中國聯(lián)通“論”400G：系統(tǒng)性能的優(yōu)化和維護(hù)

隨著國家“東數(shù)西算”工程八大樞紐、十大集群戰(zhàn)略規(guī)劃的部署實(shí)施和落地建設(shè)，以及AIGC、AR/VR等新興業(yè)務(wù)與應(yīng)用的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬和流量規(guī)模迫切需要大幅度提升，這也為傳送網(wǎng)演進(jìn)升級(jí)到400G時(shí)代提供了直接驅(qū)動(dòng)力。

當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界主流400G系統(tǒng)在骨干及城域?qū)用娴木幋a調(diào)制解決方案主要有兩種：一是基于PCS-16QAM的調(diào)制格式，波特率約90GBaud、頻譜間隔100GHz，適合中長距傳輸；二是基于QPSK的調(diào)制格式，波特率約為130GBaud、頻譜間隔150GHz，用于超長干線傳輸。當(dāng)單波速率和波特率提升，400G傳輸會(huì)引起更大的系統(tǒng)損傷，需要優(yōu)質(zhì)先進(jìn)的光纖光纜提升傳輸性能；波道間隔增大使頻譜由C波段擴(kuò)展到L波段，多波段系統(tǒng)的維護(hù)以及SRS效應(yīng)導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)移，需要光器件產(chǎn)業(yè)鏈迭代升級(jí)和系統(tǒng)智能化演進(jìn)。

光纖對于400G系統(tǒng)的影響

光纖鏈路衰減和非線性效應(yīng)成為限制400G系統(tǒng)性能的重要因素。400G系統(tǒng)建設(shè)需要搭載在更大光纖有效面積、更小衰減的光纜上進(jìn)行傳輸，可以顯著提升系統(tǒng)無電中繼傳輸距離。相比G.652.D光纖，G.654.E光纖具有更大有效面積和更小插損，在同等入射光功率的情況下，具有更好的性能。

參考現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，測算三種碼型在G.652.D、G.654.E光纖上的標(biāo)準(zhǔn)模型傳輸距離如表1所示，G.654.E光纖在標(biāo)準(zhǔn)模型下，傳輸距離能提升50%；同等站距設(shè)置情況下，不考慮衰耗系數(shù)的差異，G.654.E光纖比G.652.D光纖性能優(yōu)化1.5dB，考慮衰耗因素，G.654.E光纖提升效果更明顯。

根據(jù)上海-廣州段長度為1826km光纜現(xiàn)狀進(jìn)行仿真，按照400G QPSK純C波段條件下進(jìn)行模擬傳輸：在“G.654.E+G.652.D光纜共存”條件下傳輸，一跳直達(dá)的OSNR不達(dá)標(biāo)，需要增加一個(gè)電中繼才能滿足傳輸性能要求；如果全部采用G.654.E光纜進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)上海-廣州一跳直達(dá)，OSNR可達(dá)22.5dB，滿足現(xiàn)網(wǎng)開通條件。現(xiàn)網(wǎng)仿真結(jié)果表明光纜的升級(jí)換代、站段設(shè)置優(yōu)化，對系統(tǒng)性能影響非常顯著。

400G系統(tǒng)對關(guān)鍵光器件的要求

400G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)傳輸速率升級(jí)，適用于長距干線的系統(tǒng)需要130GBaud波特率且波道間隔擴(kuò)展到150GHz。為了在速率提升的同時(shí)保證系統(tǒng)容量翻倍，單纖至少支持80波傳輸，光帶寬約12THz，因此頻譜需要從C波段擴(kuò)展到L波段，并且具備一定隔離帶。400G系統(tǒng)的變化對OTU、WSS、EDFA等關(guān)鍵光器件提出了新的需求。

長距OTN系統(tǒng)的傳輸能力和相干光模塊的功能特性有著直接關(guān)聯(lián)。400G長距相干光模塊通過升級(jí)電器件DSP芯片，迭代FEC、星座整形等算法，對損傷進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)高性能低功耗的發(fā)展目標(biāo)；提升高速相干光器件集成度，通過SiP/TF-LN/InP等不同技術(shù)路線達(dá)到高波特率、高帶寬、低成本的目標(biāo)，并且具備更好的背靠背OSNR容限。

為了實(shí)現(xiàn)光層“C6T+L6T”超寬頻譜的傳輸，光放大器最重要的變革是帶寬的擴(kuò)展。摻鉺光纖放大器（EDFA）在波長超過1610nm之后放大效率劣化明顯，提高泵浦功率已經(jīng)無法抵消增益平坦濾波器（GFF）衰減帶來的功率損失，不能滿足對L波段的放大需求。目前業(yè)界通過改變光纖摻雜元素新配比、創(chuàng)新光纖制造流程工藝改善增益帶寬，提升飽和功率和噪聲系數(shù)，如圖1所示。

WSS是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)靈活交叉調(diào)度的核心器件，400G光系統(tǒng)需要寬譜的大端口WSS。如果需要為C和L波段提供兩個(gè)不同的WSS進(jìn)行波長調(diào)度，將大大增加網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)難度。通過“C+L”一體化的WSS可以簡化站點(diǎn)的光纖連接，同時(shí)能夠有效降低成本、提升集成度。目前支持12THz的WSS已有少量廠家提供商用樣品測試。

400G系統(tǒng)性能的優(yōu)化和維護(hù)

400G系統(tǒng)擴(kuò)展到“C+L”波段之后，光纖中受激拉曼散射(SRS)效應(yīng)的影響將會(huì)更為凸顯，短波長的功率向長波長轉(zhuǎn)移。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)波道變化等情況時(shí)，SRS效應(yīng)會(huì)增加性能劣化的程度，甚至有業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，400G“C+L”系統(tǒng)需要具備抑制SRS效應(yīng)、均衡波道性能、保證收端OSNR最優(yōu)的手段。

從海纜維護(hù)中遷移出的假光（DL）填充技術(shù)是目前業(yè)界普遍用于抑制SRS效應(yīng)的手段。DL填充波可以通過寬譜ASE噪聲產(chǎn)生，通過WSS進(jìn)行濾波和波長選擇，或者用可調(diào)諧激光器作為獨(dú)立填充波光源。DL填充波技術(shù)一是可以讓系統(tǒng)開局時(shí)處于滿波狀態(tài)；二是在真實(shí)波道增加/減少時(shí)，DL在相應(yīng)波長處基于功率匹配進(jìn)行秒級(jí)的下波/上波，讓系統(tǒng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。目前業(yè)界對于DL的實(shí)現(xiàn)方式及位置、觸發(fā)條件、上下波功率大小等沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，尚待進(jìn)一步研究。

另外一種系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段是系統(tǒng)功率自動(dòng)優(yōu)化。經(jīng)歷多跨段傳輸后，功率轉(zhuǎn)移會(huì)累積，導(dǎo)致C波段波長的功率明顯低于L波段，OSNR平坦度顯著劣化。系統(tǒng)功率自動(dòng)優(yōu)化可以通過在EDFA監(jiān)控每個(gè)OMS段光放輸入/輸出信號(hào)的功率,設(shè)置反饋機(jī)制，在系統(tǒng)功率變化超出閾值、平坦度不滿足要求時(shí)，通過逐級(jí)調(diào)整EDFA泵浦功率以達(dá)到需求增益，保證頻譜功率均衡和系統(tǒng)穩(wěn)定。

400G技術(shù)的下一步演進(jìn)和未來800G系統(tǒng)的復(fù)雜度將進(jìn)一步提升，線路損傷更加難以預(yù)測和調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的運(yùn)維優(yōu)化模式難以支持光網(wǎng)絡(luò)的管理。未來可以基于光網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生技術(shù)，通過采集豐富全面的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)感知的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，深入挖掘數(shù)據(jù)關(guān)系，建立不同的功能模型，對光傳輸系統(tǒng)建立高保真、多維度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的孿生映射模型。通過孿生模型，可以在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段給出系統(tǒng)的最優(yōu)配置，在運(yùn)維階段對不同的系統(tǒng)優(yōu)化策略進(jìn)行模擬仿真，找到最佳策略并由管控系統(tǒng)下發(fā)至實(shí)體網(wǎng)絡(luò)實(shí)施。

400G時(shí)代已經(jīng)到來，不斷提升傳輸性能和系統(tǒng)集成度，同時(shí)優(yōu)化功耗和成本，是未來系統(tǒng)迭代演進(jìn)的方向。400G系統(tǒng)架構(gòu)、性能調(diào)優(yōu)、運(yùn)行維護(hù)都對現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用提出了新的要求，運(yùn)營商要充分利用現(xiàn)網(wǎng)光纜和機(jī)房資源，提升系統(tǒng)運(yùn)維的智能化程度，建設(shè)高速、靈活、安全、智能的400G高速傳輸網(wǎng)，為全光底座建設(shè)和“東數(shù)西算”實(shí)施打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

*本文刊載于《通信世界》總第930期 2023年10月25日 第20期

原文標(biāo)題:《400G高速傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用探討》

作者：中國聯(lián)通研究院 胡雅坤 張賀 沈世奎

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