［葉胤 劉杰］

1 引言

全球國際互聯(lián)網(wǎng)流量呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢，近5 年帶寬的平均年增長率約30%，在疫情的影響下，2020 年增長率高達35%。帶寬需求的持續(xù)增長推動了海底光纜建設的加速，目前全球在用的海底光纜超過400 條，總長度超過120 萬公里。海底光纜工程技術在向更多纖芯對、更高速率、更長距離等方面不斷創(chuàng)新發(fā)展，進而持續(xù)降低單位比特通信成本。近年國際海纜系統(tǒng)的終端傳輸設備（TTE）與水下設備解耦已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢，相干技術的應用使得海纜陸纜系統(tǒng)的終端傳輸設備技術走向融合和統(tǒng)一。以往國際海纜都采用初始海纜系統(tǒng)廠商提供的TTE，由于陸纜傳輸系統(tǒng)的體量遠遠大于海纜，TTE 技術的融合統(tǒng)一使得陸纜系統(tǒng)廠商占據(jù)更大優(yōu)勢，海纜系統(tǒng)擴容開始大量采用陸纜廠商提供技術及設備，部分海纜系統(tǒng)廠商甚至將TTE 部分剝離，僅專注于水下相關的設備技術。通過系統(tǒng)解耦分離，海纜投資方無需在海纜建設合同簽訂時就確定TTE，因為海纜建設周期一般長達3～4 年，而TTE 技術更新迭代較快，海纜投產(chǎn)之前再選擇技術更新的設備，可進一步降低每比特成本。對于終端傳輸設備商和水下設備商而言，也可以結合自身的優(yōu)勢，集中力量提高各自領域產(chǎn)品競爭力。

2 系統(tǒng)架構及關鍵指標

2.1 系統(tǒng)架構

開放海纜架構模式旨在將海纜系統(tǒng)終端傳輸設備和水下設備解耦和分離,要求海纜終端傳輸設備與海纜底層平臺的接口進行標準化，并能實現(xiàn)各自獨立的系統(tǒng)測試和驗收。2016 年ITU-T SG15 同意將Open Cable 作為G.977.1研究的新標準，經(jīng)過多年研究討論，G.977.1 在2021 年已完成并發(fā)布，開放海纜系統(tǒng)接口如圖1 所示。

圖1 開放海纜系統(tǒng)接口示意圖

其中MPI-SM 點和MPI-RM 點分別為主光通道發(fā)送點和接收點，IPI-SM 和IPI-RM 分別為互操作接口發(fā)送點和接收點；光耦合連接設備（OCJ）為不同TTE 的接入點，同時也提供海纜監(jiān)測和控制的耦合接口，OCJ 可包含光放大器。標準將海纜系統(tǒng)的TTE 與水下設備解耦，水下設備為主的系統(tǒng)作為一個透明的光層傳輸平臺，通過OCJ提供開放的光接口，建設方可以自由選擇TTE 廠家。

2.2 關鍵指標定義

在現(xiàn)有光傳輸標準規(guī)范中，衡量系統(tǒng)性能最關鍵指標是光信噪比（OSNR）。傳輸系統(tǒng)每個摻鉺光纖放大器（EDFA）產(chǎn)生的自發(fā)輻射（ASE）噪聲會經(jīng)過后續(xù)的放大器積累，使得OSNR 逐步下降，根據(jù)OSNR 的定義，對于經(jīng)過EDFA 級聯(lián)的光傳輸系統(tǒng)，可用公式（1）計算：

式（1）中，Pin是放大器輸入單波光功率，NF 是放大器的噪聲系數(shù)，N 是跨段數(shù)，h 是普朗克常數(shù)，ν 是光頻率，νr為參考帶寬。普朗克常數(shù)值為6.63x10-34J·s，ν 取1 550 nm 窗口頻率，νr參考帶寬為12.5 GHz（即0.1 nm），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，上式的dB 形式可以簡化為公式（2），其中，Pout是入纖單波光功率，L 是跨段衰耗。

現(xiàn)有海纜系統(tǒng)標準G.977 中還使用Q 值指標，Q 值是接收機在判決電路以電壓或電流為單位的平均值除以標準差，被視為誤碼率的定性指示。但對于高速光通信系統(tǒng)，Q 值已難以通過儀表測試獲得，需要通過TTE 輔助換算。從式（2）可以看出，通過加大系統(tǒng)入纖光功率能提升OSNR，但隨著信號光功率的進一步增大，非線性噪聲功率將顯著增大，功率超過一定數(shù)值后，繼續(xù)加大將造成Q 值或實際總信噪比的降低。因此只考慮ASE 噪聲的OSNR 指標對于系統(tǒng)性能的評估是不全面的，特別是將TTE 電層解耦后，系統(tǒng)光層的性能需要更全面的評估指標。

ITU-T G.977.1 標準定義了廣義信噪比（Generalised Signal-to-Noise Ratio,GSNR）這一重要指標，GSNR 除了考慮ASE 噪聲還要考慮非線性效應（NLI）及聲導波布里淵散射（GAWBS）等噪聲帶來的影響，具體定義如式（3）所示。

GSNR 將參考帶寬統(tǒng)一定義為12.5 GHz，避免了因信號頻譜間隔不同而不便于橫向比較。SNRASE 可以認為是信號和噪聲頻譜均取12.5 GHz 的OSNR 值，例如信號頻譜寬度及間隔為50 GHz 時，SNRASE 為OSNR 值減去6 dB，間隔為37.5 Hz 時則減4.8dB。

2.3 非線性噪聲影響分析

光纖中的非線性效應包括非彈性散射效應與克爾效應兩大類。非彈性散射又稱受激散射，光場經(jīng)過非彈性散射將高能量光子被散射成低能量的光子，同時產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個能量子，其中受激布里淵散射（SBS）參與的能量子為聲學聲子，受激拉曼散射（SRS）參與的能量子為光學聲子。一旦入射光功率超過閾值，散射光強將指數(shù)增長，當入射光功率較低時，非彈性散射效應可以忽略不計，常規(guī)通信系統(tǒng)設計都會避免入纖功率接近閾值?？藸栃址Q為折射率擾動效應，入射光功率強度的變化會引起光纖折射率的變化，產(chǎn)生的效應包括自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、交叉極化調制（XPolM）、四波混頻效應（FWM），考慮了非線性的光纖的折射率n 可以表達為式（4）。

其中，n0為線性折射率系數(shù)，n2為非線性折射率系數(shù)，P 為入纖光功率，Aeff為光纖的有效面積。

無色散補償相干系統(tǒng)SNRNLI的計算可參考高斯噪聲非線性傳播模型公式（GNRF），對非線性噪聲功率譜密度GNLI在帶寬內進行積分，得到非線性噪聲功率PNLI如表達式（5）所示。

當系統(tǒng)信號譜寬與間隔接近等效為奈奎斯特WDM 系統(tǒng)時，假定每個跨段衰耗是均勻且都被放大補償、信道間隔及功率一致，公式（5）可以進行簡化，在進行近似處理后，PNLI可如表達式（6）所示。

式中α 表示光纖衰減系數(shù)，Leff=（1-exp（-2αLS））/2α 表示光纖有效長度，LS表示跨段長度，γ 為光纖的非線性系數(shù)，NS為跨段數(shù)量，β2為光纖二階色散系數(shù)，BWDM表示信號光總帶寬，Bn 帶寬可取12.5 GHz，這里PS表示為信號光在Bn 帶寬的功率。從式（6）可以看出，PNLI近似與入纖信號功率的立方成正比，因此1/SNRNLI與入纖信號光功率的平方成正比。

2.4 GAWBS 噪聲影響分析

GAWBS 產(chǎn)生在熱平衡條件下光與光纖材料橫向振動聲學聲子相互作用，發(fā)生非受激前向散射，相關研究表明，SNRGAWBS與入纖光功率不相關，與系統(tǒng)長度、光纖結構和溫度等相關。GAWBS 產(chǎn)生的相位噪聲相對較小，常規(guī)手段也難以進行直接測量，對于低速系統(tǒng)或距離較短的系統(tǒng)這部分噪聲可以忽略。但近年隨著系統(tǒng)速率的不斷提升，系統(tǒng)要求的信噪比相應提高，GAWBS 的影響在長距離系統(tǒng)中逐漸受到重視。由于GAWBS 噪聲頻率范圍在10～1 000 MHz，而現(xiàn)有DSP 技術能跟蹤處理的頻譜范圍在10 MHz 以內，所以難以進行補償，建議單獨考慮。

SNRGAWBS的計算方式如式（7），其中L 為系統(tǒng)傳輸總距離，ΓGAWBS為GAWBS 系數(shù)。

近年GAWBS 的相關研究測試成果表明：有效面積大的光纖，GAWBS 的影響相對小一些。例如有效面積分別為150、130、110、80 um2的光纖，ΓGAWBS 系數(shù)分別為-30.2、-29.6、-28.6、-27.5 dB/Mm。

3 GSNR 的測試驗證

GSNR 指標相對傳統(tǒng)的OSNR 指標更能客觀地反映系統(tǒng)真實性能，在實踐中避免了為滿足合同或契約指標通過增加光功率掩蓋系統(tǒng)非線性等損傷而帶來的爭議。如何客觀地測試驗證GSNR 也非常重要，由于目前技術條件限制，系統(tǒng)GSNR 的測試驗證需要通過TTE 來輔助，并通過一定的轉換和處理才能獲得。對于適用高斯噪聲模型且總信噪比和Q 值之間可相互轉換的傳輸系統(tǒng)，用于測試的TTE 要求其OTU 采用DP-QPSK 或DP-16QAM 碼型，相鄰通道間隔不大于波特率的1.15 倍，頻譜整形采用滾降因子不超過0.1 的根余弦（RRC）濾波，無非線性補償。

系統(tǒng)測試建議不少于3 個頻點，每個頻點至少配置3波，并測試位于中間的信號波道，對于不用的頻譜增加假波進行填充。由于EDFA 頻譜增益曲線并非矩形，即使水下系統(tǒng)中間會設置若干均衡器，系統(tǒng)仍然需要進行動態(tài)功率均衡。功率均衡的方式有發(fā)送功率平坦（flat launch）均衡、收端OSNR 均衡、收發(fā)功率總和均衡等，其中發(fā)送功率平坦方式能體現(xiàn)線路的頻譜均衡情況，這種方式雖然可能獲得較大性能平均值，但收端不同頻譜性能差異較大，可作為測試的基準參考。

測試系統(tǒng)傳輸后的SNRASE，將其Q 值對應到其背靠背（BtoB）性能曲線上，通過背靠背性能曲線同樣的Q值轉換獲得SNREXT值，即SNREXT=iBtoB（Q），如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)SNRASE 后通過背靠背性能獲得SNREXT

通過這一對應轉換消除了調制設備本身的影響，但SNREXT除了GSNR 還含有調制引入的代價SNRi未能消除，如公式（8）所示。

SNRi是測試設備單板補償色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）、偏振相關損耗（PDL）、激光器線寬色散擾動等引入的代價，這部分很難理論計算，而且不同單板引入的代價差異可能也不同。SNRi可以通過單獨測試每一種因素帶來的代價進行匯總得到，但這一過程會比較復雜。另一種方式是通過測試可得到在不同功率下的SNRASE和SNREXT，利用公式（8）的等式關系，將測試得到不同功率下的1/SNREXT-1/SNRASE，與將理論計算的不同功率下的1/SNRNLI+1/SNRGAWBS+1/SNRi用最小二乘法進行擬合，即可得到SNRi。其中SNRNLI和SNRGAWBS的理論計算可分別參考公式（5）和公式（7）。

將SNREXT 去除SNRi 的影響得到GSNR，如式（9）所示。

4 GSNR 指標的應用建議

開放海纜系統(tǒng)開放了光層，GSNR 指標是模擬量，即使系統(tǒng)經(jīng)過均衡其數(shù)值在不同頻點仍會有差異，未來隨時間推移，設備老化、線路故障維修及系統(tǒng)擴容也還會帶來GSNR 數(shù)值的變化。

網(wǎng)絡建設的合同契約值需要約定驗收時GSNR 數(shù)值，即系統(tǒng)竣工時的壽命初始（BOL）值，也還需要承諾在假定的系統(tǒng)維修、老化和劣化等影響后的壽命終止（EOL）值，EOL 值無法在竣工時實地測試，可以在工廠或實驗室進行模擬驗證。由于GSNR 指標是模擬量，在不同的功率均衡條件，不同的頻譜位置都會有所不同，且同樣頻點在不同的時刻也都會有小的波動。因此在合同階段應盡量約定好相關測試條件、參數(shù)及數(shù)值區(qū)間，以免在系統(tǒng)驗收階段或系統(tǒng)運行期間發(fā)生爭議。

傳統(tǒng)的海纜系統(tǒng)及標準都是以極限Q 值（滿足誤碼要求所需最小Q 值）為最低參考值，但極限Q 值與采用的傳輸終端設備相關，糾錯能力更強的終端設備可以有更低的極限Q 值。對于Open Cable 的應用模式，建議參考TTE 廠商平均技術能力水平及對未來技術能力發(fā)展判斷綜合確定所需的極限GSNR 值，并建議基于GSNR 極限預留系統(tǒng)余量。

無論是BOL 還是EOL，GSNR 指標都要有平均值、最差值兩個數(shù)值，數(shù)值之間的關系如圖3 所示。系統(tǒng)設計評審階段，按照合同約定的考慮系統(tǒng)維修、老化劣化等因素對EOL 系統(tǒng)進行模擬并測試，要求測試后GSNR 指標均分別大于合同約定的EOL 平均值、EOL 最差值。系統(tǒng)竣工階段完成測試后，系統(tǒng)GSNR 指標要求分別大于合同約定的BOL 平均值、BOL 最差值。傳統(tǒng)的海纜系統(tǒng)Q 值余量一般是取1 dB，也有少量選擇0.5 dB，Open Cable 應用模式下建議考慮EOL 最差值GSNR 比擬定極限GSNR值增加0.5 或1 dB。

圖3 GSNR 不同數(shù)值之間的關系示意

5 結束語

本文介紹了開放海纜系統(tǒng)的架構，對主要的性能影響因素及估算方法進行了分析，探討了關鍵指標GSNR 如何進行測試驗證，最后對指標的應用給出了建議?？梢钥闯?，目前開放海纜系統(tǒng)GSNR 測試驗證還較為復雜，能否進行簡化或者研發(fā)相關測試儀表，建議今后進一步研究。傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)絡是一個相對封閉的系統(tǒng)，不同設備商的設備無法混合組網(wǎng)和統(tǒng)一管控，制約了競爭和創(chuàng)新，近年光網(wǎng)絡的開放與解耦越來越得到關注，海纜Open Cable 標準率先實現(xiàn)了一定程度的開放解耦，為陸纜傳輸系統(tǒng)的硬件開放提供了借鑒參考，但陸纜系統(tǒng)與海纜系統(tǒng)在技術條件及應用需求上均存在一定差異，也建議后續(xù)開展進一步的研究。