葉 胤，汪令全（.廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，浙江廣州 50630；.中國(guó)電信集團(tuán)有限公司，北京 0003）

0 引言

目前100 Gbit∕s是骨干波分網(wǎng)絡(luò)的主流速率，部分新建系統(tǒng)開(kāi)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(wǎng)絡(luò)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(lái)網(wǎng)絡(luò)的速率還將進(jìn)一步提升，頻譜效率也將繼續(xù)增加。根據(jù)香農(nóng)公式，正交偏振復(fù)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(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提升，系統(tǒng)所要求的信噪比也要相應(yīng)提高。光纖信道中存在多種因素可產(chǎn)生噪聲使得信號(hào)劣化，單純提升信號(hào)功率并不一定能提升信噪比，且提高信號(hào)功率的同時(shí)系統(tǒng)非線性噪聲可能成倍增加?，F(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)工程對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行衡量或評(píng)估時(shí)主要采用光信噪比（OSNR）指標(biāo)，本文首先分析OSNR指標(biāo)及存在的主要問(wèn)題，并探討借鑒開(kāi)放海纜標(biāo)準(zhǔn)中廣義信噪比（GSNR）指標(biāo)的可能性。

1 骨干網(wǎng)OSNR指標(biāo)及存在的問(wèn)題

現(xiàn)有100 Gbit∕s 及以上速率的波分系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［1］對(duì)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(biāo)準(zhǔn)還要求系統(tǒng)的光通道OSNR 代價(jià)小于2 dB。標(biāo)準(zhǔn)模型采用的是等效22 dB 的均勻跨段，在超長(zhǎng)距100 Gbit∕s WDM 標(biāo)準(zhǔn)［2］中：針對(duì)某個(gè)非均勻跨段，假設(shè)其跨段損耗為L(zhǎng)，其等效22 dB 跨段數(shù)的計(jì)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(biāo)，作為該非均勻跨的OSNR裕量參考指標(biāo)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)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(biāo)，在超長(zhǎng)距標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)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(gè)摻鉺光纖放大器產(chǎn)生的自發(fā)輻射（ASE）噪聲會(huì)經(jīng)后續(xù)的放大器積累，系統(tǒng)光信噪比會(huì)逐步下降，對(duì)于經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器級(jí)聯(lián)的光傳輸系統(tǒng)，OSNR可用式（1）計(jì)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(dāng)每個(gè)跨段衰耗是均勻的并由同樣的放大器補(bǔ)償，ASE 功率遠(yuǎn)低于信號(hào)光功率時(shí)，式（1）可以簡(jiǎn)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(biāo)Q因子可視為誤碼率（BER）的定性指示，Q（dB）=20lg其中erfc是互補(bǔ)誤差函數(shù)。對(duì)于100 Gbit∕s 及以上的光傳輸系統(tǒng)，Q值已難以直接通過(guò)儀表測(cè)試獲得。從式（2）可以看出，通過(guò)增加系統(tǒng)入纖光功率Pout可提高光信噪比數(shù)值，但對(duì)于實(shí)際光通信系統(tǒng)，如果信號(hào)光功率不斷增大且超過(guò)一定數(shù)值后，進(jìn)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(shuō)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(duì)應(yīng)曲線均會(huì)有差異。

圖1 系統(tǒng)OSNR與Q值性能的關(guān)系示意

只考慮ASE 噪聲的OSNR 指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)性能的評(píng)估是不全面的，實(shí)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(gè)段落可以有光功率參考區(qū)間進(jìn)行指引，也難以評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)受到非線性的劣化程度。骨干光網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目承建方為滿足合同OSNR 指標(biāo)，可能通過(guò)增加光功率掩蓋系統(tǒng)非線性等損傷，導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)誤碼或瞬斷的情況，這類問(wèn)題在工程實(shí)踐中已出現(xiàn)過(guò)。波分系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均有要求光通道OSNR 代價(jià)小于2 dB，但光通道代價(jià)指標(biāo)在光網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐中并未得到應(yīng)用，項(xiàng)目建設(shè)階段沒(méi)有針對(duì)擬建系統(tǒng)的光通道代價(jià)提出指標(biāo)數(shù)值，后續(xù)驗(yàn)收未要求測(cè)試，波分傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范［3］及驗(yàn)收規(guī)范［4］對(duì)此也沒(méi)有具體要求。

對(duì)此問(wèn)題的探討借鑒ITU-T 開(kāi)放海纜標(biāo)準(zhǔn)［7］的處理方式，G.977.1為海底光纜系統(tǒng)的光電層開(kāi)放解耦增加了廣義信噪比（GSNR）指標(biāo)。GSNR 指標(biāo)除了考慮ASE 噪聲還要考慮非線性效應(yīng)（NLI）噪聲及聲導(dǎo)波布里淵散射（GAWBS）等噪聲帶來(lái)的影響，相對(duì)式（1）廣義信噪比指標(biāo)更加接近系統(tǒng)光層的真實(shí)性能情況，其物理含義可由式（3）來(lái)表達(dá)。

在熱平衡的條件下，GAWBS 產(chǎn)生光與光纖材料橫向振動(dòng)聲學(xué)支聲子的相互作用，有研究［9］表明，SNRGAWBS與系統(tǒng)長(zhǎng)度和光纖結(jié)構(gòu)相關(guān)，與入纖光功率不相關(guān)。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(zhǎng)距離海纜系統(tǒng)中受到重視。聲導(dǎo)波布里淵散射噪聲功率相對(duì)較小，且與傳輸距離線性相關(guān)，在對(duì)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(diǎn)分析非線性的影響。

2 系統(tǒng)非線性效應(yīng)及其影響

光纖中的非線性效應(yīng)包括非彈性散射效應(yīng)與折射率擾動(dòng)效應(yīng)兩大類。光場(chǎng)經(jīng)過(guò)非彈性散射將高能光子散射成低能的光子，同時(shí)產(chǎn)生能量為2 光子能量差的另一個(gè)能量子，其中受激拉曼散射（SRS）參與的能量子為光學(xué)支聲子，受激布里淵散射（SBS）參與的能量子為聲學(xué)支聲子。如果光功率超過(guò)閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長(zhǎng)，一般光傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會(huì)避免入纖功率接近閾值。根據(jù)光纖中拉曼增益頻譜特性，高頻段泵浦光功率會(huì)將部分能量轉(zhuǎn)移到低頻段信號(hào)，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(dá)到最大，例如C 波段的拉曼放大系統(tǒng)泵浦光波長(zhǎng)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(duì)于C+L 的系統(tǒng)，信號(hào)譜寬已超過(guò)10 THz，C 波段信號(hào)的能量可能會(huì)通過(guò)SRS 遷移到L波段信號(hào)。

折射率擾動(dòng)效應(yīng)是由于光纖中光場(chǎng)強(qiáng)度的變化引起光纖折射率的變化，產(chǎn)生了包括自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻效應(yīng)、交叉極化調(diào)制等效應(yīng)?？紤]了非線性部分的光纖的折射率n可以表達(dá)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(wú)色散補(bǔ)償?shù)南喔上到y(tǒng)SNRNLI的計(jì)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(xiàng)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(duì)其進(jìn)行積分得到非線性噪聲功率PNLI。當(dāng)信號(hào)譜寬與系統(tǒng)波道間隔接近，可等效為奈奎斯特波分復(fù)用系統(tǒng)時(shí)，假定跨段衰耗是均勻的，且波道間隔和功率一致，PNLI進(jìn)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(rèn)為各段落產(chǎn)生的非線性效應(yīng)之間不相干，其計(jì)算方法近似為

LS——跨段長(zhǎng)度

α——光纖衰減系數(shù)

Leff——光纖有效長(zhǎng)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(guān)系為γ=

BWDM——信號(hào)光總帶寬

PS——信號(hào)光在Bn（取12.5GHz帶寬）的等效功率

對(duì)于滿配的WDM 系統(tǒng)，ε的典型數(shù)值會(huì)在0.03～0.08。將式（5）換取工程常用的參數(shù)形式，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可表達(dá)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(yīng)隨著跨段數(shù)量的增加而增加；對(duì)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(duì)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(guān)系是與入纖信號(hào)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(dá)到一定數(shù)值后，非線性效應(yīng)對(duì)整體系統(tǒng)性能的影響會(huì)急劇增大。

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)已成熟應(yīng)用于線性效應(yīng)的補(bǔ)償，但非線性效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)相對(duì)更為復(fù)雜。為進(jìn)行非線性補(bǔ)償首先要建立非線性傳播理論模型，以理論模型為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際傳輸系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，再對(duì)系統(tǒng)非線性效應(yīng)進(jìn)行一定的補(bǔ)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(guò)非線性薛定諤方程（NLSE）表達(dá)，但此方程沒(méi)有顯式的輸入輸出關(guān)系，可通過(guò)分布式傅里葉算法對(duì)NLSE 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)一定的假設(shè)降低計(jì)算復(fù)雜度，非線性模型有前述的高斯噪聲模型，還有增強(qiáng)高斯噪聲（EGN）模型、碼間串?dāng)_（ISI）模型等。非線性補(bǔ)償方法是近年光通信研究的熱點(diǎn)［11］，包括數(shù)字反向傳輸（DBT）、VoLTErra級(jí)數(shù)（VNLE）、擾動(dòng)補(bǔ)償、載波間串?dāng)_消除（INIC）等，部分研究還將以上補(bǔ)償方法與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合，希望綜合提高準(zhǔn)確度及運(yùn)算效率。

非線性補(bǔ)償技術(shù)的商業(yè)部署需要平衡技術(shù)成本的增加與補(bǔ)償?shù)奶嵘Ч?，該技術(shù)在現(xiàn)有100G的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中應(yīng)用程度還不高。近年星座整形編碼（PCS）技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，其通過(guò)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(yīng)容限［12］。當(dāng)400G 及更高速的系統(tǒng)采用高階調(diào)制后對(duì)信噪比要求更高，預(yù)計(jì)提升非線性效應(yīng)容限及進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)在高速骨干光網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐步被廣泛采用。

3 對(duì)骨干光網(wǎng)絡(luò)工程的建議

骨干光網(wǎng)絡(luò)工程驗(yàn)收時(shí)采用光譜分析儀來(lái)測(cè)量OSNR，首先在信號(hào)帶寬內(nèi)測(cè)量待測(cè)信號(hào)與噪聲總功率P1，然后關(guān)閉待測(cè)波道，測(cè)量信號(hào)帶寬的噪聲功率P2，再測(cè)得0.1 nm 帶寬內(nèi)噪聲功率P3，OSNR=（P1-P2）∕P3；也可以只測(cè)一次噪聲功率，然后基于噪聲是平坦的這一假設(shè)直接按比例換求得到噪聲和信號(hào)的功率。從第2章可知，非線性效應(yīng)可以進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，今后高速系統(tǒng)預(yù)計(jì)會(huì)采用非線性補(bǔ)償技術(shù)，如果按照式（3）將非線性效應(yīng)全部視為噪聲，對(duì)具備非線性補(bǔ)償技術(shù)設(shè)備系統(tǒng)的性能評(píng)估會(huì)產(chǎn)生偏差。參照G.977.1標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)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(shè)備進(jìn)行建設(shè)，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(gè)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(huì)存在較多的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）進(jìn)行波道穿通及上下，因此陸地系統(tǒng)還要考慮WSS穿通代價(jià)。即使通過(guò)GSNR指標(biāo)評(píng)估出線路光層的性能，由于不同系統(tǒng)不同廠商設(shè)備非線性補(bǔ)償能力存在不同，并且電層CD 及PMD 補(bǔ)償代價(jià)、FEC糾錯(cuò)能力等都有所不同，難以獨(dú)立評(píng)估出系統(tǒng)整體的性能。

由于OSNR 和GSNR 對(duì)于衡量系統(tǒng)真實(shí)性能均存在局限性，建議骨干光網(wǎng)絡(luò)工程在設(shè)計(jì)及設(shè)備招投標(biāo)階段增加系統(tǒng)光通道OSNR 代價(jià)評(píng)估指標(biāo)，并在工程竣工驗(yàn)收階段進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)光通道OSNR 代價(jià)是業(yè)務(wù)波道在同樣誤碼性能時(shí)，過(guò)系統(tǒng)OSNR 值與背靠背OSNR 值之差，OSNR代價(jià)的物理含義如圖2 所示。圖2中假設(shè)系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)，其光通道OSNR代價(jià)為SA-SL，約為1.5 dB，如果系統(tǒng)工作在B 點(diǎn)其代價(jià)SB-SL約為2.5 dB，B 點(diǎn)雖然比A 點(diǎn)OSNR 大了約1.5 dB，但增量的大部分可視為非線性噪聲貢獻(xiàn)的。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)或運(yùn)營(yíng)方來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)OSNR-OSNR代價(jià)才是更能體現(xiàn)系統(tǒng)真實(shí)性能的參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)OSNR代價(jià)含義示意

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

圖3 背靠背OSNR容限測(cè)試配置

圖4 光通道OSNR代價(jià)工程測(cè)試配置

對(duì)于骨干光網(wǎng)絡(luò)工程光通道OSNR 代價(jià)驗(yàn)收測(cè)試的建議為：第一，系統(tǒng)建設(shè)初期波道數(shù)量一般不多，測(cè)試時(shí)應(yīng)增加假波來(lái)彌補(bǔ)剩余頻譜的光功率缺失，模擬滿配時(shí)的光功率環(huán)境；第二，每次通道代價(jià)測(cè)試至少選取低中高3 個(gè)頻段的波道，減少由于系統(tǒng)不均衡帶來(lái)的誤差；第三，在ROADM 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于對(duì)所有可能的光通道進(jìn)行OSNR 代價(jià)測(cè)試數(shù)量巨大，可以挑選重點(diǎn)通道進(jìn)行測(cè)試，如工程設(shè)計(jì)中OSNR 指標(biāo)值較小的、距離較長(zhǎng)的或跨段較多的若干光通道。

4 結(jié)束語(yǔ)

OSNR 指標(biāo)無(wú)法評(píng)估傳輸系統(tǒng)受到非線性影響的程度，開(kāi)放海纜標(biāo)準(zhǔn)的GSNR 指標(biāo)雖然能解決這一問(wèn)題，但不適合評(píng)估光電未解耦的陸地骨干傳輸系統(tǒng)。本文建議骨干光網(wǎng)絡(luò)工程在設(shè)計(jì)及設(shè)備招投標(biāo)階段增加系統(tǒng)光通道OSNR 代價(jià)評(píng)估指標(biāo)，并在工程竣工驗(yàn)收階段進(jìn)行測(cè)試。目前單通路100 Gbit∕s、200 Gbit∕s已成為干線光網(wǎng)絡(luò)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(jù)中心互連等場(chǎng)景商用，以800 Gbit∕s為典型速率的超高速系統(tǒng)已開(kāi)始受到業(yè)界關(guān)注。今后骨干光網(wǎng)絡(luò)的速率將進(jìn)一步提升，對(duì)信噪比數(shù)值及精度的要求也還會(huì)提高，希望有更合適的技術(shù)手段來(lái)評(píng)估系統(tǒng)性能，并保障和提升骨干光網(wǎng)絡(luò)工程質(zhì)量。