开放海缆系统关键性能指标及验证

［叶胤 刘杰］

1 引言

全球国际互联网流量呈现持续增长态势，近5 年带宽的平均年增长率约30%，在疫情的影响下，2020 年增长率高达35%。带宽需求的持续增长推动了海底光缆建设的加速，目前全球在用的海底光缆超过400 条，总长度超过120 万公里。海底光缆工程技术在向更多纤芯对、更高速率、更长距离等方面不断创新发展，进而持续降低单位比特通信成本。近年国际海缆系统的终端传输设备（TTE）与水下设备解耦已成为行业的发展趋势，相干技术的应用使得海缆陆缆系统的终端传输设备技术走向融合和统一。以往国际海缆都采用初始海缆系统厂商提供的TTE，由于陆缆传输系统的体量远远大于海缆，TTE 技术的融合统一使得陆缆系统厂商占据更大优势，海缆系统扩容开始大量采用陆缆厂商提供技术及设备，部分海缆系统厂商甚至将TTE 部分剥离，仅专注于水下相关的设备技术。通过系统解耦分离，海缆投资方无需在海缆建设合同签订时就确定TTE，因为海缆建设周期一般长达3～4 年，而TTE 技术更新迭代较快，海缆投产之前再选择技术更新的设备，可进一步降低每比特成本。对于终端传输设备商和水下设备商而言，也可以结合自身的优势，集中力量提高各自领域产品竞争力。

2 系统架构及关键指标

2.1 系统架构

开放海缆架构模式旨在将海缆系统终端传输设备和水下设备解耦和分离,要求海缆终端传输设备与海缆底层平台的接口进行标准化，并能实现各自独立的系统测试和验收。2016 年ITU-T SG15 同意将Open Cable 作为G.977.1研究的新标准，经过多年研究讨论，G.977.1 在2021 年已完成并发布，开放海缆系统接口如图1 所示。

图1 开放海缆系统接口示意图

其中MPI-SM 点和MPI-RM 点分别为主光通道发送点和接收点，IPI-SM 和IPI-RM 分别为互操作接口发送点和接收点；光耦合连接设备（OCJ）为不同TTE 的接入点，同时也提供海缆监测和控制的耦合接口，OCJ 可包含光放大器。标准将海缆系统的TTE 与水下设备解耦，水下设备为主的系统作为一个透明的光层传输平台，通过OCJ提供开放的光接口，建设方可以自由选择TTE 厂家。

2.2 关键指标定义

在现有光传输标准规范中，衡量系统性能最关键指标是光信噪比（OSNR）。传输系统每个掺铒光纤放大器（EDFA）产生的自发辐射（ASE）噪声会经过后续的放大器积累，使得OSNR 逐步下降，根据OSNR 的定义，对于经过EDFA 级联的光传输系统，可用公式（1）计算：

式（1）中，Pin是放大器输入单波光功率，NF 是放大器的噪声系数，N 是跨段数，h 是普朗克常数，ν 是光频率，νr为参考带宽。普朗克常数值为6.63x10-34J·s，ν 取1 550 nm 窗口频率，νr参考带宽为12.5 GHz（即0.1 nm），当每个跨段衰耗是均匀的并由同样的放大器补偿，ASE功率远低于信号光功率时，上式的dB 形式可以简化为公式（2），其中，Pout是入纤单波光功率，L 是跨段衰耗。

现有海缆系统标准G.977 中还使用Q 值指标，Q 值是接收机在判决电路以电压或电流为单位的平均值除以标准差，被视为误码率的定性指示。但对于高速光通信系统，Q 值已难以通过仪表测试获得，需要通过TTE 辅助换算。从式（2）可以看出，通过加大系统入纤光功率能提升OSNR，但随着信号光功率的进一步增大，非线性噪声功率将显著增大，功率超过一定数值后，继续加大将造成Q 值或实际总信噪比的降低。因此只考虑ASE 噪声的OSNR 指标对于系统性能的评估是不全面的，特别是将TTE 电层解耦后，系统光层的性能需要更全面的评估指标。

ITU-T G.977.1 标准定义了广义信噪比（Generalised Signal-to-Noise Ratio,GSNR）这一重要指标，GSNR 除了考虑ASE 噪声还要考虑非线性效应（NLI）及声导波布里渊散射（GAWBS）等噪声带来的影响，具体定义如式（3）所示。

GSNR 将参考带宽统一定义为12.5 GHz，避免了因信号频谱间隔不同而不便于横向比较。SNRASE 可以认为是信号和噪声频谱均取12.5 GHz 的OSNR 值，例如信号频谱宽度及间隔为50 GHz 时，SNRASE 为OSNR 值减去6 dB，间隔为37.5 Hz 时则减4.8dB。

2.3 非线性噪声影响分析

光纤中的非线性效应包括非弹性散射效应与克尔效应两大类。非弹性散射又称受激散射，光场经过非弹性散射将高能量光子被散射成低能量的光子，同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子，其中受激布里渊散射（SBS）参与的能量子为声学声子，受激拉曼散射（SRS）参与的能量子为光学声子。一旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增长，当入射光功率较低时，非弹性散射效应可以忽略不计，常规通信系统设计都会避免入纤功率接近阈值。克尔效应又称为折射率扰动效应，入射光功率强度的变化会引起光纤折射率的变化，产生的效应包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、交叉极化调制（XPolM）、四波混频效应（FWM），考虑了非线性的光纤的折射率n 可以表达为式（4）。

其中，n0为线性折射率系数，n2为非线性折射率系数，P 为入纤光功率，Aeff为光纤的有效面积。

无色散补偿相干系统SNRNLI的计算可参考高斯噪声非线性传播模型公式（GNRF），对非线性噪声功率谱密度GNLI在带宽内进行积分，得到非线性噪声功率PNLI如表达式（5）所示。

当系统信号谱宽与间隔接近等效为奈奎斯特WDM 系统时，假定每个跨段衰耗是均匀且都被放大补偿、信道间隔及功率一致，公式（5）可以进行简化，在进行近似处理后，PNLI可如表达式（6）所示。

式中α 表示光纤衰减系数，Leff=（1-exp（-2αLS））/2α 表示光纤有效长度，LS表示跨段长度，γ 为光纤的非线性系数，NS为跨段数量，β2为光纤二阶色散系数，BWDM表示信号光总带宽，Bn 带宽可取12.5 GHz，这里PS表示为信号光在Bn 带宽的功率。从式（6）可以看出，PNLI近似与入纤信号功率的立方成正比，因此1/SNRNLI与入纤信号光功率的平方成正比。

2.4 GAWBS 噪声影响分析

GAWBS 产生在热平衡条件下光与光纤材料横向振动声学声子相互作用，发生非受激前向散射，相关研究表明，SNRGAWBS与入纤光功率不相关，与系统长度、光纤结构和温度等相关。GAWBS 产生的相位噪声相对较小，常规手段也难以进行直接测量，对于低速系统或距离较短的系统这部分噪声可以忽略。但近年随着系统速率的不断提升，系统要求的信噪比相应提高，GAWBS 的影响在长距离系统中逐渐受到重视。由于GAWBS 噪声频率范围在10～1 000 MHz，而现有DSP 技术能跟踪处理的频谱范围在10 MHz 以内，所以难以进行补偿，建议单独考虑。

SNRGAWBS的计算方式如式（7），其中L 为系统传输总距离，ΓGAWBS为GAWBS 系数。

近年GAWBS 的相关研究测试成果表明：有效面积大的光纤，GAWBS 的影响相对小一些。例如有效面积分别为150、130、110、80 um2的光纤，ΓGAWBS 系数分别为-30.2、-29.6、-28.6、-27.5 dB/Mm。

3 GSNR 的测试验证

GSNR 指标相对传统的OSNR 指标更能客观地反映系统真实性能，在实践中避免了为满足合同或契约指标通过增加光功率掩盖系统非线性等损伤而带来的争议。如何客观地测试验证GSNR 也非常重要，由于目前技术条件限制，系统GSNR 的测试验证需要通过TTE 来辅助，并通过一定的转换和处理才能获得。对于适用高斯噪声模型且总信噪比和Q 值之间可相互转换的传输系统，用于测试的TTE 要求其OTU 采用DP-QPSK 或DP-16QAM 码型，相邻通道间隔不大于波特率的1.15 倍，频谱整形采用滚降因子不超过0.1 的根余弦（RRC）滤波，无非线性补偿。

系统测试建议不少于3 个频点，每个频点至少配置3波，并测试位于中间的信号波道，对于不用的频谱增加假波进行填充。由于EDFA 频谱增益曲线并非矩形，即使水下系统中间会设置若干均衡器，系统仍然需要进行动态功率均衡。功率均衡的方式有发送功率平坦（flat launch）均衡、收端OSNR 均衡、收发功率总和均衡等，其中发送功率平坦方式能体现线路的频谱均衡情况，这种方式虽然可能获得较大性能平均值，但收端不同频谱性能差异较大，可作为测试的基准参考。

测试系统传输后的SNRASE，将其Q 值对应到其背靠背（BtoB）性能曲线上，通过背靠背性能曲线同样的Q值转换获得SNREXT值，即SNREXT=iBtoB（Q），如图2所示。

图2 测试系统SNRASE 后通过背靠背性能获得SNREXT

通过这一对应转换消除了调制设备本身的影响，但SNREXT除了GSNR 还含有调制引入的代价SNRi未能消除，如公式（8）所示。

SNRi是测试设备单板补偿色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）、偏振相关损耗（PDL）、激光器线宽色散扰动等引入的代价，这部分很难理论计算，而且不同单板引入的代价差异可能也不同。SNRi可以通过单独测试每一种因素带来的代价进行汇总得到，但这一过程会比较复杂。另一种方式是通过测试可得到在不同功率下的SNRASE和SNREXT，利用公式（8）的等式关系，将测试得到不同功率下的1/SNREXT-1/SNRASE，与将理论计算的不同功率下的1/SNRNLI+1/SNRGAWBS+1/SNRi用最小二乘法进行拟合，即可得到SNRi。其中SNRNLI和SNRGAWBS的理论计算可分别参考公式（5）和公式（7）。

将SNREXT 去除SNRi 的影响得到GSNR，如式（9）所示。

4 GSNR 指标的应用建议

开放海缆系统开放了光层，GSNR 指标是模拟量，即使系统经过均衡其数值在不同频点仍会有差异，未来随时间推移，设备老化、线路故障维修及系统扩容也还会带来GSNR 数值的变化。

网络建设的合同契约值需要约定验收时GSNR 数值，即系统竣工时的寿命初始（BOL）值，也还需要承诺在假定的系统维修、老化和劣化等影响后的寿命终止（EOL）值，EOL 值无法在竣工时实地测试，可以在工厂或实验室进行模拟验证。由于GSNR 指标是模拟量，在不同的功率均衡条件，不同的频谱位置都会有所不同，且同样频点在不同的时刻也都会有小的波动。因此在合同阶段应尽量约定好相关测试条件、参数及数值区间，以免在系统验收阶段或系统运行期间发生争议。

传统的海缆系统及标准都是以极限Q 值（满足误码要求所需最小Q 值）为最低参考值，但极限Q 值与采用的传输终端设备相关，纠错能力更强的终端设备可以有更低的极限Q 值。对于Open Cable 的应用模式，建议参考TTE 厂商平均技术能力水平及对未来技术能力发展判断综合确定所需的极限GSNR 值，并建议基于GSNR 极限预留系统余量。

无论是BOL 还是EOL，GSNR 指标都要有平均值、最差值两个数值，数值之间的关系如图3 所示。系统设计评审阶段，按照合同约定的考虑系统维修、老化劣化等因素对EOL 系统进行模拟并测试，要求测试后GSNR 指标均分别大于合同约定的EOL 平均值、EOL 最差值。系统竣工阶段完成测试后，系统GSNR 指标要求分别大于合同约定的BOL 平均值、BOL 最差值。传统的海缆系统Q 值余量一般是取1 dB，也有少量选择0.5 dB，Open Cable 应用模式下建议考虑EOL 最差值GSNR 比拟定极限GSNR值增加0.5 或1 dB。

图3 GSNR 不同数值之间的关系示意

5 结束语

本文介绍了开放海缆系统的架构，对主要的性能影响因素及估算方法进行了分析，探讨了关键指标GSNR 如何进行测试验证，最后对指标的应用给出了建议。可以看出，目前开放海缆系统GSNR 测试验证还较为复杂，能否进行简化或者研发相关测试仪表，建议今后进一步研究。传统的光传输网络是一个相对封闭的系统，不同设备商的设备无法混合组网和统一管控，制约了竞争和创新，近年光网络的开放与解耦越来越得到关注，海缆Open Cable 标准率先实现了一定程度的开放解耦，为陆缆传输系统的硬件开放提供了借鉴参考，但陆缆系统与海缆系统在技术条件及应用需求上均存在一定差异，也建议后续开展进一步的研究。