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随着国家“东数西算”工程八大枢纽、十大集群战略规划的部署实施和落地建设，以及AIGC、AR/VR等新兴业务与应用的快速发展，网络带宽和流量规模迫切需要大幅度提升，这也为传送网演进升级到400G时代提供了直接驱动力。
当前产业界主流400G系统在骨干及城域层面的编码调制解决方案主要有两种：一是基于PCS-16QAM的调制格式，波特率约90GBaud、频谱间隔100GHz，适合中长距传输；二是基于QPSK的调制格式，波特率约为130GBaud、频谱间隔150GHz，用于超长干线传输。当单波速率和波特率提升，400G传输会引起更大的系统损伤，需要优质先进的光纤光缆提升传输性能；波道间隔增大使频谱由C波段扩展到L波段，多波段系统的维护以及SRS效应导致功率转移，需要光器件产业链迭代升级和系统智能化演进。
光纤对于400G系统的影响
光纤链路衰减和非线性效应成为限制400G系统性能的重要因素。400G系统建设需要搭载在更大光纤有效面积、更小衰减的光缆上进行传输，可以显著提升系统无电中继传输距离。相比G.652.D光纤，G.654.E光纤具有更大有效面积和更小插损，在同等入射光功率的情况下，具有更好的性能。
参考现有行业标准要求，测算三种码型在G.652.D、G.654.E光纤上的标准模型传输距离如表1所示，G.654.E光纤在标准模型下，传输距离能提升50%；同等站距设置情况下，不考虑衰耗系数的差异，G.654.E光纤比G.652.D光纤性能优化1.5dB，考虑衰耗因素，G.654.E光纤提升效果更明显。
根据上海-广州段长度为1826km光缆现状进行仿真，按照400G QPSK纯C波段条件下进行模拟传输：在“G.654.E+G.652.D光缆共存”条件下传输，一跳直达的OSNR不达标，需要增加一个电中继才能满足传输性能要求；如果全部采用G.654.E光缆进行传输，可以实现上海-广州一跳直达，OSNR可达22.5dB，满足现网开通条件。现网仿真结果表明光缆的升级换代、站段设置优化，对系统性能影响非常显著。
400G系统对关键光器件的要求
400G时代网络传输速率升级，适用于长距干线的系统需要130GBaud波特率且波道间隔扩展到150GHz。为了在速率提升的同时保证系统容量翻倍，单纤至少支持80波传输，光带宽约12THz，因此频谱需要从C波段扩展到L波段，并且具备一定隔离带。400G系统的变化对OTU、WSS、EDFA等关键光器件提出了新的需求。
长距OTN系统的传输能力和相干光模块的功能特性有着直接关联。400G长距相干光模块通过升级电器件DSP芯片，迭代FEC、星座整形等算法，对损伤进行精准补偿，实现高性能低功耗的发展目标；提升高速相干光器件集成度，通过SiP/TF-LN/InP等不同技术路线达到高波特率、高带宽、低成本的目标，并且具备更好的背靠背OSNR容限。
为了实现光层“C6T+L6T”超宽频谱的传输，光放大器最重要的变革是带宽的扩展。掺铒光纤放大器（EDFA）在波长超过1610nm之后放大效率劣化明显，提高泵浦功率已经无法抵消增益平坦滤波器（GFF）衰减带来的功率损失，不能满足对L波段的放大需求。目前业界通过改变光纤掺杂元素新配比、创新光纤制造流程工艺改善增益带宽，提升饱和功率和噪声系数，如图1所示。
WSS是实现光信号灵活交叉调度的核心器件，400G光系统需要宽谱的大端口WSS。如果需要为C和L波段提供两个不同的WSS进行波长调度，将大大增加网络规划和网络维护难度。通过“C+L”一体化的WSS可以简化站点的光纤连接，同时能够有效降低成本、提升集成度。目前支持12THz的WSS已有少量厂家提供商用样品测试。
400G系统性能的优化和维护
400G系统扩展到“C+L”波段之后，光纤中受激拉曼散射(SRS)效应的影响将会更为凸显，短波长的功率向长波长转移。当出现系统波道变化等情况时，SRS效应会增加性能劣化的程度，甚至有业务中断的风险。因此，400G“C+L”系统需要具备抑制SRS效应、均衡波道性能、保证收端OSNR最优的手段。
从海缆维护中迁移出的假光（DL）填充技术是目前业界普遍用于抑制SRS效应的手段。DL填充波可以通过宽谱ASE噪声产生，通过WSS进行滤波和波长选择，或者用可调谐激光器作为独立填充波光源。DL填充波技术一是可以让系统开局时处于满波状态；二是在真实波道增加/减少时，DL在相应波长处基于功率匹配进行秒级的下波/上波，让系统保持在稳定状态。目前业界对于DL的实现方式及位置、触发条件、上下波功率大小等没有进行统一规范，尚待进一步研究。
另外一种系统调节手段是系统功率自动优化。经历多跨段传输后，功率转移会累积，导致C波段波长的功率明显低于L波段，OSNR平坦度显著劣化。系统功率自动优化可以通过在EDFA监控每个OMS段光放输入/输出信号的功率,设置反馈机制，在系统功率变化超出阈值、平坦度不满足要求时，通过逐级调整EDFA泵浦功率以达到需求增益，保证频谱功率均衡和系统稳定。
400G技术的下一步演进和未来800G系统的复杂度将进一步提升，线路损伤更加难以预测和调节，传统的运维优化模式难以支持光网络的管理。未来可以基于光网络数字孪生技术，通过采集丰富全面的系统数据和实时感知的动态数据，深入挖掘数据关系，建立不同的功能模型，对光传输系统建立高保真、多维度、动态响应的孪生映射模型。通过孪生模型，可以在规划和设计阶段给出系统的最优配置，在运维阶段对不同的系统优化策略进行模拟仿真，找到最佳策略并由管控系统下发至实体网络实施。
400G时代已经到来，不断提升传输性能和系统集成度，同时优化功耗和成本，是未来系统迭代演进的方向。400G系统架构、性能调优、运行维护都对现网应用提出了新的要求，运营商要充分利用现网光缆和机房资源，提升系统运维的智能化程度，建设高速、灵活、安全、智能的400G高速传输网，为全光底座建设和“东数西算”实施打好坚实基础。
*本文刊载于《通信世界》总第930期 2023年10月25日 第20期
原文标题:《400G高速传输系统的关键技术研究和应用探讨》
作者：中国联通研究院 胡雅坤 张贺 沈世奎
中国联合网络通信集团有限公司 马重阳
中讯邮电咨询设计院有限公司 张传熙
责编/版式：王禹蓉
审核：舒文琼
监制：刘启诚
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