開(kāi)放海纜系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)及驗(yàn)證

［葉胤 劉杰］

1 引言

全球國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)流量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，近5 年帶寬的平均年增長(zhǎng)率約30%，在疫情的影響下，2020 年增長(zhǎng)率高達(dá)35%。帶寬需求的持續(xù)增長(zhǎng)推動(dòng)了海底光纜建設(shè)的加速，目前全球在用的海底光纜超過(guò)400 條，總長(zhǎng)度超過(guò)120 萬(wàn)公里。海底光纜工程技術(shù)在向更多纖芯對(duì)、更高速率、更長(zhǎng)距離等方面不斷創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)而持續(xù)降低單位比特通信成本。近年國(guó)際海纜系統(tǒng)的終端傳輸設(shè)備（TTE）與水下設(shè)備解耦已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，相干技術(shù)的應(yīng)用使得海纜陸纜系統(tǒng)的終端傳輸設(shè)備技術(shù)走向融合和統(tǒng)一。以往國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于海纜，TTE 技術(shù)的融合統(tǒng)一使得陸纜系統(tǒng)廠商占據(jù)更大優(yōu)勢(shì)，海纜系統(tǒng)擴(kuò)容開(kāi)始大量采用陸纜廠商提供技術(shù)及設(shè)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(guān)的設(shè)備技術(shù)。通過(guò)系統(tǒng)解耦分離，海纜投資方無(wú)需在海纜建設(shè)合同簽訂時(shí)就確定TTE，因?yàn)楹＠|建設(shè)周期一般長(zhǎng)達(dá)3～4 年，而TTE 技術(shù)更新迭代較快，海纜投產(chǎn)之前再選擇技術(shù)更新的設(shè)備，可進(jìn)一步降低每比特成本。對(duì)于終端傳輸設(shè)備商和水下設(shè)備商而言，也可以結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)，集中力量提高各自領(lǐng)域產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

開(kāi)放海纜架構(gòu)模式旨在將海纜系統(tǒng)終端傳輸設(shè)備和水下設(shè)備解耦和分離,要求海纜終端傳輸設(shè)備與海纜底層平臺(tái)的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并能實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收。2016 年ITU-T SG15 同意將Open Cable 作為G.977.1研究的新標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)多年研究討論，G.977.1 在2021 年已完成并發(fā)布，開(kāi)放海纜系統(tǒng)接口如圖1 所示。

圖1 開(kāi)放海纜系統(tǒng)接口示意圖

其中MPI-SM 點(diǎn)和MPI-RM 點(diǎn)分別為主光通道發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)，IPI-SM 和IPI-RM 分別為互操作接口發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)；光耦合連接設(shè)備（OCJ）為不同TTE 的接入點(diǎn)，同時(shí)也提供海纜監(jiān)測(cè)和控制的耦合接口，OCJ 可包含光放大器。標(biāo)準(zhǔn)將海纜系統(tǒng)的TTE 與水下設(shè)備解耦，水下設(shè)備為主的系統(tǒng)作為一個(gè)透明的光層傳輸平臺(tái)，通過(guò)OCJ提供開(kāi)放的光接口，建設(shè)方可以自由選擇TTE 廠家。

2.2 關(guān)鍵指標(biāo)定義

在現(xiàn)有光傳輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，衡量系統(tǒng)性能最關(guān)鍵指標(biāo)是光信噪比（OSNR）。傳輸系統(tǒng)每個(gè)摻鉺光纖放大器（EDFA）產(chǎn)生的自發(fā)輻射（ASE）噪聲會(huì)經(jīng)過(guò)后續(xù)的放大器積累，使得OSNR 逐步下降，根據(jù)OSNR 的定義，對(duì)于經(jīng)過(guò)EDFA 級(jí)聯(lián)的光傳輸系統(tǒng)，可用公式（1）計(jì)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(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)，上式的dB 形式可以簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)G.977 中還使用Q 值指標(biāo)，Q 值是接收機(jī)在判決電路以電壓或電流為單位的平均值除以標(biāo)準(zhǔn)差，被視為誤碼率的定性指示。但對(duì)于高速光通信系統(tǒng)，Q 值已難以通過(guò)儀表測(cè)試獲得，需要通過(guò)TTE 輔助換算。從式（2）可以看出，通過(guò)加大系統(tǒng)入纖光功率能提升OSNR，但隨著信號(hào)光功率的進(jìn)一步增大，非線性噪聲功率將顯著增大，功率超過(guò)一定數(shù)值后，繼續(xù)加大將造成Q 值或?qū)嶋H總信噪比的降低。因此只考慮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，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(píng)估指標(biāo)。

ITU-T G.977.1 標(biāo)準(zhǔn)定義了廣義信噪比（Generalised Signal-to-Noise Ratio,GSNR）這一重要指標(biāo)，GSNR 除了考慮ASE 噪聲還要考慮非線性效應(yīng)（NLI）及聲導(dǎo)波布里淵散射（GAWBS）等噪聲帶來(lái)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(hào)頻譜間隔不同而不便于橫向比較。SNRASE 可以認(rèn)為是信號(hào)和噪聲頻譜均取12.5 GHz 的OSNR 值，例如信號(hào)頻譜寬度及間隔為50 GHz 時(shí)，SNRASE 為OSNR 值減去6 dB，間隔為37.5 Hz 時(shí)則減4.8dB。

2.3 非線性噪聲影響分析

光纖中的非線性效應(yīng)包括非彈性散射效應(yīng)與克爾效應(yīng)兩大類。非彈性散射又稱受激散射，光場(chǎng)經(jīng)過(guò)非彈性散射將高能量光子被散射成低能量的光子，同時(shí)產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個(gè)能量子，其中受激布里淵散射（SBS）參與的能量子為聲學(xué)聲子，受激拉曼散射（SRS）參與的能量子為光學(xué)聲子。一旦入射光功率超過(guò)閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)入射光功率較低時(shí)，非彈性散射效應(yīng)可以忽略不計(jì)，常規(guī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會(huì)避免入纖功率接近閾值。克爾效應(yīng)又稱為折射率擾動(dòng)效應(yīng)，入射光功率強(qiáng)度的變化會(huì)引起光纖折射率的變化，產(chǎn)生的效應(yīng)包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、交叉極化調(diào)制（XPolM）、四波混頻效應(yīng)（FWM），考慮了非線性的光纖的折射率n 可以表達(dá)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(wú)色散補(bǔ)償相干系統(tǒng)SNRNLI的計(jì)算可參考高斯噪聲非線性傳播模型公式（GNRF），對(duì)非線性噪聲功率譜密度GNLI在帶寬內(nèi)進(jìn)行積分，得到非線性噪聲功率PNLI如表達(dá)式（5）所示。

當(dāng)系統(tǒng)信號(hào)譜寬與間隔接近等效為奈奎斯特WDM 系統(tǒng)時(shí)，假定每個(gè)跨段衰耗是均勻且都被放大補(bǔ)償、信道間隔及功率一致，公式（5）可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，在進(jìn)行近似處理后，PNLI可如表達(dá)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(zhǎng)度，LS表示跨段長(zhǎng)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(hào)光總帶寬，Bn 帶寬可取12.5 GHz，這里PS表示為信號(hào)光在Bn 帶寬的功率。從式（6）可以看出，PNLI近似與入纖信號(hào)功率的立方成正比，因此1/SNRNLI與入纖信號(hào)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(dòng)聲學(xué)聲子相互作用，發(fā)生非受激前向散射，相關(guān)研究表明，SNRGAWBS與入纖光功率不相關(guān)，與系統(tǒng)長(zhǎng)度、光纖結(jié)構(gòu)和溫度等相關(guān)。GAWBS 產(chǎn)生的相位噪聲相對(duì)較小，常規(guī)手段也難以進(jìn)行直接測(cè)量，對(duì)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(yīng)提高，GAWBS 的影響在長(zhǎng)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(shù)能跟蹤處理的頻譜范圍在10 MHz 以內(nèi)，所以難以進(jìn)行補(bǔ)償，建議單獨(dú)考慮。

SNRGAWBS的計(jì)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(guān)研究測(cè)試成果表明：有效面積大的光纖，GAWBS 的影響相對(duì)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(cè)試驗(yàn)證

GSNR 指標(biāo)相對(duì)傳統(tǒng)的OSNR 指標(biāo)更能客觀地反映系統(tǒng)真實(shí)性能，在實(shí)踐中避免了為滿足合同或契約指標(biāo)通過(guò)增加光功率掩蓋系統(tǒng)非線性等損傷而帶來(lái)的爭(zhēng)議。如何客觀地測(cè)試驗(yàn)證GSNR 也非常重要，由于目前技術(shù)條件限制，系統(tǒng)GSNR 的測(cè)試驗(yàn)證需要通過(guò)TTE 來(lái)輔助，并通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換和處理才能獲得。對(duì)于適用高斯噪聲模型且總信噪比和Q 值之間可相互轉(zhuǎn)換的傳輸系統(tǒng)，用于測(cè)試的TTE 要求其OTU 采用DP-QPSK 或DP-16QAM 碼型，相鄰?fù)ǖ篱g隔不大于波特率的1.15 倍，頻譜整形采用滾降因子不超過(guò)0.1 的根余弦（RRC）濾波，無(wú)非線性補(bǔ)償。

系統(tǒng)測(cè)試建議不少于3 個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)至少配置3波，并測(cè)試位于中間的信號(hào)波道，對(duì)于不用的頻譜增加假波進(jìn)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(huì)設(shè)置若干均衡器，系統(tǒng)仍然需要進(jìn)行動(dòng)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(cè)試的基準(zhǔn)參考。

測(cè)試系統(tǒng)傳輸后的SNRASE，將其Q 值對(duì)應(yīng)到其背靠背（BtoB）性能曲線上，通過(guò)背靠背性能曲線同樣的Q值轉(zhuǎn)換獲得SNREXT值，即SNREXT=iBtoB（Q），如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)SNRASE 后通過(guò)背靠背性能獲得SNREXT

通過(guò)這一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換消除了調(diào)制設(shè)備本身的影響，但SNREXT除了GSNR 還含有調(diào)制引入的代價(jià)SNRi未能消除，如公式（8）所示。

SNRi是測(cè)試設(shè)備單板補(bǔ)償色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）、偏振相關(guān)損耗（PDL）、激光器線寬色散擾動(dòng)等引入的代價(jià)，這部分很難理論計(jì)算，而且不同單板引入的代價(jià)差異可能也不同。SNRi可以通過(guò)單獨(dú)測(cè)試每一種因素帶來(lái)的代價(jià)進(jìn)行匯總得到，但這一過(guò)程會(huì)比較復(fù)雜。另一種方式是通過(guò)測(cè)試可得到在不同功率下的SNRASE和SNREXT，利用公式（8）的等式關(guān)系，將測(cè)試得到不同功率下的1/SNREXT-1/SNRASE，與將理論計(jì)算的不同功率下的1/SNRNLI+1/SNRGAWBS+1/SNRi用最小二乘法進(jìn)行擬合，即可得到SNRi。其中SNRNLI和SNRGAWBS的理論計(jì)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(biāo)的應(yīng)用建議

開(kāi)放海纜系統(tǒng)開(kāi)放了光層，GSNR 指標(biāo)是模擬量，即使系統(tǒng)經(jīng)過(guò)均衡其數(shù)值在不同頻點(diǎn)仍會(huì)有差異，未來(lái)隨時(shí)間推移，設(shè)備老化、線路故障維修及系統(tǒng)擴(kuò)容也還會(huì)帶來(lái)GSNR 數(shù)值的變化。

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的合同契約值需要約定驗(yàn)收時(shí)GSNR 數(shù)值，即系統(tǒng)竣工時(shí)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(wú)法在竣工時(shí)實(shí)地測(cè)試，可以在工廠或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行模擬驗(yàn)證。由于GSNR 指標(biāo)是模擬量，在不同的功率均衡條件，不同的頻譜位置都會(huì)有所不同，且同樣頻點(diǎn)在不同的時(shí)刻也都會(huì)有小的波動(dòng)。因此在合同階段應(yīng)盡量約定好相關(guān)測(cè)試條件、參數(shù)及數(shù)值區(qū)間，以免在系統(tǒng)驗(yàn)收階段或系統(tǒng)運(yùn)行期間發(fā)生爭(zhēng)議。

傳統(tǒng)的海纜系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備相關(guān)，糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的終端設(shè)備可以有更低的極限Q 值。對(duì)于Open Cable 的應(yīng)用模式，建議參考TTE 廠商平均技術(shù)能力水平及對(duì)未來(lái)技術(shù)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(yù)留系統(tǒng)余量。

無(wú)論是BOL 還是EOL，GSNR 指標(biāo)都要有平均值、最差值兩個(gè)數(shù)值，數(shù)值之間的關(guān)系如圖3 所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)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(duì)EOL 系統(tǒng)進(jìn)行模擬并測(cè)試，要求測(cè)試后GSNR 指標(biāo)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(cè)試后，系統(tǒng)GSNR 指標(biāo)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(yīng)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(guān)系示意

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了開(kāi)放海纜系統(tǒng)的架構(gòu)，對(duì)主要的性能影響因素及估算方法進(jìn)行了分析，探討了關(guān)鍵指標(biāo)GSNR 如何進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，最后對(duì)指標(biāo)的應(yīng)用給出了建議?？梢钥闯?，目前開(kāi)放海纜系統(tǒng)GSNR 測(cè)試驗(yàn)證還較為復(fù)雜，能否進(jìn)行簡(jiǎn)化或者研發(fā)相關(guān)測(cè)試儀表，建議今后進(jìn)一步研究。傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，不同設(shè)備商的設(shè)備無(wú)法混合組網(wǎng)和統(tǒng)一管控，制約了競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新，近年光網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放與解耦越來(lái)越得到關(guān)注，海纜Open Cable 標(biāo)準(zhǔn)率先實(shí)現(xiàn)了一定程度的開(kāi)放解耦，為陸纜傳輸系統(tǒng)的硬件開(kāi)放提供了借鑒參考，但陸纜系統(tǒng)與海纜系統(tǒng)在技術(shù)條件及應(yīng)用需求上均存在一定差異，也建議后續(xù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究。