響的傳播規(guī)律可通過非線性薛定諤方程（NLSE）表達，但此方程沒有顯式的輸入輸出關系，可通過分布式傅里葉算法對NLSE 進行數(shù)值計算，并通過一定的假設降低計算復雜度，非線性模型有前述的高斯噪聲模型，還有增強高斯噪聲（EGN）模型、碼間串擾（ISI）模型等。非線性補償方法是近年光通信研究的熱點［11］，包括數(shù)字反向傳輸（DBT）、VoLTErra級數(shù)（VNLE）、擾動補償、載波間串擾消除（INIC）等，部分研究還將以上補償方法與深度神經網絡等機器學習技術結合，希望綜合提高準確度及運算效率。

非線性補償技術的商業(yè)部署需要平衡技術成本的增加與補償?shù)奶嵘Ч摷夹g在現(xiàn)有100G的網絡系統(tǒng)中應用程度還不高。近年星座整形編碼（PCS）技術成為研究的熱點，其通過改變星座出現(xiàn)概率或者位置的方式降低單位信息的功率，提升系統(tǒng)非線性效應容限［12］。當400G 及更高速的系統(tǒng)采用高階調制后對信噪比要求更高，預計提升非線性效應容限及進行非線性補償?shù)募夹g在高速骨干光網絡會逐步被廣泛采用。

3 對骨干光網絡工程的建議

骨干光網絡工程驗收時采用光譜分析儀來測量OSNR，首先在信號帶寬內測量待測信號與噪聲總功率P1，然后關閉待測波道，測量信號帶寬的噪聲功率P2，再測得0.1 nm 帶寬內噪聲功率P3，OSNR=（P1-P2）∕P3；也可以只測一次噪聲功率，然后基于噪聲是平坦的這一假設直接按比例換求得到噪聲和信號的功率。從第2章可知，非線性效應可以進行一定程度的補償，今后高速系統(tǒng)預計會采用非線性補償技術，如果按照式（3）將非線性效應全部視為噪聲，對具備非線性補償技術設備系統(tǒng)的性能評估會產生偏差。參照G.977.1標準雖然可以得出光層的信噪比性能，但是陸地骨干傳輸系統(tǒng)與開放海纜系統(tǒng)模式不同，其光電層仍然是采用同一廠商的設備進行建設，這樣的好處是可在光∕電層之間做協(xié)同的優(yōu)化和匹配，充分發(fā)揮光電2 個層面的能力。另外，陸纜系統(tǒng)與海纜系統(tǒng)的線路功率均衡方式存在不同，陸地ROADM 系統(tǒng)會存在較多的波長選擇開關（WSS）進行波道穿通及上下，因此陸地系統(tǒng)還要考慮WSS穿通代價。即使通過GSNR指標評估出線路光層的性能，由于不同系統(tǒng)不同廠商設備非線性補償能力存在不同，并且電層CD 及PMD 補償代價、FEC糾錯能力等都有所不同，難以獨立評估出系統(tǒng)整體的性能。

由于OSNR 和GSNR 對于衡量系統(tǒng)真實性能均存在局限性，建議骨干光網絡工程在設計及設備招投標階段增加系統(tǒng)光通道OSNR 代價評估指標，并在工程竣工驗收階段進行測試。系統(tǒng)光通道OSNR 代價是業(yè)務波道在同樣誤碼性能時，過系統(tǒng)OSNR 值與背靠背OSNR 值之差，OSNR代價的物理含義如圖2 所示。圖2中假設系統(tǒng)設備的Q值極限為QL，示例中可以看出如果系統(tǒng)工作在A點，其光通道OSNR代價為SA-SL，約為1.5 dB，如果系統(tǒng)工作在B 點其代價SB-SL約為2.5 dB，B 點雖然比A 點OSNR 大了約1.5 dB，但增量的大部分可視為非線性噪聲貢獻的。對于網絡建設或運營方來說，系統(tǒng)OSNR-OSNR代價才是更能體現(xiàn)系統(tǒng)真實性能的參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)OSNR代價含義示意

背靠背OSNR 容限可以在廠驗階段測試，考慮到廠驗階段一般僅抽測OTU 背靠背OSNR 容限，如果難以保證廠驗已測OTU 與工程局站擬測OTU 物料的一致性，則建議在工程驗收中進行背靠背OSNR 容限的測試，測試配置如圖3 所示，圖3 中OTU 均按單向進行示意。光通道OSNR 代價在工程中的測試配置如圖4所示，測得的過系統(tǒng)OSNR 容限與相同OTU 測得的背靠背OSNR 容限之差即為該波道的通道OSNR 代價，具體測試方法和步驟可以參照測試標準［5］。相對于測試標準里的環(huán)回測試方法，OSNR 代價指標在工程測試時需要在雙端都配置業(yè)務分析儀，ASE 噪聲源或假波可以通過光放大器加WSS 實現(xiàn)，因此測試儀表和現(xiàn)有工程驗收所需基本一致。

圖3 背靠背OSNR容限測試配置

圖4 光通道OSNR代價工程測試配置

對于骨干光網絡工程光通道OSNR 代價驗收測試的建議為：第一，系統(tǒng)建設初期波道數(shù)量一般不多，測試時應增加假波來彌補剩余頻譜的光功率缺失，模擬滿配時的光功率環(huán)境；第二，每次通道代價測試至少選取低中高3 個頻段的波道，減少由于系統(tǒng)不均衡帶來的誤差；第三，在ROADM 網狀網絡環(huán)境下，由于對所有可能的光通道進行OSNR 代價測試數(shù)量巨大，可以挑選重點通道進行測試，如工程設計中OSNR 指標值較小的、距離較長的或跨段較多的若干光通道。

4 結束語

OSNR 指標無法評估傳輸系統(tǒng)受到非線性影響的程度，開放海纜標準的GSNR 指標雖然能解決這一問題，但不適合評估光電未解耦的陸地骨干傳輸系統(tǒng)。本文建議骨干光網絡工程在設計及設備招投標階段增加系統(tǒng)光通道OSNR 代價評估指標，并在工程竣工驗收階段進行測試。目前單通路100 Gbit∕s、200 Gbit∕s已成為干線光網絡的主流速率，基于單通路400 Gbit∕s的WDM 系統(tǒng)將逐步在區(qū)域干線、城域、數(shù)據中心互連等場景商用，以800 Gbit∕s為典型速率的超高速系統(tǒng)已開始受到業(yè)界關注。今后骨干光網絡的速率將進一步提升，對信噪比數(shù)值及精度的要求也還會提高，希望有更合適的技術手段來評估系統(tǒng)性能，并保障和提升骨干光網絡工程質量。