0　引言

近15年来，互联网流量的年增长率持续高达50%以上，而这一趋势预计将进一步加速 ^[1]。传统的单波10、40甚至100 Gbit/s的固定速率组网，全网业务速率一致、频谱间隔固定，导致网络的容量上限低、带宽利用率低、灵活性有限，已无法满足传输容量爆炸式增长的需求。因此，网络扩容迫在眉睫，并且需要采用更高效灵活的网络技术以应对不断多样化的应用场景。超100 Gbit/s密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)混合组网作为一种解决方案，通过复用多个不同速率的光信号，可以显著提高网络的传输容量及传输性能，并可根据不同传输速率的需求对带宽资源灵活分配，从而最大程度优化频谱资源的利用效率^[2]。在超100 Gbit/s DWDM混合组网中，100、200、400、600乃至800 Gbit/s等不同速率的单波传输技术得到了广泛应用^{[3, 4]}。

本文将着重探讨超100 Gbit/s DWDM混合组网的应用，重点介绍其关键技术，并基于混合组网业务的速率设计介绍级联掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)通信系统中的光信噪比(Optical Signal-to-Noise Ratio, OSNR)估计方法。最后，通过海外某网络的实例，分析超100 Gbit/s DWDM混合组网的实际应用效果。

1　超100 Gbit/s网络关键技术

1.1　星座图整形技术

2016年左右，业界提出了星座图整形技术，并在两三年后成功在200 Gbit/s等速率的相干光模块中商用^[5]。星座图整形包含概率整型(Probabilistic Constellation Shaping, PCS)和几何整形(Geometric Constellation Shaping, GCS)，分别对星座点出现的概率、星座点的位置进行调整，如图1所示^[6]。PCS通过改变符号的概率分布，在保持平均功率不变的条件下增大星座点之间的最小欧式距离，从而使传输性能得到提升。相比于均匀概率分布的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)，PCS-QAM仅需在数字信号处理(Digital Signal Processing, DSP)中增加概率分布匹配器(Distribution Matcher, DM)以实现等概率的信源数据与特定概率分布的符号序列之间的转换(如图1(c)所示)，与传统QAM的DSP流程具有较好的兼容性，因而较易实现。在光纤信道中，理想的概率分布为Maxwell-Boltzman分布或超高斯分布^[7]，业界已有多种DM的算法实现方案^[8-10]。PCS增强了高阶QAM的抗噪声性能，提升了光收发机的可编程能力，并使光传输系统的速率能够灵活可调。

图 1. 星座图整形示意图^[6]

Fig. 1. Diagrams of constellation shaping^[6]

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GCS通常将星座图优化为内密外疏的多环型，其DSP实现复杂度较高，目前主流DSP厂家尚未在商用产品中采用。

1.2　频谱整形技术

随着信号速率及波特率的提升，光信号在器件模拟带宽受限时的劣化愈发明显，这可以通过在发送端DSP中采用带宽预补偿及频谱整形技术来抑制^[11]。对于高波特率信号(单波400 Gbit/s以上)，可以采用数字子载波复用(Digital Subcarrier Multiplexing, DSCM)技术，如图2(b)所示，将高速信号在数字域整形为多个频谱无明显交叠的、相对低速的子载波，从而降低光纤非线性对信号的影响，并提升色散补偿能力^[12]。如图2所示^[13]，将传统单载波与8子载波的DSP结构进行对比，可以看出，DSCM通过并行操作简化了DSP设计，并支持子载波传输速率和带宽颗粒度的精细化调整。然而，由于需要在发射端将各个基带子载波移动至高频并复用，该方案目前并不能降低对ADC的采样率和带宽要求；由于各子载波之间需要保留频谱保护间隔，因此也需要考虑其相比于单载波所增加的滤波代价^[14]。

图 2. 单载波和DSC的DSP结构比较^[13]

Fig. 2. Comparison in DSP blocks between single carrier and DSCM^[13]

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1.3　灵活栅格技术

当多速率混合组网时，如果将各速率信号中最大的带宽作为全网统一的频率间隔，会导致严重的频谱浪费。因此，在波长选择开关(Wavelength Selective Switch, WSS)的精细分片支持下，在可重构光分插复用(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexing, ROADM)网中引入灵活栅格技术，各个波长的频谱间隔不再固定于50或100 GHz，而是允许划分为更窄的频谱单元，如6.25、12.50 GHz等。通过对各个信号占用频谱单元数量进行精细调整，可以灵活调整中心频率，并可整理固定栅格多余的带宽碎片，提高全网频谱利用率。

2　混合组网业务速率设计

2.1　不同速率的可达性

超100 Gbit/s混合组网中不同单波速率适配的通道间隔、调制码型及应用场景如表1所示。不同速率、不同调制码型的业务在传输距离上存在差异，这主要由各信号的OSNR容限决定。因此，在网络规划、业务调度时需要充分考虑不同速率的可达性，即通过接收端的OSNR评估该业务能否被解调，针对不同的链路情况来设计速率及调制码型。这意味着OSNR检测技术尤为重要。

传统的OSNR检测方法主要有带外插值法、光延迟干涉法及偏振归零法等。其中，带外插值法通过窄带的可调光滤波器对光谱进行扫描从而计算OSNR，但随着DWDM系统波特率的提升和WSS等滤波器件的广泛应用，带外底噪愈加难以获取，导致OSNR难以测量；光延迟干涉法需额外采用光延迟线，易受外部环境影响且增加硬件成本；偏振归零法无法应对信号部分偏振或去偏振时的情况。

2.2　级联EDFA通信系统中的OSNR计算方法

在软件层面计算OSNR，能有效解决上述OSNR测量方法中对外部硬件的依赖，从而避免成本高昂、复杂度高和测量不稳定等问题。为此，面向超100 Gbit/s组网场景，即级联EDFA的多跨段长距传输场景，我们提供了一种适配的OSNR计算方法^[15]。

在已知各级EDFA增益系数、各跨段光纤损耗系数的前提下，得出第j个EDFA－光纤段的净增益Δ_j为

(1)

式中：j∈[1，M]，M为EDFA总级数；G_j为第j级EDFA的增益系数；L_j为第j跨段光纤的损耗系数。

在发射端调制后，采集EDFA中心波长所对应波道号i₀下的单波光功率Pin(i₀)。由式(1)可得，第i₀波在各级EDFA处的信号光功率Pe(i₀，j)为

(2)

对于第i₀波以外的其他波长，根据通道间隔、各级EDFA的增益斜率，可得出第i个波长在各级EDFA处的信号光功率Pe_(i，j)为

(3)

式中，i∈[1，Ch]，Ch为波长总数目；GT_j为第j级EDFA的增益斜率；B为通道间隔。

根据各级EDFA的噪声系数F_j，即可得出第j级EDFA噪声对第i个波长的OSNR的影响k_(i，j)为

(4)

将各级EDFA的k_(i，j) 累加，即为整个链路等效OSNR代价的倒数；根据第i个波长已知的输入端OSNRin_i，即可计算该波长的输出端OSNRout_i为

(5)

采用该计算方法，链路中的OSNR代价仅与光纤链路和EDFA的参数相关，而对收发两端的其他器件没有要求。因此，该OSNR计算方法仅利用信道配置情况(信道数目和信道间隔)及EDFA参数(增益系数、增益斜率和噪声系数)，根据发端信号光功率即可计算出经链路传输后的OSNR。该方法没有考虑对滤波代价及非线性代价进行复杂建模，与现有硬件测量技术相比，具备低成本、低复杂度的优势，对于超100 Gbit/s混合组网场景，可以快速、批量指导各线路的光信号业务速率设计。

3　工程案例分析

3.1　某海外网络需求

以海外的一个网络案例为例，由于客户业务需求的不断增长，网络将不断地向多节点、高速率演进。为此，我们规划了超100 Gbit/s混合组网的设计方案。

首先，结合客户预算，以组网简化及频谱规划统一性为出发点，在初期规划统一以100 GHz间隔作为波道规划的基准，采用了固定100 GHz合分波方式进行波道的上下话，降低了当地运营商初期投资成本，满足了运营商预期。从频谱利用率角度看，200和400 Gbit/s在16QAM的调制码型下，其频谱间隔最低要求为75 GHz。而600 和800 Gbit/s在64QAM的调制码型下，其频谱间隔的最低要求为100 GHz。尤其是800 Gbit/s信号，在64QAM调制码型基础上新增了频谱整型，如图3所示。在初期统一规划100 GHz带宽，虽然针对200和400 Gbit/s波道有部分谱宽浪费，但从规划统一性和简化性的角度来看，是初期性价比最高的方式。

图 3. 100 GHz间隔下91.6 GBaud 800 Gbit/s信号频谱整形后的光谱图

Fig. 3. Optical spectrum of a 91.6 GBaud 800 Gbit/s signal under a 100 GHz grid, equipped with spectrum shaping

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随着网络节点不断增加和网络拓扑复杂度的上升，业务路由不断变换和波道间相互调度将成为必需面对的场景。因此，需考虑ROADM组网及其方向无关特性，并增加灵活栅格配置以提升频谱利用率和网络灵活度，对网络进行渐进性的改造优化。通过在合分波后增加WSS单盘，可以在实现业务上下话及波道穿通基础上支持上述需求。

3.2　网络拓扑与设计

3.2.1　基于OSNR计算的超100 Gbit/s混合组网设计

图4所示为该工程的部分组网拓扑图，图中以不同颜色的线条对该运营商针对的不同客户加以区分。

图 4. 某工程超100 Gbit/s混合组网拓扑图(部分)

Fig. 4. Beyon 100 Gbit/s hybrid networking topology of a project (partial)

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在组网设计过程中，OSNR计算及检测技术发挥了重要作用。根据OSNR代价及余量情况，更精确地指导了不同线路的业务速率、调制码型设计。该网络中，有多条东西向的长距离传输需求(例如从西部的A站到东部的J站等)，由表2所示的OSNR计算结果可知，结合不同速率信号的OSNR门限(如200 Gbit/s QPSK约14.5 dB；400 Gbit/s 16QAM约22 dB)，可以采用200 Gbit/s QPSK码型以实现无电中继的长距离多跨段传输。若采用传统波长无关的OSNR计算方法，上述400 Gbit/s信号可得出输出端OSNR为22.96 dB，高于该信号OSNR门限，但采用本文所述OSNR计算方法，各波长中最差OSNR为20.67 dB，不能支持400 Gbit/s信号传输，需采用200 Gbit/s信号。

在西部的几个核心站点(A、X、Y和Z)，因其传输距离较短、数据交互量大，符合更高速率的应用场景需求，设计网络时可以选择使用600甚至800 Gbit/s的高速率信号。基于800 Gbit/s 64QAM信号约27 dB的OSNR门限，根据输出端OSNR计算结果并考虑链路的OSNR余量，对不同链路分别采用了600 及800 Gbit/s信号，从而形成了200、600和800 Gbit/s混合速率的超100 Gbit/s组网，如表3所示。

3.2.2　灵活栅格技术的运用

在该工程中，各类超100 Gbit/s业务信号传输速率和距离不尽相同，为了最大化利用带宽潜力，需要该网络支持上述混合速率业务的混合传输。因此，在该网络中采用了灵活栅格技术，在更精细的频谱单元上进行调控，提升了频谱带宽的利用率；也使得网络提速和扩容时无需改变光层系统，从而降低了网络改造和扩容的成本。图5所示为该工程中某一站点截取的光谱图，由于采用了不同速率信号的混传，各个业务通道所占带宽和频谱分布有所区别。通过采用灵活栅格传输不同速率信号，提高了组网的灵活性；通过对短距业务提升传输容量(200 Gbit/s提升至600和800 Gbit/s)，也使带宽利用率得到了提升。

图 5. 某站点灵活栅格光谱图

Fig. 5. The optical spectrum of one site using flexible grid

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3.3　应用效果

该工程既满足了其传输网络地理形势狭长、传输站点多、跨段多和跨度大的距离要求，又满足了其核心城市核心站点业务数据交互大、速率高和容量大的需求。该工程从2021年开始建设，历时3年，传输速率从200和400 Gbit/s逐步提升至800 Gbit/s，实现了网络的平滑升级和扩容。未来该网络将进一步演进，主要方向为引入400 Gbit/s QPSK和800 Gbit/s 16QAM、支持竞争无关的ROADM组网等。

4　结束语

本文提出了一种波长相关的OSNR计算方法，以指导基于DWDM的超100 Gbit/s混合组网设计。结合某海外网络案例，根据各节点对传输距离和业务容量的需求选择合适的信号速率，合理规划不同速率信号的部署位置。采用本文所提OSNR计算方法，相比于传统的波长无关OSNR计算，可将单级OSNR计算误差最大降低约0.3 dB。在OSNR计算结果的指导下，该海外网络采用了200、600和800 Gbit/s混合组网架构，应用了DSCM等频谱整形技术及灵活栅格技术，在保证了传输性能的同时，兼顾了不同链路的长距大跨度、短距大容量需求。可以看出，超100 Gbit/s DWDM混合组网技术与OSNR计算方法在该案例网络的应用中取得了较好效果，同时也为网络的持续演进提供了空间，为构建高容量、高效率的通信网络提供了技术支持和应用指导。

本文的研究分析证明，超100 Gbit/s DWDM组网技术是推进大容量光传输网络发展的重要手段，同时在实际应用中也仍存在优化空间。在未来，网络的单波传输速率可以进一步提升(至Tbit/s量级)；有必要对不同带宽信号的入纤光功率进行自适配优化，以在确保系统功率均衡的同时性能最优。同时，运营商、设备厂商和互联网公司需继续加强协作创新，提升设备的兼容性和互操作性，以更好地发挥超100 Gbit/s DWDM混合组网技术的优势，满足人类对信息传输的新需求。