長距離大容量DWDM傳輸關鍵技術

江蘇省郵電建設工程有限公司 朱洪俊

長距離大容量DWDM傳輸關鍵技術

江蘇省郵電建設工程有限公司 朱洪俊

本文主要介紹了隨著寬帶網走入我們的生活，現已建成的SDH骨干網正承受巨大的負荷，在不久的將來，將必然難以滿足日益增長的通信需求。為此只有建立起一套具有高帶寬、大容量、低時延、拓撲結構靈活的傳輸系統才能夠解決上述問題，這便引入了我們所研究的課題即長距離大容量DWDM傳輸系統。本篇論文主要介紹了DWDM傳輸系統的基本知識點和DWDM系統在傳輸過程中所運用到的關鍵技術介紹。通過本文的闡述旨在說明長距離大容量DWDM傳輸系統在現代寬帶通信中的特點以及其能夠在日常生產中被應用的可行性。

DWDM；長距離；大容量；傳輸；關鍵技術

1.DWDM概述

DWDM技術產生背景。隨著語音業務的飛速增長和各種新業務的不斷涌現，特別是IP技術的日新月異，網絡容量必將會受到嚴重的挑戰。傳統的傳輸網絡擴容方法采用空分多路復用（SDM）和時分多路復用（TDM）兩種方式。

不管是采用空分復用還是時分復用的擴容方式，基本的傳輸網絡均采用傳統的PDH和SDH技術，即采用單一波長的光信號傳輸。這種傳輸方式是對光纖容量的一種極大的浪費，因為光纖的帶寬相對于目前我們利用的單波長信道來講幾乎是無限的。我們一方面在為網絡的擁擠不堪而憂心忡忡，另一面卻讓大量網絡資源的白浪費。

DWDM技術就是在這樣的背景下應運而生的，它不僅大幅度地增加了網絡的容量，而且還充分利用了光纖的帶寬資源，減少了網絡資源的浪費。

2.DWDM系統基本結構

DWDM設備一般按照用途可分為光終端復用器（OTM）、光線路放大器（OLA）、光分插復用器（OADM）和點中繼器（REG）。下面以華為公司的波分320G設備為例講述各種網絡單元類型在網絡中所起的作用。

（1）光終端復用器（OTM）

在發送方向，OTM把波長為λ1-λ6（或λ12）上網STM-16信號經合波器復用成DWDM主信道，然后對其進行光放大，并附加上波長為λ5的光監控信道。

圖2-1 波分復用系統(Wave division multiplexing system)

在接受方向，TOM先把光監控信道取出，然后對DWDM主信道進行光放大，經分波器解復用成16（或32）波長的STM-16信號。

（2）光放大器（OLA）

每個傳輸方向的OLA先取出光監控信道（OSC）并進行處理，再將主信道進行放大，然后將主信道與光監控信道合路并送入光纖線路。

它每個方向都采用一對WPA+WBA的方式來進行光線路放大，也可用單一波長前置放大器（WPA）或波長功率放大器（WBA）的方式來進行單向的光線路放大。

（3）光分插復用器（OADM）

OADM設備接收線路的光信號后，光提取監控信道，再用WPA將主光通道預放大，通過MR2單元把含有16或32路STM-16的光信號與按波長取下一定數量后送出設備，要插入的波長經MR2單元直接插入主信道，在經功率放大后插入本地光監控信道。

3.DWDM傳輸關鍵技術

在這樣的系統中，需要大量的光/電轉換，在系統容量逐漸增加的情況下，成本迅速提高。為了降低網絡建設和運營成本，新一代的骨干DWDM系統應運而生，它的一個重要特點就是長距離無電中繼技術，即在1000km～3000km范圍內的傳輸端之間不再增加電再生中繼站，而是在業務上下的中間節點使用光分插復用器(OADM)，只對上下波長進行光/電轉換，其余波長在光域直通。采用這種結構，可以大大減少光/電轉換次數，節省了大量的光電轉換模塊(OTU)，并且使網絡結構清晰，為日后在DWDM層面組網奠定基礎。

3.1 光放大技術

目前比較引人注目的光纖喇曼放大器(RAMAN)，利用了光纖中的SRS效應，使信號與一個強泵浦波同時傳輸，并且其頻率差位于泵浦波的喇曼增益譜寬之內，則此信號可被光纖放大。喇曼放大器的一個特性是有很寬的帶寬，可以在任何波長處提供增益，只要能得到所需的泵浦波長，并且增益介質是光纖，可以制成分立式或分布式的放大器，另外一個顯著優點是噪聲低，可以滿足在小信號放大時對OSNR的要求。但受激喇曼效應的泵浦閾值較高，實現喇曼放大器的關鍵是高功率泵浦，例如，泵浦波長為1450nm，要獲得20dB的峰值增益，泵浦功率需要400mW(G.655光纖)或620mW(G.652光纖)。所以一般建議在超過2000km的超長距系統或單跨段距離超過100km時，為滿足OSNR的要求，才使用喇曼放大器，當然為滿足L波段放大的要求，也可以使用喇曼放大器，但一般長距系統應盡量避免使用。

3.2 色散控制技術

色散補償光纖技術為了擴大光纖線路中繼距離把其中存在的色散降低到最低程度，同時兼顧到插入損耗合理的技術措施，其中包括專用補償光纖和光學元器件，輸入端的光信號設計，使輸出端的光信號足以保證系統性能，諸如跨距、速率、誤碼率等實現。

色散補償對G.652光纖線路轉入1550nm窗口和非零色散光纖線路都是必要的。在我國，前一種更為現實和必要。色散補償光纖技術有采用由色散補償光纖（DCF＝Dispersion Compensation Fiber）制成的圈插入光纖線路中，該光纖的色散帶負號，與線路光纖符號相反，但消耗光功率，仍須進一步優化。另一種技術方法是用色散管理光纖，即DMF（＝Dispersion Managed Fiber）。這種光纖有帶正、負色散區段，如同線路光纖延展敷設，不至于造成DCF那樣無謂的光損失。還有技術方法諸如預啁啾和雙模光纖補償以及光譜反轉等，啁啾類同于電路預失真，傳入光脈沖的啁啾與線路光纖色散引起的啁啾相互抵消。雙模光纖法基于運用高階模在截止波長附近產生較大的波導色散（帶負號）與線路光纖中帶正號的單色散相抵消。

3.3 光合波與分波技術

光合波與光分波技術是為了充分利用光纖的帶寬而必須不斷充分利用光纖的波長資源，目前在我國大量采用的DWDM系統大多利用光纖的C波段即1528nm～1565nm約37nm的通帶范圍，若波長間隔為0.8nm約可容納40波光信號，如須進一步增加傳輸容量必須擴大通帶范圍并同時減小光信號間的間隔，則必須研制更加高效的光放大器。

光合波技術和分波技術分別是通過光復用器和光分解器來完成。光復用器將不同波長的發送信號混合在一條單獨的光纖上，而分解器則將混合信號分解為接收器的分支波長。

光復用器和光分解器在超高速、大容量波分復用系統中起著關鍵作用，其性能的優劣對系統的傳輸質量有決定性影響。DWDM系統對其要求是：①損耗及其偏差小；②信道間的串擾小；③低的偏差相關性。

3.4 信號調制與接收處理技術

近年來對信號調制格式的研究備受人們的關注，這是因為不同的線路碼型抗光纖信道中噪聲、色散、非線性影響的程度不同，選擇合適的碼型能夠在不增加其他設施的條件下延長最大傳輸距離。研究表明傳統的NRZ碼型并非超長距離傳輸的理想碼型，從抗噪聲的角度來看DPSK碼和RZ碼要優于NRZ碼，從抗色散影響的角度看RZ、RZ_DPSK、PSBT、多進制調制都優于NRZ碼，從抗非線性影響的角度看CSRZ、DPSK要優于NRZ，從頻譜效率的角度看VSB、PSBT和多進制調制也優于NRZ，在不同的系統條件下各種碼型具有各自優勢，也有自己的劣勢，需要權衡考慮。目前多數40Gbit/s試驗系統多采用CSRZ和RZ_DPSK，實驗證實這些碼型比NRZ碼更適合于超長距離DWDM傳輸，當然新的調制碼型也增加了調制器和接收機的成本和復雜度。

今后信號調制將向著頻譜效率更高的多進制調制和編碼調制方向發展，其中的關鍵是如何以低成本實現高可靠性的調制解調器，預計光電混合集成電路和光子晶體光纖是最為看好的技術。

3.5 節點技術

WDM光傳送網中的節點分為光交叉連接（OXC）節點、光分插復用（OADM）節點和混合節點（同時具有OXC和OADM功能的節點）。

OXC節點的功能類似于SDH網絡中的數字交叉連接設備（DXC），只不過是以光波信號為操作對象在光域上實現的，無需進行光／電轉換和電信號處理。OXC在未來的全光通信網絡中，起著十分重要的作用，當光纜中斷或節點失效時，OXC能自動完成故障隔離、重選路由、重新配置網絡節點等功能，當業務發展需要對網絡結構進行調整時，OXC可以簡單迅速地完成網絡的調度和升級。

OADM節點的功能類似于SDH網絡中的數字分插復用設備(ADM)，它可以直接以光波信號為操作對象，利用光波分復用技術在光域上實現波長信道的上下。

3.6 糾錯編碼技術

糾錯編碼是超長距離傳輸中有效增加系統余量的一項關鍵技術，它通過在信號中加入少量的冗余信息來發現并剔除傳輸過程中由噪聲引起的誤碼，以較低的成本和較小的帶寬損失換取高質量的傳輸。例如標準的RS（255、239）編碼方案具有5dB以上的編碼增益而冗余度僅僅為7%，這等效于提高了1～2dB的OSNR，在不增加其他額外設施條件下進一步增加了傳輸距離。由于糾錯編碼只需要在收發端增加相應的編譯碼器，無需增加和改動線路設備，具有成本低、靈活便捷、效果明顯的優勢，所以備受青睞。

隨著超長距離傳輸系統發展的要求，人們需要具有更強糾錯能力的超強糾錯編碼。考慮到目前高速集成電路的復雜性和工藝水平問題，當前所采用的超強糾錯編碼多采用級聯碼方案，即編碼由內碼和外碼兩套不同的糾錯碼交織級聯而成，以便更好地糾正多個連續錯誤，例如與標準RS(255、239)碼相比，級聯的RS(255、239)+RS(255、239)能多獲得1.4dB的編碼增益得到10-13的BER，而RS(255、239)+RS(255、223)可使增益增加到1.9dB。當高速集成電路技術更加成熟后，有望實現第三代糾錯編碼，即Turbo乘積碼（TPC），它對碼塊的行和列分別進行編碼，而且在譯碼過程中采用軟判決和迭代譯碼技術，能進一步提高編碼增益。有報道說，采用基于BCH的TPC（BCH（128、113、6）×BCH（256、239、6），碼率為0.82）可以取得10.1dB的編碼增益。

目前人們在FEC方面的主要工作是繼續尋找簡單高效的糾錯編碼方案，例如低密度極性校驗碼（LDPC）以及糾錯編碼方案的高速集成電路實現等等。

4.總結與展望

4.1 總結

光纖以其巨大的帶寬資源成為骨干傳輸媒質的必然選擇，而DWDM技術是在現有技術條件下充分利用光纖帶寬資源的有效手段，由于不采用電再生中繼，超長距離DWDM傳輸能降低系統成本并提高系統的可靠性，所以備受人們青睞。對此各國正紛紛展開有關研究和實驗，我國也把超長距離DWDM傳輸列入國家863計劃之中。截止到目前，超長距離DWDM傳輸已有了重大發展，實驗報道的最大單纖傳輸容量達到10.92Tbit/s，傳輸距離300km，而一般容量為3-4Tbit/s的陸地傳輸距離可達4000km以上，而跨洋系統傳輸距離可達上10000km。我國在自己的努力下，也成功地實現了1.6Tbit/s3000km超長距離試驗傳輸。

4.2 展望

隨著超大容量DWDM系統在長途網中的大規模建設，用戶接入及局域網的寬帶化技術的普及，網絡的瓶頸逐漸轉移到了城域網。原先以承載話音為主的城域傳輸網絡，已無法適應城域數據業務的快速增長。因此目前全世界大部分運營商的競爭重點正在從長途網轉向城域網，建立高效經濟的支持多業務的城域網已經成為各運營公司的共同目標。相信隨著技術的進一步發展，如何科學地選擇光纖類型、如何抑制光纖非線性效應對傳輸的發展會越來越明確，未來傳輸網的建設也會為我們的生活帶來更多的方便與快捷。

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Long-distance high-capacity DWDM transport key technologies

Hongjun Zhu
（JSTCC，NanJing JiangSu，，CHINA 210012）

This paper describes the network as broadband into our lives，has now completed the SDH backbone network is under heavy load，in the near future，will inevitably be diff i cult to meet the growing communications needs.This is only to establish a set of high bandwidth，large capacity，low latency，f l exible transmission system topology in order to solve these problems，which have introduced the subject of our study that long-distance high-capacity DWDM transmission system.

This paper introduces three DWDM transmission system on the basics of points，respectively，the WDM technology is a basic introduction，the basic technology introduction and DWDM DWDM transmission system used in the introduction to the key technology.Produced by the purpose of this paper is to demonstrate the long-distance high-capacity DWDM transmission system in the modern characteristics of broadband communications and it can be applied in daily production feasibility.

DWDM long distance and large capacity transmission key technologies

朱洪俊（1963—），江蘇溧陽人，大學本科，主要研究方向：移動通信網絡、傳輸網。