賴(lài)俊森 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

湯瑞 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

李少暉 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

趙文玉 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

張海懿 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

泰爾檢測(cè)

400GWDM系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)評(píng)方法研究*

賴(lài)俊森 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

湯瑞 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

李少暉 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

趙文玉 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

張海懿 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

400Gbit/s光通信系統(tǒng)和技術(shù)是光傳輸領(lǐng)域業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文在分析兩種典型400Gbit/s技術(shù)方案的頻譜效率和傳輸能力差異的基礎(chǔ)上，對(duì)于多子載波復(fù)用超級(jí)信道OSNR評(píng)價(jià)、靈活柵格主光通道光譜測(cè)試、高階調(diào)制信號(hào)EVM測(cè)量等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)評(píng)方法進(jìn)行了分析和探討。

400Gbit/s 超級(jí)信道 靈活頻譜柵格 OSNR EVM

1 引言

云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)、高清流媒體等新興網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，對(duì)于光纖通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量提出了越來(lái)越高的需求。隨著100Gbit/s光通信系統(tǒng)及其技術(shù)的成熟和大規(guī)模商用，業(yè)界更加關(guān)注以多子載波復(fù)用、頻譜濾波整形和高階調(diào)制格式為特征的超100Gbit/s光通信系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與實(shí)用化水平?；?00Gbit/sWDM系統(tǒng)測(cè)試，本文對(duì)兩種主流400Gbit/s技術(shù)方案在頻譜效率和不同類(lèi)型光纖中傳輸能力的差異進(jìn)行分析，并針對(duì)多子載波復(fù)用超級(jí)信道的OSNR評(píng)價(jià)、靈活頻譜柵格主光通道測(cè)試和高階調(diào)制信號(hào)EVM參數(shù)測(cè)量等400Gbit/sWDM系統(tǒng)關(guān)鍵性能參數(shù)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析和探討。

2400 Gbit/s技術(shù)方案對(duì)比分析

400 Gbit/s光通信系統(tǒng)在繼承100Gbit/s的雙偏振復(fù)用、相干探測(cè)、DSP電域補(bǔ)償和高增益FEC編碼等技術(shù)的基礎(chǔ)上，以提高頻譜效率和傳輸距離為目標(biāo)，引入了高階調(diào)制格式、多子載波復(fù)用超級(jí)信道和靈活頻譜柵格等新技術(shù)特征。主流400Gbit/s技術(shù)方案包括4× 100Gbit/s DP-QPSK（4×100Gbit/s）和2×200Gbit/s DP-16QAM（2×200Gbit/s）兩種，分別面向長(zhǎng)途骨干傳輸、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和大容量城域傳輸?shù)炔煌瑧?yīng)用場(chǎng)景。

在系統(tǒng)頻譜效率方面，4×100Gbit/s方案基于對(duì)現(xiàn)有100Gbit/s系統(tǒng)和技術(shù)的重用，以提升設(shè)備集成度和降低單位比特能耗為目標(biāo)，通過(guò)采用靈活頻譜間隔的可編輯波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）或WaveShaper等器件進(jìn)行光譜濾波整形，將400Gbit/s信號(hào)占用譜寬由現(xiàn)有的200GHz降低至125～150GHz，提高了系統(tǒng)頻譜效率和單纖傳輸容量。相對(duì)于現(xiàn)有100Gbit/s系統(tǒng)的2bit/s/Hz的頻譜效率，4×100Gbit/s方案的頻譜效率提升幅度約為33%～60%；2×200Gbit/s方案采用DP-16QAM高階調(diào)制格式，同時(shí)結(jié)合發(fā)端電域或光域Nyquist濾波技術(shù)壓縮單載波譜寬至37.5GHz；400Gbit/s信號(hào)占用譜寬為75GHz，頻譜效率提升幅度約為167%。

在系統(tǒng)傳輸能力方面，由于引入了光譜整形代價(jià)，4×100Gbit/s方案的OSNR容限和現(xiàn)有100Gbit/s系統(tǒng)相比略有提高，但整體傳輸性能和現(xiàn)有100Gbit/s系統(tǒng)接近，例如G.655光纖系統(tǒng)，在保證工程余量前提下，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)2000km的傳輸距離。2×200Gbit/s方案由于采用高階調(diào)制格式和Nyquist濾波整形，OSNR容限相比100Gbit/s系統(tǒng)提高6～7dB，整體傳輸性能受限明顯，在G.655光纖系統(tǒng)中的可用傳輸距離小于400km。通過(guò)結(jié)合新型超低損耗和大有效面積光纖，降低光纖損耗系數(shù)和非線性效應(yīng)，可以?xún)?yōu)化單波長(zhǎng)平均入纖光功率至+2～+3dBm，在保證工程余量前提下，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000km的傳輸距離。

由此可見(jiàn)，4×100Gbit/s和2×200Gbit/s兩種技術(shù)方案在頻譜效率和傳輸能力方面各具優(yōu)勢(shì)，需要結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行考慮和選擇。新型超低損耗和大有效面積光纖在提升400Gbit/s系統(tǒng)傳輸能力方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 多載波超級(jí)信道OSNR評(píng)價(jià)

光信噪比（OSNR）定義為信道內(nèi)信號(hào)光功率與ASE噪聲功率（按照0.1nm測(cè)量）的比值，對(duì)于超100Gbit/s光通信系統(tǒng)，OSNR是最為關(guān)鍵的光層性能參數(shù)指標(biāo)之一，對(duì)于系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)和傳輸性能評(píng)價(jià)至關(guān)重要。400Gbit/s和100Gbit/s系統(tǒng)混合傳輸?shù)墓庾V如圖1所示，其中包括傳統(tǒng)50GHz間隔的100Gbit/s DP-QPSK信號(hào)，譜寬為150GHz的4× 100Gbit/s DP-QPSK超級(jí)信道，以及譜寬為75GHz的2×200Gbit/sDP-16QAM超級(jí)信道。

圖1 400Gbit/s和100Gbit/s系統(tǒng)混合傳輸光譜

對(duì)于多子載波復(fù)用的超級(jí)信道，傳統(tǒng)的50GHz間隔單載波OSNR定義和測(cè)試方法無(wú)法適用，針對(duì)這一問(wèn)題，本文結(jié)合測(cè)試分析提出了關(guān)于多子載波復(fù)用超級(jí)信道OSNR相關(guān)參數(shù)定義和測(cè)試方法的建議。首先，針對(duì)單個(gè)子載波的實(shí)際譜寬而非50GHz固定間隔進(jìn)行功率積分法OSNR測(cè)試；其次，在超級(jí)信道的背靠背OSNR容限測(cè)試中，針對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行OSNR容限測(cè)試，根據(jù)單子載波OSNR容限的最大值和子載波數(shù)量計(jì)算超級(jí)信道的OSNR容限。具體如下：

其中，n為子載波數(shù)量。在超級(jí)信道的鏈路主光通道OSNR測(cè)試中，同樣針對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行OSNR測(cè)試，根據(jù)單子載波OSNR的最小值和子載波數(shù)量計(jì)算超級(jí)信道的OSNR值以及相應(yīng)的OSNR代價(jià)。具體如下：

上述方法的優(yōu)點(diǎn)在于：按照單子載波實(shí)際譜寬進(jìn)行測(cè)量可以避免相鄰子載波光功率波動(dòng)對(duì)于被測(cè)子載波OSNR測(cè)量可能造成的影響；針對(duì)背靠背OSNR容限和主光通道OSNR值兩種不同場(chǎng)景的測(cè)試和計(jì)算方法能夠有效的排除各個(gè)子載波光端機(jī)之間的性能差異對(duì)于超級(jí)信道傳輸性能評(píng)價(jià)引入的影響，從而保證了超級(jí)信道OSNR測(cè)試結(jié)果的可靠性。

4 靈活頻譜柵格主光通道測(cè)試

靈活頻譜柵格采用G.694.1建議的12.5GHz最小頻譜粒度和6.25GHz最小中心頻率粒度進(jìn)行業(yè)務(wù)傳送與網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的按需配置，從而解決傳統(tǒng)50GHz頻譜間隔的剛性限制，實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理并提升頻譜利用率。在超100Gbit/s系統(tǒng)靈活頻譜柵格主光通道測(cè)試過(guò)程中，現(xiàn)有的基于50GHz固定譜寬的光譜自動(dòng)掃描和光功率積分計(jì)算功能將導(dǎo)致業(yè)務(wù)波長(zhǎng)的遺漏以及中心波長(zhǎng)、譜寬和光功率測(cè)試的錯(cuò)誤。針對(duì)這一測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，本文提出基于靈活頻譜柵格模板編輯的超100Gbit/s系統(tǒng)主光通道測(cè)試方法。通過(guò)設(shè)置模板頻率點(diǎn)和光譜寬度可以在系統(tǒng)主光通道各點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試。

本次測(cè)試中的400Gbit/s和100Gbit/s系統(tǒng)混合傳輸主光通道測(cè)試光譜及其模板編輯如圖2所示，其中包含50GHz譜寬的傳統(tǒng)100Gbit/sDP-QPSK，其光譜模板設(shè)置為50GHz；對(duì)于75GHz譜寬的2×200Gbit/sDP-16QAM和150GHz譜寬的4×100Gbit/sDP-QPSK，測(cè)試模板可以按照子載波譜寬進(jìn)行設(shè)置，也可以按照超級(jí)信道整體譜寬設(shè)置。上述模板編輯方法適用于任意譜寬和子載波復(fù)用數(shù)量的超級(jí)信道主光通道測(cè)試，能夠大幅提高測(cè)試的準(zhǔn)確性和工作效率。

5 高階調(diào)制信號(hào)EVM參數(shù)測(cè)量

圖2 400Gbit/s和100Gbit/s系統(tǒng)混合傳輸主光通道測(cè)試

圖3 400Gbit/s和100Gbit/s系統(tǒng)星座圖、EVM和波特率測(cè)試

在DP-QPSK和DP-16QAM等高階調(diào)制信號(hào)光通信系統(tǒng)中，表征信號(hào)光電場(chǎng)復(fù)空間矢量坐標(biāo)信息的星座圖監(jiān)測(cè)以及星座圖點(diǎn)誤差向量幅度（EVM）相關(guān)參數(shù)測(cè)量，已經(jīng)取代傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)中的眼圖監(jiān)測(cè)，成為高階調(diào)制信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)和系統(tǒng)傳輸性能監(jiān)測(cè)的重要手段。圖3所示為400Gbit/s系統(tǒng)發(fā)端QPSK信號(hào)星座圖、EVM參數(shù)和波特率測(cè)試結(jié)果，其中測(cè)試儀表為Agilent 89600矢量信號(hào)分析儀（包含光學(xué)相干接收機(jī)），解調(diào)算法采用雙偏振Stocks對(duì)準(zhǔn)算法和雙偏振卡爾曼濾波校準(zhǔn)算法。通過(guò)儀表星座圖分析可以獲取均方根EVM百分比、幅度誤差、相位誤差等EVM相關(guān)參數(shù)；同時(shí)還能監(jiān)測(cè)頻率誤差、IQ失配及電域SNR等性能參數(shù)；通過(guò)對(duì)信號(hào)采樣點(diǎn)的傅里葉變換獲得信號(hào)功率譜和其中的載波和調(diào)制邊峰，可以測(cè)量出被監(jiān)測(cè)信號(hào)的波特率信息。

在高階調(diào)制信號(hào)星座圖和EVM參數(shù)測(cè)試中，存在一些值得注意的問(wèn)題。例如，相干接收和數(shù)字解調(diào)算法對(duì)于雙偏振態(tài)的跟蹤和校準(zhǔn)能夠補(bǔ)償偏振態(tài)的慢變，但是對(duì)于快速的偏振擾動(dòng)難以跟蹤補(bǔ)償，具體表現(xiàn)為星座圖和EVM參數(shù)測(cè)試對(duì)于輸入光信號(hào)的偏振態(tài)十分敏感，光纖尾纖連接的擾動(dòng)在測(cè)試會(huì)引入較大的波動(dòng)和誤差。此外，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)深度的設(shè)置以及解調(diào)算法中不同的參數(shù)設(shè)定均會(huì)對(duì)星座圖和EVM參數(shù)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，使得EVM參數(shù)測(cè)試的一致性和可靠性難以滿足橫向比較的需要。最后，對(duì)于經(jīng)過(guò)光纖系統(tǒng)之后的包含多種傳輸損傷的高階調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)算法設(shè)置、星座圖監(jiān)測(cè)和EVM參數(shù)評(píng)價(jià)方法仍然有待進(jìn)一步探索。

6 結(jié)束語(yǔ)

400 Gbit/s光通信系統(tǒng)及技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景已經(jīng)成為光傳輸領(lǐng)域業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文在分析兩種400Gbit/sWDM技術(shù)方案的頻譜效率與傳輸能力差異的基礎(chǔ)上，對(duì)于超100Gbit/s光通信性能監(jiān)測(cè)和信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的多子載波超級(jí)信道OSNR評(píng)價(jià)、靈活頻譜柵格主光通道測(cè)試和高階調(diào)制信號(hào)EVM參數(shù)測(cè)量等方面提出了相應(yīng)的方法和建議。

1 趙文玉等.超100G技術(shù)發(fā)展淺析.電信網(wǎng)技術(shù).2013,6

2 CCSA研究報(bào)告.400G/400GE承載和傳輸技術(shù)研究. 2012,10

EvaluationMethodsof KeyParameters of 400Gbit/sWDMSystem

400Gbit/s optical communication system and technology are one focus of the optical transmission industry. Based on the analysis of two kinds of typical 400Gbit/s technical solutions, which are different in spectral efficiency and transmission distance, we proposed and investigated several testing and evaluation schemes including super-channel OSNR evaluation, flex-gridmainpath interface test, and high-order modulationEVMrelated parameters measurement.

400Gbit/s,superchannel,flexgrid,OSNR,EVM

2014-12-10）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金項(xiàng)目（No.2012AA011303，No.2013AA013402）資助