叶 胤，汪令全（.广东省电信规划设计院有限公司，浙江广州 50630；.中国电信集团有限公司，北京 0003）

0 引言

目前100 Gbit∕s是骨干波分网络的主流速率，部分新建系统开始采用双载波400 Gbit∕s速率，即单波速率提升到200 Gbit∕s。骨干波分网络频谱效率从100 Gbit∕s 系统的2 bit∕s∕Hz，提升到双载波400 Gbit∕s 系统2.67 bit∕s∕Hz（PM-QPSK）或4 bit∕s∕Hz（PM-16QAM），未来网络的速率还将进一步提升，频谱效率也将继续增加。根据香农公式，正交偏振复用系统的频谱效率C∕B=2log2（1+SNR），其中SNR 是信噪比，可以看出随着网络频谱效率的提升，系统所要求的信噪比也要相应提高。光纤信道中存在多种因素可产生噪声使得信号劣化，单纯提升信号功率并不一定能提升信噪比，且提高信号功率的同时系统非线性噪声可能成倍增加。现有光网络工程对系统性能进行衡量或评估时主要采用光信噪比（OSNR）指标，本文首先分析OSNR指标及存在的主要问题，并探讨借鉴开放海缆标准中广义信噪比（GSNR）指标的可能性。

1 骨干网OSNR指标及存在的问题

现有100 Gbit∕s 及以上速率的波分系统技术标准［1］对性能的要求是基于背靠背寿命终止（EOL）OSNR 值取裕量的方式：系统跨段小于或等于12×22 dB 的取4.5 dB；系统跨段大于12×22 dB 且小于等于20×22 dB 的取5.0 dB；系统跨段大于20×22 dB 且小于等于28×22 dB 的取5.5 dB；系统跨段大于28×22 dB 的取6.0 dB。标准还要求系统的光通道OSNR 代价小于2 dB。标准模型采用的是等效22 dB 的均匀跨段，在超长距100 Gbit∕s WDM 标准［2］中：针对某个非均匀跨段，假设其跨段损耗为L，其等效22 dB 跨段数的计算方法如下：若L≤22 dB，则其等效22 dB 跨段数量为1；若L＞22 dB，则其等效22 dB 跨段数量为1+（L-22）×0.2；将该系统所有光放段的等效22 dB 跨段数相加，得到该系统的等效22 dB跨段数，然后将N×22 dB均匀跨段系统的OSNR裕量指标，作为该非均匀跨的OSNR裕量参考指标。实际网络绝大多数是非均匀跨段系统，不同光放段损耗差异较大，难以直接参照均匀跨段系统入纤功率指标，在超长距标准中针对不同跨段损耗和光纤类型给出了入纤功率参考区间。

系统中每个掺铒光纤放大器产生的自发辐射（ASE）噪声会经后续的放大器积累，系统光信噪比会逐步下降，对于经过掺铒光纤放大器级联的光传输系统，OSNR可用式（1）计算。

式中：

Pin——放大器输入单波光功率

NFi——放大器的噪声系数

N——跨段数

h——普朗克常数，取6.63×10-34J·s

ν——光频率，取1 550 nm窗口频率

νr——参考带宽，取12.5 GHz

当每个跨段衰耗是均匀的并由同样的放大器补偿，ASE 功率远低于信号光功率时，式（1）可以简化为式（2）。

式中：

Pout——入纤单波光功率

L——跨段衰耗

衡量通信系统性能的指标Q因子可视为误码率（BER）的定性指示，Q（dB）=20lg其中erfc是互补误差函数。对于100 Gbit∕s 及以上的光传输系统，Q值已难以直接通过仪表测试获得。从式（2）可以看出，通过增加系统入纤光功率Pout可提高光信噪比数值，但对于实际光通信系统，如果信号光功率不断增大且超过一定数值后，进一步加大光功率将造成Q值性能的降低，可参考图1 曲线示意。需要说明的是，不同系统的跨段距离及衰耗、光放性能及功率、码型及光收发器性能等参数不同，对应曲线均会有差异。

图1 系统OSNR与Q值性能的关系示意

只考虑ASE 噪声的OSNR 指标对于系统性能的评估是不全面的，实际骨干光传输线路的跨段距离和衰耗不仅各不相同，并且差异还很大，即使每个段落可以有光功率参考区间进行指引，也难以评估整个系统受到非线性的劣化程度。骨干光网络项目承建方为满足合同OSNR 指标，可能通过增加光功率掩盖系统非线性等损伤，导致系统在运行一段时间后出现误码或瞬断的情况，这类问题在工程实践中已出现过。波分系统的技术标准中均有要求光通道OSNR 代价小于2 dB，但光通道代价指标在光网络工程实践中并未得到应用，项目建设阶段没有针对拟建系统的光通道代价提出指标数值，后续验收未要求测试，波分传输系统工程设计规范［3］及验收规范［4］对此也没有具体要求。

对此问题的探讨借鉴ITU-T 开放海缆标准［7］的处理方式，G.977.1为海底光缆系统的光电层开放解耦增加了广义信噪比（GSNR）指标。GSNR 指标除了考虑ASE 噪声还要考虑非线性效应（NLI）噪声及声导波布里渊散射（GAWBS）等噪声带来的影响，相对式（1）广义信噪比指标更加接近系统光层的真实性能情况，其物理含义可由式（3）来表达。

在热平衡的条件下，GAWBS 产生光与光纤材料横向振动声学支声子的相互作用，有研究［9］表明，SNRGAWBS与系统长度和光纤结构相关，与入纤光功率不相关。随着系统速率的提升，系统信噪比要求提高，GAWBS 的影响在长距离海缆系统中受到重视。声导波布里渊散射噪声功率相对较小，且与传输距离线性相关，在对陆地传输系统性能的比较与分析中这部分噪声暂且可以忽略，下面将重点分析非线性的影响。

2 系统非线性效应及其影响

光纤中的非线性效应包括非弹性散射效应与折射率扰动效应两大类。光场经过非弹性散射将高能光子散射成低能的光子，同时产生能量为2 光子能量差的另一个能量子，其中受激拉曼散射（SRS）参与的能量子为光学支声子，受激布里渊散射（SBS）参与的能量子为声学支声子。如果光功率超过阈值，散射光强将指数增长，一般光传输系统设计都会避免入纤功率接近阈值。根据光纤中拉曼增益频谱特性，高频段泵浦光功率会将部分能量转移到低频段信号，增益效率随着两者频差的增加而逐步增加，在10～15 THz 范围将达到最大，例如C 波段的拉曼放大系统泵浦光波长在1 450 nm 附近。因此在超宽谱宽的波分系统中SRS将不可被忽视，例如对于C+L 的系统，信号谱宽已超过10 THz，C 波段信号的能量可能会通过SRS 迁移到L波段信号。

折射率扰动效应是由于光纤中光场强度的变化引起光纤折射率的变化，产生了包括自相位调制、交叉相位调制、四波混频效应、交叉极化调制等效应。考虑了非线性部分的光纤的折射率n可以表达为式（4）。

式中：

n0——线性折射率系数

n2——非线性折射率系数

Aeff——光纤的有效面积

P——入纤光功率

无色散补偿的相干系统SNRNLI的计算可参考高斯噪声非线性传播模型公式（GNRF）［10］，GNRF 把非线性干扰项作为加性高斯白噪声（AWGN），功率叠加在自发辐射噪声上。GNLI是非线性噪声功率谱密度，对其进行积分得到非线性噪声功率PNLI。当信号谱宽与系统波道间隔接近，可等效为奈奎斯特波分复用系统时，假定跨段衰耗是均匀的，且波道间隔和功率一致，PNLI进行近似处理后如式（5）所示。2

式中：

ε——段落间相干指数，如果是0，则认为各段落产生的非线性效应之间不相干，其计算方法近似为

LS——跨段长度

α——光纤衰减系数

Leff——光纤有效长度，Leff=

NS——跨段数量

β2——光纤二阶色散系数

γ——光纤的非线性系数，γ与式（4）系数的关系为γ=

BWDM——信号光总带宽

PS——信号光在Bn（取12.5GHz带宽）的等效功率

对于满配的WDM 系统，ε的典型数值会在0.03～0.08。将式（5）换取工程常用的参数形式，并进一步简化，可表达为式（6）。

式中：

αdB——衰耗系数，αdB=4.343α

D——色散系数，D=-

从式（6）可以看出，非线性效应随着跨段数量的增加而增加；对于C 波段光纤非线性系数γ，G.654E 的γ值（约0.7∕km∕W）相对于普通G.652的γ值（约1.3∕km∕W）更小，因此非线性性能也更好；PNLI最重要的关系是与入纤信号光功率PS的立方成正比，因此1∕SNRNLI=PNLI∕PS与入纤光功率PS的平方成正比，所以入纤光功率达到一定数值后，非线性效应对整体系统性能的影响会急剧增大。

数字信号处理（DSP）技术已成熟应用于线性效应的补偿，但非线性效应补偿技术相对更为复杂。为进行非线性补偿首先要建立非线性传播理论模型，以理论模型为基础，对实际传输系统进行精确建模，再对系统非线性效应进行一定的补偿。光波在单模光纤中受到非线性影响的传播规律可通过非线性薛定谔方程（NLSE）表达，但此方程没有显式的输入输出关系，可通过分布式傅里叶算法对NLSE 进行数值计算，并通过一定的假设降低计算复杂度，非线性模型有前述的高斯噪声模型，还有增强高斯噪声（EGN）模型、码间串扰（ISI）模型等。非线性补偿方法是近年光通信研究的热点［11］，包括数字反向传输（DBT）、VoLTErra级数（VNLE）、扰动补偿、载波间串扰消除（INIC）等，部分研究还将以上补偿方法与深度神经网络等机器学习技术结合，希望综合提高准确度及运算效率。

非线性补偿技术的商业部署需要平衡技术成本的增加与补偿的提升效果，该技术在现有100G的网络系统中应用程度还不高。近年星座整形编码（PCS）技术成为研究的热点，其通过改变星座出现概率或者位置的方式降低单位信息的功率，提升系统非线性效应容限［12］。当400G 及更高速的系统采用高阶调制后对信噪比要求更高，预计提升非线性效应容限及进行非线性补偿的技术在高速骨干光网络会逐步被广泛采用。

3 对骨干光网络工程的建议

骨干光网络工程验收时采用光谱分析仪来测量OSNR，首先在信号带宽内测量待测信号与噪声总功率P1，然后关闭待测波道，测量信号带宽的噪声功率P2，再测得0.1 nm 带宽内噪声功率P3，OSNR=（P1-P2）∕P3；也可以只测一次噪声功率，然后基于噪声是平坦的这一假设直接按比例换求得到噪声和信号的功率。从第2章可知，非线性效应可以进行一定程度的补偿，今后高速系统预计会采用非线性补偿技术，如果按照式（3）将非线性效应全部视为噪声，对具备非线性补偿技术设备系统的性能评估会产生偏差。参照G.977.1标准虽然可以得出光层的信噪比性能，但是陆地骨干传输系统与开放海缆系统模式不同，其光电层仍然是采用同一厂商的设备进行建设，这样的好处是可在光∕电层之间做协同的优化和匹配，充分发挥光电2 个层面的能力。另外，陆缆系统与海缆系统的线路功率均衡方式存在不同，陆地ROADM 系统会存在较多的波长选择开关（WSS）进行波道穿通及上下，因此陆地系统还要考虑WSS穿通代价。即使通过GSNR指标评估出线路光层的性能，由于不同系统不同厂商设备非线性补偿能力存在不同，并且电层CD 及PMD 补偿代价、FEC纠错能力等都有所不同，难以独立评估出系统整体的性能。

由于OSNR 和GSNR 对于衡量系统真实性能均存在局限性，建议骨干光网络工程在设计及设备招投标阶段增加系统光通道OSNR 代价评估指标，并在工程竣工验收阶段进行测试。系统光通道OSNR 代价是业务波道在同样误码性能时，过系统OSNR 值与背靠背OSNR 值之差，OSNR代价的物理含义如图2 所示。图2中假设系统设备的Q值极限为QL，示例中可以看出如果系统工作在A点，其光通道OSNR代价为SA-SL，约为1.5 dB，如果系统工作在B 点其代价SB-SL约为2.5 dB，B 点虽然比A 点OSNR 大了约1.5 dB，但增量的大部分可视为非线性噪声贡献的。对于网络建设或运营方来说，系统OSNR-OSNR代价才是更能体现系统真实性能的参数。

图2 系统OSNR代价含义示意

背靠背OSNR 容限可以在厂验阶段测试，考虑到厂验阶段一般仅抽测OTU 背靠背OSNR 容限，如果难以保证厂验已测OTU 与工程局站拟测OTU 物料的一致性，则建议在工程验收中进行背靠背OSNR 容限的测试，测试配置如图3 所示，图3 中OTU 均按单向进行示意。光通道OSNR 代价在工程中的测试配置如图4所示，测得的过系统OSNR 容限与相同OTU 测得的背靠背OSNR 容限之差即为该波道的通道OSNR 代价，具体测试方法和步骤可以参照测试标准［5］。相对于测试标准里的环回测试方法，OSNR 代价指标在工程测试时需要在双端都配置业务分析仪，ASE 噪声源或假波可以通过光放大器加WSS 实现，因此测试仪表和现有工程验收所需基本一致。

图3 背靠背OSNR容限测试配置

图4 光通道OSNR代价工程测试配置

对于骨干光网络工程光通道OSNR 代价验收测试的建议为：第一，系统建设初期波道数量一般不多，测试时应增加假波来弥补剩余频谱的光功率缺失，模拟满配时的光功率环境；第二，每次通道代价测试至少选取低中高3 个频段的波道，减少由于系统不均衡带来的误差；第三，在ROADM 网状网络环境下，由于对所有可能的光通道进行OSNR 代价测试数量巨大，可以挑选重点通道进行测试，如工程设计中OSNR 指标值较小的、距离较长的或跨段较多的若干光通道。

4 结束语

OSNR 指标无法评估传输系统受到非线性影响的程度，开放海缆标准的GSNR 指标虽然能解决这一问题，但不适合评估光电未解耦的陆地骨干传输系统。本文建议骨干光网络工程在设计及设备招投标阶段增加系统光通道OSNR 代价评估指标，并在工程竣工验收阶段进行测试。目前单通路100 Gbit∕s、200 Gbit∕s已成为干线光网络的主流速率，基于单通路400 Gbit∕s的WDM 系统将逐步在区域干线、城域、数据中心互连等场景商用，以800 Gbit∕s为典型速率的超高速系统已开始受到业界关注。今后骨干光网络的速率将进一步提升，对信噪比数值及精度的要求也还会提高，希望有更合适的技术手段来评估系统性能，并保障和提升骨干光网络工程质量。