骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析數(shù)字化運(yùn)營DigitalOperation骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析AnalysisofSystemPerformanceIndexesinBackboneOpticalNetworkEngineering葉胤1，汪令全2(1.廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，浙江廣州510630；2.中國電信集團(tuán)有限公司，北京100032)YeYin1，WangLingquan2(1.GuangdongPlanningandDesigningInstituteofTelecommunicationCo.，Ltd.，Guangzhou510630，China；2.ChinaTelecom(Group)CorporationLimited，Beijing100032，China)摘要：現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)工程主要采用OSNR指標(biāo)對系統(tǒng)性能進(jìn)行衡量或評估，分析了OS-NR指標(biāo)主要存在的問題，通過研究非線性效應(yīng)及其影響，指出開放海纜標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵詞：GSNR指標(biāo)目前難以適用于陸地骨干系統(tǒng)。最后建議骨干光網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)及驗(yàn)收階段增加光通道代價(jià)指標(biāo)，并給出了實(shí)施建議。文章編號：1007-3043(2022)11-0065-05開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID)：Abstract：ExistingopticalnetworkprojectsmainlyuseOSNRtomeasureorevaluatesystemperformance.Itanalyzesthemainprob-naltyinKeywords：引用格式：葉胤，汪令全.骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2022(11)：65-69.0引言Gbits速率，即單波速率sbitsHzGbitsHzPMQPSKbitsHzPMQAM來網(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/收稿日期：2022-09-22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(shí)系統(tǒng)非線性噪聲可能成倍增加?，F(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)工程對系統(tǒng)性能進(jìn)行衡量或評估時(shí)主要采用光信噪比(OSNR)指標(biāo)，本文首先分析OSNR指標(biāo)及存在的主要問題，并探討借鑒開放海纜標(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)及存在的問題現(xiàn)有100Gbit/s及以上速率的波分系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2022/1165數(shù)字化運(yùn)營DigitalOperation骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析OSNR值取裕量的方式：系統(tǒng)跨段小于或等于12×22dB的取4.5dB；系統(tǒng)跨段大于12×22dB且小于等于20×22dB的取5.0dB；系統(tǒng)跨段大于20×22dB且小于等于28×22dB的取5.5dB；系統(tǒng)跨段大于28×22dB的取6.0dB。標(biāo)準(zhǔn)還要求系統(tǒng)的光通道OSNR代價(jià)小于2dB。標(biāo)準(zhǔn)模型采用的是等效22dB的均勻跨段，在超長距100Gbit/sWDM標(biāo)準(zhǔn)[2]中：針對某個(gè)非均勻跨段，假設(shè)其跨段損耗為L，其等效22dB跨段數(shù)的計(jì)算BdB若L>22dB，則其等效22dB跨段數(shù)量為1+(L-22)×0.2；將該系統(tǒng)所有光放段的等效22dB跨段數(shù)相加，dBNdBOSNROSNR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)，在超長距標(biāo)準(zhǔn)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。 (ASE)噪聲會經(jīng)后續(xù)的放大器積累，系統(tǒng)光信噪比會逐步下降，對于經(jīng)過摻鉺光纖放大器級聯(lián)的光傳輸系OSNR==(1)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)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)低于信號光功率時(shí)，式(1)可以簡化為式(2)。OSNR(dB)=58+Pout?L?NF?10lg(N)(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 erfcBER其中erfc是互補(bǔ)誤差函數(shù)。對于100Gbit/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662022/11/DTPT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(shí)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(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(yīng)曲線均會有差異。過系統(tǒng)Q/dBSNRdB只考慮ASE噪聲的OSNR指標(biāo)對于系統(tǒng)性能的評估是不全面的，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，這類問題在工程實(shí)踐中已出現(xiàn)過。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2dB，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)階段沒有針對擬建系統(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]對此也沒有具體要求。對此問題的探討借鑒ITU-T開放海纜標(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)等噪聲帶來的影響，相對式(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)來表達(dá)。GSNRGSNR=signalPASE+PNLI+PGAWBS 在熱平衡的條件下，GAWBS產(chǎn)生光與光纖材料SNRGAWBS與系統(tǒng)長度和光纖結(jié)構(gòu)相關(guān)，與入纖光功率骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析數(shù)字化運(yùn)營DigitalOperation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較小，且與傳輸距離線性相關(guān)，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(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)與折射率擾動效應(yīng)兩大類。光場經(jīng)過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。如果光功率超過閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長，一般光傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會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將部分能量轉(zhuǎn)移到低頻段信號，增益效而逐步增加，在10~15THz范圍將達(dá)到最大，例如C波段的拉曼放大系統(tǒng)泵浦光波長在1450nm附近。因此在超寬譜寬的波分系統(tǒng)中L超過10THz，C波段信號的能量可能會通過SRS遷移折射率擾動效應(yīng)是由于光纖中光場強(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 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(bǔ)償?shù)南喔上到y(tǒng)SNRNLI的計(jì)算可參考高斯型公式(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，對其進(jìn)行積分得到非線性噪聲功率PNLI。當(dāng)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(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。PNLIPLffNε(5)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——跨段長度α——光纖衰減系數(shù) exp2 exp2αLS)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BWDM——信號光總帶寬DM0.08。將式(5)換取工程常用的參數(shù)形式，并進(jìn)一步簡化，可表達(dá)為式(6)。 (6)?N+ε (6)?N+ε式中：λ 2λ從式(6)可以看出，非線性效應(yīng)隨著跨段數(shù)量的與入纖信號光功率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(dá)到一定數(shù)值后，非線性效應(yīng)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(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)，對實(shí)際傳輸系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，再對系統(tǒng)非線性效應(yīng)進(jìn)行一定的補(bǔ)償。光波在單模光纖67數(shù)字化運(yùn)營DigitalOperation骨干光網(wǎng)絡(luò)工程系統(tǒng)性能指標(biāo)分析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(dá)，但此方程沒有顯式的輸入輸出關(guān)系，可通過分布式傅里葉算法對NLSE進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過一定的假設(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aINIC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摷夹g(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)會逐步被廣泛采用。3對骨干光網(wǎng)絡(luò)工程的建議骨干光網(wǎng)絡(luò)工程驗(yàn)收時(shí)采用光譜分析儀來測量OSNR，首先在信號帶寬內(nèi)測量待測信號與噪聲總功率P1，然后關(guān)閉待測波道，測量信號帶寬的噪聲功率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(shè)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(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，對具備非線性補(bǔ)G977.1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)會存在較多的波長選擇開關(guān)(WSS)進(jìn)行波道穿通及上下，因此標(biāo)評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)系統(tǒng)整體的性能。OSNRGSNR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)評估指標(biāo)，并在工程竣工驗(yàn)收階段進(jìn)行測試。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)，過系統(tǒng)OSNR值與背靠背中假設(shè)系統(tǒng)設(shè)備的Q值極限為QL，示例中可以看出如B可視為非線性噪聲貢獻(xiàn)的。對于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)或運(yùn)營方來說，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)。864ASLA111213141516171819202122232425統(tǒng)OSNR代價(jià)含義示意背靠背OSNR容限可以在廠驗(yàn)階段測試，考慮到OTU背靠背OSNR容限，如果難以保證廠驗(yàn)已測OTU與工程局站擬測OTU物料的一致性，則建議在工程驗(yàn)收中進(jìn)行背靠背OSNR容限的示意。光通道OSNR代價(jià)在工程中的測試配置如圖4OSNR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(jià)，具體測試方法和步驟可以參照測試標(biāo)準(zhǔn)[5]。相對于測試標(biāo)準(zhǔn)里的環(huán)回測試方法，OSNR代價(jià)指標(biāo)在工程測試時(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光放大器加WSS實(shí)現(xiàn)，因此測試儀表和現(xiàn)有工程驗(yàn)收所需基本一致。對于骨干光網(wǎng)絡(luò)工程光通道OSNR代價(jià)驗(yàn)收測試的建議為：第一，系統(tǒng)建設(shè)初期波道數(shù)量一般不多，測試時(shí)應(yīng)增加假波來彌補(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)測試至少682022/11/DTPT丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆作者簡介：丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆作者簡介：數(shù)字化運(yùn)營DigitalOperationOMUODU光耦合器可調(diào)光光譜分析儀OMUODU光耦合器可調(diào)光光譜分析儀業(yè)務(wù)分析儀 噪聲源可調(diào)光圖3背靠背OSNR容限測試配置選取低中高3個(gè)頻段的波道，減少由于系統(tǒng)不均衡帶所有可能的光通道進(jìn)行OSNR代價(jià)測試數(shù)量巨大，可以挑選重點(diǎn)通道進(jìn)行測試，如工程設(shè)計(jì)中OSNR指標(biāo)值較小的、距離較長的或跨段較多的若干光通道。4結(jié)束語OSNR指標(biāo)無法評估傳輸系統(tǒng)受到非線性影響的程度，開放海纜標(biāo)準(zhǔn)的GSNR指標(biāo)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)。R MPI-RR業(yè)務(wù)分析儀OTUOMUODUMPI-SM 1λ111RM可調(diào)光光耦合器RnnnOTURxλn可調(diào)光噪聲源λR MPI-RR業(yè)務(wù)分析儀OTUOMUODUMPI-SM 1λ111RM可調(diào)光光耦合器RnnnOTURxλn可調(diào)光噪聲源λλ業(yè)務(wù)分析儀Tx光譜分析儀圖4光通道OSNR代價(jià)工程測試配置本文建議骨干光網(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)評估指標(biāo)，并在工程竣工已成為干線光網(wǎng)絡(luò)的主流速率，基于單通路400Gbit/sWDM步在區(qū)域干線、城域、數(shù)據(jù)中心互連等場景商用，以800Gbit/s為典型速率的超高速系統(tǒng)已開始受到業(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(shù)手段來評估系統(tǒng)性能，并保障和提升骨干光網(wǎng)絡(luò)工程質(zhì)量。參考文獻(xiàn)： (WDM)系統(tǒng)技術(shù)要求：YD/T3783-2020[S].北京：人民郵電出版 [2]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.N×100Gbit/s超長距離光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)技術(shù)要求：YD/T3070-2016[S].北京：人民郵電 [3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.波分復(fù)用(WDM)光纖傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T51152-2015[S].北京：中國計(jì)劃出版 [4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.波分復(fù)用(WDM)光纖傳輸系統(tǒng)工程驗(yàn)收規(guī)范：GB/T511