400GWDM系统关键参数测评方法研究*

赖俊森 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

汤瑞 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

李少晖 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

赵文玉 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

张海懿 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

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400GWDM系统关键参数测评方法研究*

赖俊森 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

汤瑞 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

李少晖 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

赵文玉 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

张海懿 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

400Gbit/s光通信系统和技术是光传输领域业界关注的焦点之一。本文在分析两种典型400Gbit/s技术方案的频谱效率和传输能力差异的基础上，对于多子载波复用超级信道OSNR评价、灵活栅格主光通道光谱测试、高阶调制信号EVM测量等关键参数的测评方法进行了分析和探讨。

400Gbit/s 超级信道 灵活频谱栅格 OSNR EVM

1 引言

云计算、移动互联、高清流媒体等新兴网络业务的飞速发展，对于光纤通信网络的带宽容量提出了越来越高的需求。随着100Gbit/s光通信系统及其技术的成熟和大规模商用，业界更加关注以多子载波复用、频谱滤波整形和高阶调制格式为特征的超100Gbit/s光通信系统和技术的发展现状与实用化水平。基于400Gbit/sWDM系统测试，本文对两种主流400Gbit/s技术方案在频谱效率和不同类型光纤中传输能力的差异进行分析，并针对多子载波复用超级信道的OSNR评价、灵活频谱栅格主光通道测试和高阶调制信号EVM参数测量等400Gbit/sWDM系统关键性能参数的测试评价方法进行分析和探讨。

2400 Gbit/s技术方案对比分析

400 Gbit/s光通信系统在继承100Gbit/s的双偏振复用、相干探测、DSP电域补偿和高增益FEC编码等技术的基础上，以提高频谱效率和传输距离为目标，引入了高阶调制格式、多子载波复用超级信道和灵活频谱栅格等新技术特征。主流400Gbit/s技术方案包括4× 100Gbit/s DP-QPSK（4×100Gbit/s）和2×200Gbit/s DP-16QAM（2×200Gbit/s）两种，分别面向长途骨干传输、数据中心互联和大容量城域传输等不同应用场景。

在系统频谱效率方面，4×100Gbit/s方案基于对现有100Gbit/s系统和技术的重用，以提升设备集成度和降低单位比特能耗为目标，通过采用灵活频谱间隔的可编辑波长选择开关（WSS）或WaveShaper等器件进行光谱滤波整形，将400Gbit/s信号占用谱宽由现有的200GHz降低至125～150GHz，提高了系统频谱效率和单纤传输容量。相对于现有100Gbit/s系统的2bit/s/Hz的频谱效率，4×100Gbit/s方案的频谱效率提升幅度约为33%～60%；2×200Gbit/s方案采用DP-16QAM高阶调制格式，同时结合发端电域或光域Nyquist滤波技术压缩单载波谱宽至37.5GHz；400Gbit/s信号占用谱宽为75GHz，频谱效率提升幅度约为167%。

在系统传输能力方面，由于引入了光谱整形代价，4×100Gbit/s方案的OSNR容限和现有100Gbit/s系统相比略有提高，但整体传输性能和现有100Gbit/s系统接近，例如G.655光纤系统，在保证工程余量前提下，可以实现超过2000km的传输距离。2×200Gbit/s方案由于采用高阶调制格式和Nyquist滤波整形，OSNR容限相比100Gbit/s系统提高6～7dB，整体传输性能受限明显，在G.655光纤系统中的可用传输距离小于400km。通过结合新型超低损耗和大有效面积光纤，降低光纤损耗系数和非线性效应，可以优化单波长平均入纤光功率至+2～+3dBm，在保证工程余量前提下，可以实现超过1000km的传输距离。

由此可见，4×100Gbit/s和2×200Gbit/s两种技术方案在频谱效率和传输能力方面各具优势，需要结合具体应用场景进行考虑和选择。新型超低损耗和大有效面积光纤在提升400Gbit/s系统传输能力方面具有较为明显的优势。

3 多载波超级信道OSNR评价

光信噪比（OSNR）定义为信道内信号光功率与ASE噪声功率（按照0.1nm测量）的比值，对于超100Gbit/s光通信系统，OSNR是最为关键的光层性能参数指标之一，对于系统信号质量监测和传输性能评价至关重要。400Gbit/s和100Gbit/s系统混合传输的光谱如图1所示，其中包括传统50GHz间隔的100Gbit/s DP-QPSK信号，谱宽为150GHz的4× 100Gbit/s DP-QPSK超级信道，以及谱宽为75GHz的2×200Gbit/sDP-16QAM超级信道。

图1 400Gbit/s和100Gbit/s系统混合传输光谱

对于多子载波复用的超级信道，传统的50GHz间隔单载波OSNR定义和测试方法无法适用，针对这一问题，本文结合测试分析提出了关于多子载波复用超级信道OSNR相关参数定义和测试方法的建议。首先，针对单个子载波的实际谱宽而非50GHz固定间隔进行功率积分法OSNR测试；其次，在超级信道的背靠背OSNR容限测试中，针对每个子载波进行OSNR容限测试，根据单子载波OSNR容限的最大值和子载波数量计算超级信道的OSNR容限。具体如下：

其中，n为子载波数量。在超级信道的链路主光通道OSNR测试中，同样针对每个子载波进行OSNR测试，根据单子载波OSNR的最小值和子载波数量计算超级信道的OSNR值以及相应的OSNR代价。具体如下：

上述方法的优点在于：按照单子载波实际谱宽进行测量可以避免相邻子载波光功率波动对于被测子载波OSNR测量可能造成的影响；针对背靠背OSNR容限和主光通道OSNR值两种不同场景的测试和计算方法能够有效的排除各个子载波光端机之间的性能差异对于超级信道传输性能评价引入的影响，从而保证了超级信道OSNR测试结果的可靠性。

4 灵活频谱栅格主光通道测试

灵活频谱栅格采用G.694.1建议的12.5GHz最小频谱粒度和6.25GHz最小中心频率粒度进行业务传送与网络带宽资源的按需配置，从而解决传统50GHz频谱间隔的刚性限制，实现灵活的网络规划管理并提升频谱利用率。在超100Gbit/s系统灵活频谱栅格主光通道测试过程中，现有的基于50GHz固定谱宽的光谱自动扫描和光功率积分计算功能将导致业务波长的遗漏以及中心波长、谱宽和光功率测试的错误。针对这一测试过程中出现的实际问题，本文提出基于灵活频谱栅格模板编辑的超100Gbit/s系统主光通道测试方法。通过设置模板频率点和光谱宽度可以在系统主光通道各点进行多项测试。

本次测试中的400Gbit/s和100Gbit/s系统混合传输主光通道测试光谱及其模板编辑如图2所示，其中包含50GHz谱宽的传统100Gbit/sDP-QPSK，其光谱模板设置为50GHz；对于75GHz谱宽的2×200Gbit/sDP-16QAM和150GHz谱宽的4×100Gbit/sDP-QPSK，测试模板可以按照子载波谱宽进行设置，也可以按照超级信道整体谱宽设置。上述模板编辑方法适用于任意谱宽和子载波复用数量的超级信道主光通道测试，能够大幅提高测试的准确性和工作效率。

5 高阶调制信号EVM参数测量

图2 400Gbit/s和100Gbit/s系统混合传输主光通道测试

图3 400Gbit/s和100Gbit/s系统星座图、EVM和波特率测试

在DP-QPSK和DP-16QAM等高阶调制信号光通信系统中，表征信号光电场复空间矢量坐标信息的星座图监测以及星座图点误差向量幅度（EVM）相关参数测量，已经取代传统强度调制信号中的眼图监测，成为高阶调制信号质量评价和系统传输性能监测的重要手段。图3所示为400Gbit/s系统发端QPSK信号星座图、EVM参数和波特率测试结果，其中测试仪表为Agilent 89600矢量信号分析仪（包含光学相干接收机），解调算法采用双偏振Stocks对准算法和双偏振卡尔曼滤波校准算法。通过仪表星座图分析可以获取均方根EVM百分比、幅度误差、相位误差等EVM相关参数；同时还能监测频率误差、IQ失配及电域SNR等性能参数；通过对信号采样点的傅里叶变换获得信号功率谱和其中的载波和调制边峰，可以测量出被监测信号的波特率信息。

在高阶调制信号星座图和EVM参数测试中，存在一些值得注意的问题。例如，相干接收和数字解调算法对于双偏振态的跟踪和校准能够补偿偏振态的慢变，但是对于快速的偏振扰动难以跟踪补偿，具体表现为星座图和EVM参数测试对于输入光信号的偏振态十分敏感，光纤尾纤连接的扰动在测试会引入较大的波动和误差。此外，信号采样点数和存储深度的设置以及解调算法中不同的参数设定均会对星座图和EVM参数的测量结果产生影响，使得EVM参数测试的一致性和可靠性难以满足横向比较的需要。最后，对于经过光纤系统之后的包含多种传输损伤的高阶调制信号的接收解调算法设置、星座图监测和EVM参数评价方法仍然有待进一步探索。

6 结束语

400 Gbit/s光通信系统及技术的发展现状和应用前景已经成为光传输领域业界关注的焦点之一。本文在分析两种400Gbit/sWDM技术方案的频谱效率与传输能力差异的基础上，对于超100Gbit/s光通信性能监测和信号质量评价中的多子载波超级信道OSNR评价、灵活频谱栅格主光通道测试和高阶调制信号EVM参数测量等方面提出了相应的方法和建议。

1 赵文玉等.超100G技术发展浅析.电信网技术.2013,6

2 CCSA研究报告.400G/400GE承载和传输技术研究. 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）

国家自然科学基金项目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）、国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金项目（No.2012AA011303，No.2013AA013402）资助