EXFO问答：了解海底网络的OSNR
之前发表在Ciena上
在2018年太平洋电信会议（PTC展会）举办之前，Ciena公司的Brian Lavallée与EXFO公司的Jean-Sébastien Tassé一起，共同探讨在海底光缆网络上正确测试OSNR的重要性和难点。
显示高速海底光网络状况的重要性能指标之一被称为光信噪比（OSNR）。我和EXFO的Jean-Sébastien一起，共同探讨这个重要测量参数，以便了解它为何在海底光缆运营商维护其海底资产性能时如此重要。让我们深入探讨这种技术。
Jean-Sébastien Tassé具有超过13年的销售和营销经验，目前在EXFO担任光业务部门的产品线经理，负责光谱分析仪和色散产品线的业务战略、路线图和发布战略。
Brian：OSNR为什么对海底网络运营商非常重要？
Jean-Sébastien：为了满足不断增加的带宽要求，100G现已成为大多数海底网络的基础，即将提供更高的速率，或已经在某些海底光缆上开始提供更高的速率。很久以来，OSNR都被认为是带放大器的高速海底网络的一个关键性能指标，用于确保网络性能和可靠性。我希望能够探讨OSNR测试的优点、用于不同信号类型的不同方法，并介绍最新标准的进展。我们还将讨论在速率增加到超过100G时，OSNR如何变得更加重要。
Brian：OSNR测试有哪些优点？
Jean-Sébastien：简单地说，OSNR是信号功率和噪声功率之比。它在进行海底网络规划时仍然是一个关键参数，因为它与很多设计参数有关，如中继器数量、覆盖距离、可用的调制格式等。当网络在线时，OSNR可能会因为信号功率变化或中继器由于老化造成噪声增加而改变。这些可能出现的变化使得有必要在调试或网络维护期间进行测试，原因有几个：
- 大幅缩短海底网络中断时间
每条100G或速率更高（100G+）的相干海底光缆都有一个最小的OSNR值，必须在接收端达到这个值，以确保无错传输。定期测量OSNR可以帮助运营商和系统厂商评估有多少OSNR容限（净空），以便在出现网络中断之前主动地解决任何性能问题。 - 减少故障诊断时间
造成网络故障的原因有很多，借助OSNR测试，可以迅速精确定位并解决任何有缺陷的ROADM或中继器。 - 评估升级到超过100G速率的潜力
现有基于QPSK调试格式的相干100G网络越来越多地使用各种新颖的调制格式升级到更高速率。当接收器端的OSNR为13 dB至15 dB时，100G QPSK信号可以正常传输，但16-QAM信号可接受的OSNR为18 dB至20 dB，这个阈值更加严格。实际上来说，目前支持100G QPSK传输的海底光缆可以升级到更高的调制速率，也可能会由于OSNR的限制及其它与光缆有关的因素无法升级。
Brian：是否有不同的OSNR测量方法用于不同的信号类型？
Jean-Sébastien：是的。IEC61280-2-9标准规定了传统的OSNR测量方法，该方法称为插值或带外法（如图1所示）。
图1：IEC 61280-2-9标准OSNR测量方法
该方法在关注的通道与其两个相邻通道之间的中点测量噪声，即N（λi-Δλ）和N（λi+Δλ），然后计算这两个噪声的平均值，得到Ni（如图1所示），从而进行线性插值。接下来，可在归一化后，将信号功率除以插值的噪声，计算出OSNR。该方法特别适用于无可重构光分插复用器（ROADM）、速率最高为10G的网络。
然而，IEC 61280-2-9不适用于100G+信号和ROADM网。
图2显示了间隔为50 GHz的100G通道，这种间隔在现代的海底（和陆地）网络中比较常见。经过偏振复用（Pol-Mux）的100G+信号通常比传统的OOK（On-Off-Keyed）信号宽（需要更多的光谱），这意味着它们可能会和相邻的通道重叠。于是通道间的中点不仅包括噪声，还包括信号脉冲噪声。因此，IEC方法用于100G+ Pol-Mux信号，可能会导致噪声被高估，且测量日期不准确，造成决策失误。
图2：IEC 61280-2-9方法不适用于密集的Pol-Mux 100G+信号
图3显示的是经过ROADM的100G信号，绿色区域表示通道带宽。鉴于ROADM内有滤波器，通道之间中点处的噪声会被切分（或过滤），造成低声水平被低估，假如使用的是IEC 61280-2-9方法，意味着这种方法不适用于有ROADM的相干海底网络。
图3：IEC 61280-2-9不适用于ROADM 100G+ Pol-Mux网
为解决图2和图3所述的问题，业内在2009年左右推出了带内OSNR测量方法，支持在ROADM网内测量10G信号和40G OOK信号的OSNR。然而，由于本文未述的技术原因，这种方法不适用于相干的Pol-Mux 100G+信号。因此，业内又推出了Pol-Mux OSNR技术，支持100G+信号，成为最新标准的主题。
Brian：适用于Pol-Mux OSNR测量的标准是什么？
Jean-Sébastien：有两种标准都为测量Pol-Mux信号的OSNR提供了指导方针。它们是中国通信标准化协会Association（CCSA）YD/T 2147-2010标准和IEC 61282-12标准，该标准于2016年2月被推出。这两种标准都提供了面向未来的OSNR定义，可应用于任何数据速率、任何类型的信号，包括超级通道和灵活栅格信号。特别需要指出的是，IEC-61282-12标准规定：
其中：
- s（λ）为信号的时间平均功率谱密度，不包括ASE，其单位为W/nm
- ρ（λ）为ASE的功率谱密度，不受偏振影响，其单位为W/nm
- Br代表参考带宽，单位为nm（如未特别说明，通常为0.1 nm）
- 选择从λ1到λ2的积分范围（单位为in nm）来包括总信号频谱
这两种标准的唯一不足之处是在使用其公式时需要关闭通道，以评估放大自发辐射 （ASE）本底噪声，而在线网络上无法做到这一点，以免影响最终用户！幸运的是，业内推出了在线Pol-Mux OSNR测量方法。
表1总结了每种信号类型的正确OSNR测量方法。
| 数据速率 | 是否有ROADM？ | OSNR方法 | 是否适用于在线网络？ |
|---|---|---|---|
| ≤10G信号 | 否 | IEC 61280-2-9 | 是 |
| ≤10G信号 | 是 | 带内OSNR | 是 |
| 非相干40G信号 | 是或否 | 带内OSNR | 是 |
| 相干100G+信号 | 是或否 | Pol-Mux OSNR（IEC和CCSA标准） | 否 |
| 相干100G+信号 | 是或否 | 在线Pol-Mux OSNR | 是 |
表1：适用于各种信号类型的OSNR测量方法
简单而言，如果使用错误的OSNR方法来测量某种信号，可能会对结果产生重大影响，因为它可能造成从几个dB到10 dB的误差，在未来导致网络中断。使用正确的方法可确保获得正确的OSNR测量结果，从而实现正确的网络建模、链路仿真和维护现有的海底光缆网络性能。
Brian：您如何归纳OSNR及其正确测量方法的重要性？
Jean-Sébastien：我刚才强调了OSNR测试的一些优点，包括避免网络中断、优化故障诊断时间并确保理想的海底光缆性能。我认为当数据速率超过100G时，OSNR会变得更加重要，因为需要的OSNR阈值会更加严格。这些年来，业内推出了几种OSNR测量方法，因此关键点是必须使用正确的OSNR测量方法来测量特定类型的信号，以获得精确的测量结果。
