高速波分系统的OSNR测试研究.pdf

Shandong CommunicicationTechnologyVol.43No.2Jun.2023山东通信技术第43卷第2 期2023年6 月高速波分系统的OSNR测试研究陆源，刘勇，白立武，张立明，赵磊（1.山东省邮电规划设计院有限公司，山东济南2 50 0 31；2.山东省邮电工程有限公司，山东济南2 50 0 0 1）摘要：OSNR指标是衡量WDM系统性能的关键要素，研究有效的OSNR测试方法对动态智能的高速光传输系统具有重要意义。首先总结了业界各种OSNR测试方法，针对性进行原理分析，提出适用场景建议，然后结合单波8 0 0 G波分系统的试点，分析超高速WDM系统的OSNR测试过程和测试指标。关键词：光信噪比（OSNR）；关断积分法；单波8 0 0 G；PM-Q PSK一引言随着光网络容量的逐步提升，高速光纤网络中的光信号容易受到各种传输损伤的影响，这些损伤会随着时间动态变化，因此，必须使用光性能监测技术监测整个光网络，主要监测参数包括光功率、色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）、光信噪比（OSNR）等。从单波10 0 G系统时代开始，由于采用了PM-QPSK码型调制结合电域DSP（数字信号处理）处理，所以CD容限和PMD容限均得到大幅提升，二者不再是限制系统传输距离的因素。而随着光功率监测手段的日渐丰富、成熟，从某种意义上说，OSNR指标监测成为高速WDM系统诸多指标中的最关键要素，是衡量WDM系统传输质量的关键参数，与传输误码率（BER）之间有着直接关系，较高的OSNR加之有效的前向纠错技术（FEC）可以有效降低误码率。当前单波10 0 G/200GWDM系统已在运营商网络中得到规模应用，业内也在积极开展单波40 0 G/800G等超高速传送技术的研究和应用测试。通过开展单波8 0 0 GWDM系统在城域数据中心互联的研究性测试，可以评估超40 0 G技术的产品成熟度，为后续运营商的城域超高速光互联技术方案及演进部署策略提供指导。单波800G系统的OSNR指标测试，可以结合当前运营商的800G试点进行。2OSNR测试方法根据国际电工委员会标准IEC-61280-2-9，传统OSNR的定义是信道内信号功率和噪声功率的比值，表达式如下PPBsigOSNR=10log(+1010(1)PNB,noise其中：Pi是第i个通道的信号功率；Br是参考光带宽，通常取0.1nm；Bm 是噪声等效带宽；Ni是等效噪声带宽Bm范围内的噪声功率。当前业界针对OSNR的测试方法有很多，包括带外插值法、偏振归零法、关断积分法等2 。此外，厂商波分设备上一般会配置OPM（光通道性能监测）单盘，以实现在线OSNR的测量。具体各种OSNR测试原理如下。2.1带外插值法带外插值法又称线性插值法。在单波10 0 G系统之前，由于信道带宽远小于信道间的保护间隔，假设整个频谱上ASE噪声比较平坦，因此，可以在两个相邻信道波峰的中间点测量噪声电平，并进行线性差值，从而估算波峰下方的噪声。如图1所示，中心波长处的峰值功率是信号功率Pi和噪声功率Ni的合计值，中心波长左右处的平均功率等效为信道内的噪声功率Ni。收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 8作者简介：陆源（198 2-）男，工程硕士，高级工程师，主要研究方向为光传输网规划设计。E-mail:2023年18山东通信技术N(A-A,)+N(A+A,)N(2)2OSNR的计算是使用总功率减去噪声功率得到信号功率，然后再用信号功率比上噪声功率得到系统的OSNR值。P(a)tP;+N;N-1NA-AN;NAi+ANi+1入i-1入;-A元入i入;+M入i+1入图1带外插值法中的信号和等效噪声带外插值法是传统OSNR测试的主要方法，在单波10 G时代，多数仪表厂商的OSA（光谱分析仪）均以此作为标准测试方法，波分厂家内置的OPM单盘原理类似，可以很方便地得出OSNR值。但随着单波速率提升和新技术演进，该方法面临着信号光谱展宽（导致OSNR测量值偏小）和ROADM器件滤波效应破坏噪声谱（导致OSNR测量值偏大）等问题。因此，带外插值法仅适用于单波10 G及以下系统的OSNR测量。2.2偏振归零法光信号在偏振态下会发生完全偏振，而ASE噪声在偏振态下不会发生改变，且沿着偏振方向均匀分布。偏振归零法就是针对光纤链路输出的信号，通过偏振控制器进行光功率调节，分别达到最大值Pmax和最小值Pmin，通过这两个测量值即可确定OSNR。PPOSNR=10log(maxmin(3)2P.min垂直方向1PsP+max2Signal and一ASE本1P偏振控制器minP偏振片2平行方向图2 偏振归零法原理图由于在偏振归零法中，假设信号为完全偏振光，噪声为完全非偏振光，而在实际的测试中，由于PMD及非线性效应等因素的影响，会导致部分信号消偏或噪声偏振，所以部分仪表厂商开发了针对偏振归零法的优化方案，通过仪表叠加一定的私有算法以克服缺陷。即便如此，由于单波10 0 G及以上系统采用的均是偏振复用格式的码型调制方案（如PM-QPSK，PM-16 A M 等），信源本身包含2 个正交的偏振信号，而不是偏振光，所以对偏振复用信号不能采用偏振带内法进行OSNR测试。偏振测试方法适用于单波40 G及以下速率系统。2.3关断积分法关断积分法是通过关闭信号光直接测量对应波道的信道内噪声，为提高测试准确性，一般采用积分法以测试信号和噪声功率。积分法的推出带来两个好处：一是开启激光器时得到直接积分信号带宽Bm的信号和噪声的光功率Pi；二是关闭激光器时得到直接积分信号带宽Bm内噪声的光功率Ni。这时两者相减即为纯粹的信号光功率，噪声功率最后需归一化到0.1nm参考带宽。根据YD/T1159-2016光波分复用（WDM）系统测试方法，单波10 0 G系统的偏振复用系统OSNR定义如式4所示。对于一个通道间隔为50 GHZ的波分系统，上述公式的P值是在0.4nm带宽范围内的信号和噪声积分功率值：N值为在0.4nm带宽范围内的噪声积分功率值，n值为在0.2 nm带宽范围内噪声积分功率值。n值选择0.2 nm再归一化到0.1nm的原因是方便测试，一般光谱仪的RES（分辨率带宽）设置为0.1nm。NOSNR=10log(4)n/2IEC61282-12国际标准中也定义了使用关断积分以测试OSNR，原理与CCSA定义的一致，不同的是采用积分公式。IEC标准定义的OSNR是信号的时间平均功率谱密度和自发辐射噪声（ASE）的功率谱密度的频谱积分比，然后将其归一化到选定的参考带宽，以dB为单位的OSNR为10 log(R）,R 值的计算公式如式5所示。1S(2)R=d元，（5)B,p()其中：s(入)代表平均时间内的信号功率谱密度；p（入）代表平均时间内的噪声功率谱密度，功率谱密度单位为W/nm；Br 代表参考光带宽（一般选0.1nm）关断积分法在使用时需注意，方法中隐含了一个前提条件，即在开启关闭激光器时，Bm内噪声的光功率Ni是不会有变化的。这一假设成立的条件是系统中的传输波长比较多，开启关闭一个信道时EDFA的工作性能（增益和噪声指数）几乎不变，因此，ASE光功率也不会发生起伏。根据CCSA行标的建议，积分法要19第2 期陆源，等：高速波分系统的OSNR测试研究求测试系统的信号波长不少于6 个，且测试波长不是边缘波长。关断积分法测试原理明晰，对于所有码型调制信号均适用，也无需考虑信号是否偏振，所以应用很广泛，适用于当前单波10 0 G及以上系统的测试。由于需要频繁关断激光器或WSS，故一般是在新建系统开通时使用，作为工程验收的标准测试方法。2.4在线OSNR测量波分设备厂商一般会在系统中配置OPM单盘（光通道监测盘），除了可以实现在线光功率的监测，还可以实现在线OSNR的测量，其在波分系统的位置一般是在接收端配置，对应波分测试规范中的参考点为MPI-Rm。以某厂商的OPM8单板为例，由18 光开关、光功率检测模块、光谱分析模块、驱动与控制模块、控制与通信模块和电源模块构成。同一时间18 光开关选择1路光信号送人光功率检测模块进行光功率检测，经过分析和转换的光功率值通过数据接口被送给控制与通信模块。控制与通信模块进一步将参数结果上报给主控板和网管系统。最终的光功率检测结果呈现在网管系统的界面上。在线OSNR监测原理如图3所示。IN1网管上可靠询光港信息MONOP8单盘内部架构图3在线OSNRR监测原理当前各大厂商的OPM主要是在发送端和接收端光谱叠加后通过一定手段取得相对噪声，再经过一系列算法实现OSNR的在线监测。而随着单波速率提升，在线读取噪声功率的准确性会有所下降，未来40 0 G/800G将主要通过获取EDFA出厂的增益谱和噪声谱，再结合线路传输实际情况，通过OPM获取发送和接收通道功率，叠加该EDFA的噪声谱和算法以计算出每个跨段的OSNR劣化值，最终算出OSNR值。当前各厂商在实现高速波分系统的在线OSNR测量方面有所差异，算法也不对外公开。一般在新建系统开通时，可以通过关断积分法以验证在线OSNR的测量准确性。2.5OSNR测量方法总结各种OSNR测量方法对比如表1所示。表1OSNR测量方法对比测试带外插值法偏振归零法关断积分法在线测量方法通过关闭信号光在两个相邻信道针对光纤链路输直接测量对应波波峰的中间点测出的信号，通过道的信道内噪利用厂家在线监原理量噪声电平，并偏振控制器进行声，为提高测试测OSNR单盘直简介进行线性差值，光功率调节，分准确性，采用积接测量从而估算波峰下离噪声分法测试信号和方的噪声噪声功率关断信号光分离噪声，积分法以测试原理简单，测试原理简单，测试信号和噪声直接网管读取，优点OSA仪表实现难通过偏振器分离功率，测试准操作简便度低噪声准确确，无需考虑码型及是否偏振，适用范围广泛由于PMD及非由于需要频繁单波速率提升情线性效应等因关断激光器或依赖厂家私有算况下面临着信素，会导致部分WSS，一般是法，需结合关断号光谱展宽和缺点信号消偏或噪声在新建系统开通积分法来验证在ROADM器件滤偏振，且不能适时使用，作为工线OSNR的测量波效应破坏噪声用PM码型调制程验收的标准测准确性谱等问题的测量试方法单波40 G及以下适用于当前单波适用单波10 G及以下系系统的非PM码100G及以上速在线OSNR测量场景统的OSNR测量型调制系统的率系统的测试OSNR测量3单波8 0 0 G波分系统的OSNR测试3.1试点系统简介某省运营商近期完成了单波8 0 0 G创新试点项目验证。试点系统采用PS-64QAM的码型调制结合C6T频谱资源方案，波分系统容量高达6 0 波8 0 0 G（4.8 T）。此外，在发端运用了基于编码整形技术的概率整形、星座几何整形、混合编码整形等技术，波特率根据整形概率的不同，分为91.6 GBd和95GBd两种。在传输距离方面，验证了带OA多跨段系统（2 x40Km/20dB、3x 40Km/20dB）和单跨段点到点系统（10 0 km/30dB、8 0km/22 dB)。本次测试的主要供货商有3家，分别在3个本地网城域，拉齐线路参数后进行统一测试，包括单机测试、业务接人能力测试、系统测试等。其中涉及OSNR的3个指标分别是：背靠背OSNR、R n 点各通路光信噪比OSNR、系统OSNR余量。B2BOSNR记录为OSNR(a），Rn点各通路光信噪比OSNR记录为OSNR（b），系统OSNR余量则为OSNR（a）减OSNR（b）。202023年山东通信技术3.2OSNR测试过程（1）关断积分法测试改进：本次OSNR测试采用关断积分法进行，由于测试波道较少（2 波），采用ASE噪声经WSS滤波后作为背景波道填充的方法，能够解决2.3节中分析的关断积分法测试波道数不能小于6 个的问题。背景波填充方案有两种选择。方式一采用两个白噪声OA，分别作为奇数波和偶数波模拟信号源，从不同端口接人WSS，利用WSS的滤波特性将白噪声过滤出奇偶分离的背景假波，再从不同的端口上传递到信号波合波的WSS。方式二采用两级OA串联，一级OA只有很低的本振噪声，两级OA才能达到饱和功率输出，滤波后单波功率与信号功率相当，由于一级滤波后填充波隔离度不够，所以采用两级WSS滤波方式。背景波填充原理如图4所示。实际测试中，A和C厂商采用了方式一，B厂商采用了方式二OTUVSS奇数MonD2A200Mon口波酒WSOSAWSS2OSAA2假数辆合信号波道凌和噪声隔离啤声波WSSWSS(a）嘴景波填充方式一(b）背景波填充方式二图4背景波填充示意图（2）O SNR 测试：参考CCSA行标YD/T3786-2020N40 0 G b s 光波分复用（WDM）系统测试方法，搭建本次OSNR指标测试的框架如图5所示。B2BOSNR定义为当信噪比低于一定值时，纠前误码会过大，产生FEC不可纠误码，此时的光信噪比门限称为B2BOSNR容限，B2BOSNR为单机指标，一般作为衡量OTU单板的OSNR容限时使用，这个指标越低，代表系统容限更容易满足。Rn点各通路光信噪比OSNR定义为单通路OSNR特性，即业务经过实际系统传输后，每个信道的OSNR实际指标值为系统指标，这个指标越高，代表系统性能越好。如图5所示，两者的测试过程类似，不同之处是B2BOSNR采用光可调衰减器以代替实际系统中的线路OA，而经过实际线路OA所需代价即系统光通道OSNR代价。业务分析仪OTUSSMRMRMRMPLMPIOTUOAOAOA光揭合器D：OTUOTURXASE光可调噪声薄速器光道分析仪（a）连按光通后OSNR容限测试配置业务分析仪SMPL-SMMPL-RMiROTUROTU光可A光糯合器DROTUOTURXASE光可调操声源光谱分析仪（b）背对背OSNR容限测试配置图5OSNR测试框架图根据某厂商通道3测试用例，B2BOSNR测试过程如下：1）如上图（b）所示连接好测试配置。设置误码分析仪业务类型与OTU单板所配业务类型一致，调节衰减器B和放大器的输出，使OTU的Rn处的接收光功率在-10 -5dBm范围内（本次测试OTU单板的接收功率范围）。2）调节衰减器A，改变噪声源，使OTU单板在无误码的极限下，仪表2 分钟无误码。3）设置光谱分析仪分辨率带宽为0.1nm。调整光谱分析仪的显示波长范围，将需要测试的通路波长显示在屏幕的中间。4)将光标定位在测试通路波长脉冲的峰值处，选择该波长光功率积分带宽为当前通路间隔，根据仪表的数字显示记录下该波长的光功率值为P1；单波8 0 0 G测试积分带宽为0.8 nm，首先记录0.8 nm带宽范围的积分功率（信号+噪声），注意仪表一般读取的是dbm为单位的功率值，在计算OSNR时需换算成mW。然后将当前测试通路的光源关闭，在相同光功率积分带宽下根据仪表的数字显示记录该波长的光功率值为P2，即记录0.8 nm噪声积分功率值，P1和P2值记录为mW。5）设置当前测试通路的光功率积分带宽为0.2 nm，根据仪表的数字显示记录光通路值记录0.2 nm带宽范围内的噪声积分功率值，然后再换算至0.1nm带宽范围内（假设噪声谱平坦，则除以2），记录为PA(mW)，那么该通路的OSNR计算值为：OSNR=10lg(P1-P2)/PA),单位为dB。6）打开当前测试通路的光源，仪表无误码。Rn点各通路光信噪比(OSNR)测试方法按照图5(a）连接，测试步骤同上。21第2 期陆源，等：高速波分系统的OSNR测试研究3.3OSNR指标分析根据3.2 节的测试步骤，波特率为91.6 GB，背靠背下的BER和OSNR曲线测试记录如表2 所示。综合三个厂商测试分析，单波8 0 0 G系统的B2BOSNR指标接近，均在2 5-2 7 dB区间，与当前主流的单波2 0 0 G规范定义的B2BOSNR值（约15dB）相比，会提升10-12dB。因此，单波8 0 0 G当前仅适用于城域应用。根据本次测试情况，可实现单跨段10 0 km和多跨段12 0 km的城域应用表2 OSNR测试指标记录B2BOSNR测试0.8 nm0.8 nm通道积分积分0.8 nm0.8 nm0.2 nm0.2 nm纠前（波特率功率功率噪声噪声噪声噪声OSNR误码率91.6GB)（信号（信号功率功率功率功率(积分法)-网管+噪声）+噪声）(dBm）(mw)(dBm)(mw)(dBm)(mw)3.48E-2.09E-2.62E-CH4模块-24.58-46.8-55.8134.215.45E-030305063.48E-2.90E-4.54ECH4模块-24.58-45.38-53.4331.827.64E-030305063.48E-3.60E-6.27E-CH4模块-24.59-44.44-52.0330.419.67E-030305063.50E-4.45E-8.32E-CH4模块-24.56-43.52-50.829.191.08E-020305063.49E-4.52E-8.53E-CH4模块-24.57-43.45-50.6929.071.25E-020305063.52E-5.14E-1.02E-CH4模块-24.54-42.89-49.9128.321.40E-020305053.51E-5.46E-1.11E-CH4模块-24.55-42.63-49.5627.951.56E-020305053.51E-5.97E-1.22E-CH4模块-24.55-42.24-49.1427.531.72E-020305053.52E-6.15E-1.29E-CH4模块-24.53-42.11-48.8827.281.80E-020305051.20E-2.38E-5.08E-CH4模块-19.21-36.23-42.9426.651.83E-020204051.48E-1.19E-6.04E-CH3模块-18.29-39.26-52.1936.883.13E-030204061.49E-1.69E-1.91E-CH3模块-18.27-37.72-47.1831.875.52E-030204051.50E-1.91E-2.62E-CH3模块-18.25-37.18-45.8130.517.23E-030204051.50E-2.41E-3.75E-CH3模块-18.25-36.18-44.2628.951.02E-020204051.49E-2.75E-4.55E-CH3模块-18.26-35.61-43.4228.091.23E-020204051.50E-3.16E-5.56E-CH3模块-18.24-35-42.5527.231.50E-020204051.51E-3.40E6.17E-CH3模块-18.22-34.68-42.126.791.71E-020204051.51E-3.63E-6.68E-CH3模块-18.21-34.4-41.7526.441.89E-02020405综合三家的测试结果表明：背靠背OSNR指标接近。如图6 所示。1E-013A厂家1E-013B厂家916GBd0CH3916G8d19585916GBdOCH491.6G8d01914595GB00CH395GBd195.8595GB0CH495G8d0191.451E-02-1E-021E-031E-0326283032343638262728293031323334OSNROSNR1E-017C厂家916G800191.8916G800191795GBdO191895GBdo19171E-021E-03+24262830323436OSNR图6 背靠背下的BER和OSNR曲线戋（三厂商对比）4结论综上，以带外插值法为代表的传统OSNR测试方法只适用于10 G及以下系统，偏振归零法一般用于40 G及以下系统，对于高速新型WDM系统而言，关断积分法是系统新建开通和试点验证时的最好选择，也能验证厂商在线OSNR的测试准确性。但随着单波速率的进一步提升，在高非线性效应下，要想得出准确的OSNR检测值，还需进一步研究如何有效分离ASE噪声和非线性噪声，如深度学习、概率整形等算法可以被应用到超高速OSNR的监测方案中，这是业界聚焦的下一步OSNR监测重点方向。参考文献：1李允博.光传送网(OTN)技术原理与测试M.北京：人民邮电出版社,2 0 13.2王紫涵.高非线性光纤通信系统中的光信噪比研究D.北京邮电大学,2 0 19(0 5):2 7-2 9.