400GWDM系統關鍵參數測評方法研究*

賴俊森 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

湯瑞 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

李少暉 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

趙文玉 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

張海懿 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

泰爾檢測

400GWDM系統關鍵參數測評方法研究*

賴俊森 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

湯瑞 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

李少暉 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

趙文玉 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

張海懿 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

400Gbit/s光通信系統和技術是光傳輸領域業界關注的焦點之一。本文在分析兩種典型400Gbit/s技術方案的頻譜效率和傳輸能力差異的基礎上，對于多子載波復用超級信道OSNR評價、靈活柵格主光通道光譜測試、高階調制信號EVM測量等關鍵參數的測評方法進行了分析和探討。

400Gbit/s 超級信道 靈活頻譜柵格 OSNR EVM

1 引言

云計算、移動互聯、高清流媒體等新興網絡業務的飛速發展，對于光纖通信網絡的帶寬容量提出了越來越高的需求。隨著100Gbit/s光通信系統及其技術的成熟和大規模商用，業界更加關注以多子載波復用、頻譜濾波整形和高階調制格式為特征的超100Gbit/s光通信系統和技術的發展現狀與實用化水平。基于400Gbit/sWDM系統測試，本文對兩種主流400Gbit/s技術方案在頻譜效率和不同類型光纖中傳輸能力的差異進行分析，并針對多子載波復用超級信道的OSNR評價、靈活頻譜柵格主光通道測試和高階調制信號EVM參數測量等400Gbit/sWDM系統關鍵性能參數的測試評價方法進行分析和探討。

2400 Gbit/s技術方案對比分析

400 Gbit/s光通信系統在繼承100Gbit/s的雙偏振復用、相干探測、DSP電域補償和高增益FEC編碼等技術的基礎上，以提高頻譜效率和傳輸距離為目標，引入了高階調制格式、多子載波復用超級信道和靈活頻譜柵格等新技術特征。主流400Gbit/s技術方案包括4× 100Gbit/s DP-QPSK（4×100Gbit/s）和2×200Gbit/s DP-16QAM（2×200Gbit/s）兩種，分別面向長途骨干傳輸、數據中心互聯和大容量城域傳輸等不同應用場景。

在系統頻譜效率方面，4×100Gbit/s方案基于對現有100Gbit/s系統和技術的重用，以提升設備集成度和降低單位比特能耗為目標，通過采用靈活頻譜間隔的可編輯波長選擇開關（WSS）或WaveShaper等器件進行光譜濾波整形，將400Gbit/s信號占用譜寬由現有的200GHz降低至125～150GHz，提高了系統頻譜效率和單纖傳輸容量。相對于現有100Gbit/s系統的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高階調制格式，同時結合發端電域或光域Nyquist濾波技術壓縮單載波譜寬至37.5GHz；400Gbit/s信號占用譜寬為75GHz，頻譜效率提升幅度約為167%。

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

由此可見，4×100Gbit/s和2×200Gbit/s兩種技術方案在頻譜效率和傳輸能力方面各具優勢，需要結合具體應用場景進行考慮和選擇。新型超低損耗和大有效面積光纖在提升400Gbit/s系統傳輸能力方面具有較為明顯的優勢。

3 多載波超級信道OSNR評價

光信噪比（OSNR）定義為信道內信號光功率與ASE噪聲功率（按照0.1nm測量）的比值，對于超100Gbit/s光通信系統，OSNR是最為關鍵的光層性能參數指標之一，對于系統信號質量監測和傳輸性能評價至關重要。400Gbit/s和100Gbit/s系統混合傳輸的光譜如圖1所示，其中包括傳統50GHz間隔的100Gbit/s DP-QPSK信號，譜寬為150GHz的4× 100Gbit/s DP-QPSK超級信道，以及譜寬為75GHz的2×200Gbit/sDP-16QAM超級信道。

圖1 400Gbit/s和100Gbit/s系統混合傳輸光譜

對于多子載波復用的超級信道，傳統的50GHz間隔單載波OSNR定義和測試方法無法適用，針對這一問題，本文結合測試分析提出了關于多子載波復用超級信道OSNR相關參數定義和測試方法的建議。首先，針對單個子載波的實際譜寬而非50GHz固定間隔進行功率積分法OSNR測試；其次，在超級信道的背靠背OSNR容限測試中，針對每個子載波進行OSNR容限測試，根據單子載波OSNR容限的最大值和子載波數量計算超級信道的OSNR容限。具體如下：

其中，n為子載波數量。在超級信道的鏈路主光通道OSNR測試中，同樣針對每個子載波進行OSNR測試，根據單子載波OSNR的最小值和子載波數量計算超級信道的OSNR值以及相應的OSNR代價。具體如下：

上述方法的優點在于：按照單子載波實際譜寬進行測量可以避免相鄰子載波光功率波動對于被測子載波OSNR測量可能造成的影響；針對背靠背OSNR容限和主光通道OSNR值兩種不同場景的測試和計算方法能夠有效的排除各個子載波光端機之間的性能差異對于超級信道傳輸性能評價引入的影響，從而保證了超級信道OSNR測試結果的可靠性。

4 靈活頻譜柵格主光通道測試

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行業務傳送與網絡帶寬資源的按需配置，從而解決傳統50GHz頻譜間隔的剛性限制，實現靈活的網絡規劃管理并提升頻譜利用率。在超100Gbit/s系統靈活頻譜柵格主光通道測試過程中，現有的基于50GHz固定譜寬的光譜自動掃描和光功率積分計算功能將導致業務波長的遺漏以及中心波長、譜寬和光功率測試的錯誤。針對這一測試過程中出現的實際問題，本文提出基于靈活頻譜柵格模板編輯的超100Gbit/s系統主光通道測試方法。通過設置模板頻率點和光譜寬度可以在系統主光通道各點進行多項測試。

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

5 高階調制信號EVM參數測量

圖2 400Gbit/s和100Gbit/s系統混合傳輸主光通道測試

圖3 400Gbit/s和100Gbit/s系統星座圖、EVM和波特率測試

在DP-QPSK和DP-16QAM等高階調制信號光通信系統中，表征信號光電場復空間矢量坐標信息的星座圖監測以及星座圖點誤差向量幅度（EVM）相關參數測量，已經取代傳統強度調制信號中的眼圖監測，成為高階調制信號質量評價和系統傳輸性能監測的重要手段。圖3所示為400Gbit/s系統發端QPSK信號星座圖、EVM參數和波特率測試結果，其中測試儀表為Agilent 89600矢量信號分析儀（包含光學相干接收機），解調算法采用雙偏振Stocks對準算法和雙偏振卡爾曼濾波校準算法。通過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相關參數；同時還能監測頻率誤差、IQ失配及電域SNR等性能參數；通過對信號采樣點的傅里葉變換獲得信號功率譜和其中的載波和調制邊峰，可以測量出被監測信號的波特率信息。

在高階調制信號星座圖和EVM參數測試中，存在一些值得注意的問題。例如，相干接收和數字解調算法對于雙偏振態的跟蹤和校準能夠補償偏振態的慢變，但是對于快速的偏振擾動難以跟蹤補償，具體表現為星座圖和EVM參數測試對于輸入光信號的偏振態十分敏感，光纖尾纖連接的擾動在測試會引入較大的波動和誤差。此外，信號采樣點數和存儲深度的設置以及解調算法中不同的參數設定均會對星座圖和EVM參數的測量結果產生影響，使得EVM參數測試的一致性和可靠性難以滿足橫向比較的需要。最后，對于經過光纖系統之后的包含多種傳輸損傷的高階調制信號的接收解調算法設置、星座圖監測和EVM參數評價方法仍然有待進一步探索。

6 結束語

400 Gbit/s光通信系統及技術的發展現狀和應用前景已經成為光傳輸領域業界關注的焦點之一。本文在分析兩種400Gbit/sWDM技術方案的頻譜效率與傳輸能力差異的基礎上，對于超100Gbit/s光通信性能監測和信號質量評價中的多子載波超級信道OSNR評價、靈活頻譜柵格主光通道測試和高階調制信號EVM參數測量等方面提出了相應的方法和建議。

1 趙文玉等.超100G技術發展淺析.電信網技術.2013,6

2 CCSA研究報告.400G/400GE承載和傳輸技術研究. 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）

國家自然科學基金項目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）、國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金項目（No.2012AA011303，No.2013AA013402）資助