适用于新一代高速光纤通信系统和网络的带内光信噪比监测

To fulfil the ever-increasing demand on information capacity, various new techniques have been adapted in the new generation high speed fiber optic communication systems, including high order modulation formats like x-QAM, multiplexing scheme like Nyquist-WDM or OFDM, coherent detection and DSP. With these new techniques adapted, optical spectrums are placed densely and nonlinear effects are enhanced significantly, which make current OSNR monitoring method face malfunction. In this project, theories, methods and key techniques of OSNR monitoring for new generation high speed fiber optic communication systems will be studied. And this project will focus on training sequence aided in-band OSNR monitoring. The details are as follows: (1) theoretical analysis of different characteristics between training sequence and noise, model of separation of in-band signal and noise and the corresponding OSNR monitoring solution; (2) design of the appropriate training sequence; (3) the concept and monitoring method of extended OSNR under nonlinear effects; (4) the simulated and experimental validation of the proposed OSNR monitoring methods; (5) 12 SCI cited papers and 3 national invention patents. The research results will play a fundamental role in the building of the new optical performance monitoring system, and propose the construction and development of the new generation high speed fiber optic communication systems.

光信噪比（OSNR）是衡量光通信系统性能的重要指标。然而在新一代高速光纤通信系统中， x-QAM高阶调制格式、Nyquist-WDM或OFDM等复用方式、相干检测和DSP处理技术的应用，将导致频谱排列变密甚至连续而且非线性作用明显增强，使得现有的OSNR监测方案失效。本项目将围绕新一代高速光纤通信系统的OSNR监测机理、监测方法及关键技术展开研究。拟采用训练序列辅助的方式实现带内OSNR监测，具体包括：理论分析训练序列和噪声的不同特性，提出带内信噪分离的方法和模型，设计相应的OSNR监测方案；构造合适的训练序列，解决OSNR监测的技术问题；给出扩展的OSNR的概念及监测方案，解决非线性环境下OSNR监测的技术难题；完成训练序列辅助的OSNR监测方案的性能分析和实验验证。研究成果对建立光性能监测新体系有重要价值，对推进新一代高速光纤通信系统建设和发展有重要意义。

未来高速光通信系统对于光性能监测提出了新的要求。光信噪比（OSNR）作为衡量光纤通信系统信道性能的核心指标有着至关重要的意义，对其监测是光通信网络系统中不可或缺的组成部分。然而，高阶调制格式、Nyquist-WDM或OFDM等复用方式，将导致频谱排列变密甚至连续无缝隙排列，使得现有的OSNR监测方法在新一代高速光网络面临失效。此外，光通信系统还受到偏振模色散、色散、偏振旋转效应、频偏和相位噪声的影响，这些损伤同样也需要进行实时监测并实时补偿。然而，传统的信号损伤均衡算法在一些极端场景下如雷雨天气，性能会大大下降甚至失效，带来通信的中断。在国家自然基金委项目的支持下，我们就新一代高速光通信系统和网络中的带内光信噪比监测技术展开了研究，同时在色散监测、载波相位恢复、 频偏估计及偏振解复用、偏振模色散监测与补偿方面取得了丰硕的成果。针对OSNR监测，我们提出了一种基于周期结构短训练序列的光信噪比监测方案。此监测方法监测范围为5～30dB，监测误差小于1dB。并且研究了在非线性效应影响下，系统的OSNR监测方案。针对光纤通信系统中雨天雷电场景下大偏振模色散与快速偏振态变化联合损伤造成接收机失锁，通信中断问题，给出基于频域卡尔曼滤波器的偏分解复用问题的解决方案。该方案可以补偿超过200ps的偏振模色散和几个Mrad/s的偏振态变化。此外，设计了基于卡尔曼滤波器的多损伤监测与均衡方案，有效降低整体算法复杂性，节约硬件资源。上述研究成果对新一代高速光通信系统的性能监测与信号损伤均衡有重要意义，其中将雷雨天气下偏振态迅变造成通信中断的解决方案提交华为科技公司，受到华为高度重视。