波分技術(shù)上課講義

1、波分復(fù)用技術(shù) 隨著公用通信網(wǎng)及國際互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展， 人們對帶寬通信提出前所未有的 要求，一些原有的通信技術(shù)， 如時分復(fù)用，頻分復(fù)用， 已經(jīng)不能滿足通信的要求。 在這種情況下波分技術(shù)應(yīng)運而生。1 引言目前，光纖通信己成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的基本組成部分， 承載著通信骨干網(wǎng)絡(luò)的 主要傳輸任務(wù)。隨著通信新業(yè)務(wù)的發(fā)展，語音、圖像、數(shù)據(jù)等信息量成爆炸式增 長，對通信網(wǎng)帶寬要求十分迫切。 現(xiàn)有的通信網(wǎng)已經(jīng)難以滿足要求， 擴大通信容 量成為當(dāng)務(wù)之急。波分復(fù)用(WDM技術(shù)的基本原理是在一芯光纖中同時傳輸多個 不同光波波長信道的技術(shù)， 應(yīng)用此技術(shù)可以使不同波長的信道成倍、 十倍、百倍 地增長。通常以吉赫茲或納米這兩種

2、計量單位來表示任何兩個信道的波長問隔， 如200GH或1.6nm, 100GH或0.8nm等。當(dāng)波長的間隔小于等于1OOGH或0.8nm時， WD就被稱為密集波分復(fù)用(DWDM技術(shù)。使用WD技術(shù)就可以在原有傳輸速率的基 礎(chǔ)上，成倍地擴大光纖的傳輸能力，對通信網(wǎng)絡(luò)進行容量的擴展。WD技術(shù)可以在不需要敷設(shè)新光纜的條件下， 大大增加單芯光纖的傳輸容量， 岡而大大節(jié)約投 資，具有巨大的經(jīng)濟效益。 WD通信網(wǎng)是一個協(xié)議透明、格式透明的網(wǎng)絡(luò)，可以 不斷地將現(xiàn)有的電網(wǎng)絡(luò)迭加到光網(wǎng)絡(luò)上。WD網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要隨時升級擴容， 以滿足未來新業(yè)務(wù)的需求。WD系統(tǒng)主要南光合波器、光分波器和摻鉺光纖放大 器(EDFA)組

3、成。其中EDF的作用是由比信號波長低的高能量光泵浦源將能量輻射 進一段摻鉺光纖中， 當(dāng)載有凈負荷的光波通過此段光纖一起傳播時， 完成光能量 的轉(zhuǎn)移，使在15301565nn波長范圍內(nèi)各個光波承載的凈負荷信號全都得到放 大，彌補了光纖線路的能量損失。這樣，當(dāng)用EDF/代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光通信鏈路中的中 繼段設(shè)備時， 就能以最少的費用直接通過增加波長數(shù)增大傳輸容量， 使整個光通 信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計都大大簡化，并便于施工維護。WD系統(tǒng)的發(fā)送端是將多個終端光發(fā)射機的光信號復(fù)用在一根光纖中進行傳輸，在接收端將光信號解復(fù)用， 并由多個終端光接收機來接收。因此，WD系統(tǒng)是構(gòu)建于單信道系統(tǒng)之上的。 WDM 系統(tǒng)的每個

4、信道的性能都應(yīng)與相應(yīng)的單信道系統(tǒng)要求一致。如使用WD系統(tǒng)承載SD系統(tǒng)，則每個信道都應(yīng)符合G.957光接口標(biāo)準(zhǔn)的要求。2. 波分復(fù)用技術(shù)的概念波分復(fù)用（WDM是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在發(fā) 送端經(jīng)復(fù)用器（亦稱合波器，Multiplexer）匯合在一起，并耦合到光線路的同一 根光纖中進行傳輸?shù)募夹g(shù)；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器 （亦稱分波器或稱去復(fù)用器， Demultiplexer）將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復(fù) 原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。使用WD技術(shù)就可以在原有傳輸速率的基礎(chǔ)上，成倍地擴大光纖的傳 輸

5、能力，對通信網(wǎng)絡(luò)進行容量的擴展。圖1是一個波分復(fù)用系統(tǒng)及其頻譜的示意 圖。圖1波分復(fù)用系統(tǒng)及其頻譜的示意圖通信系統(tǒng)的設(shè)計不同，每個波長之間的間隔寬度也有不同。 按照通道間隔的 不同，WD可以細分為CWDM稀疏波分復(fù)用）和DWDM密集波分復(fù)用）。CWDM 的信道間隔為20nm而DWD的信道間隔從0.2nm到1.2nm,所以相對于DWD， CWD稱為稀疏波分復(fù)用技術(shù)。CWD和DWD的區(qū)別主要有二點：一是 CWD載波通道間距較寬，因此，同 一根光纖上只能復(fù)用5到6個左右波長的光波，“稀疏”與“密集”稱謂的差別 就由此而來；二是CWDM制激光采用非冷卻激光，而 DWD采用的是冷卻激光。 冷卻激光采用溫

6、度調(diào)諧，非冷卻激光采用電子調(diào)諧。由于在一個很寬的波長區(qū)段 內(nèi)溫度分布很不均勻，因此溫度調(diào)諧實現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。CWD避開了這一難點，因而大幅降低了成本，整個 CWD系統(tǒng)成本只有DWDI的 30% CW DM是通過利用光復(fù)用器將在不同光纖中傳輸?shù)牟ㄩL結(jié)合到一根光纖中傳輸來實 現(xiàn)。在鏈路的接收端， 利用解復(fù)用器將分解后的波長分別送到不同的光纖， 接到 不同的接收機。 2 3波分技術(shù)的特點光纖的容量是極其巨大的， 而傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)都是在一根光纖中傳輸一 路光信號，這樣的方法實際上只使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。 為了充分利 用光纖的巨大帶寬資源，增加光纖的傳輸容量，以密集 wdm（d

7、wDM術(shù)為核心的 新一代的光纖通信技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生。WD技術(shù)具有如下特點：（ 1） 超大容量目前使用的普通光纖可傳輸?shù)膸捠呛軐挼模?但其利用率還很低。使用DWDM 技術(shù)可以使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍、幾十倍乃至幾百 倍?，F(xiàn)在商用最高容量光纖傳輸系統(tǒng)為 16Tbit/s 系統(tǒng)，朗訊和北電網(wǎng)絡(luò)兩公司 提供的該類產(chǎn)品都采用 160 X 10Gbit/s 方案結(jié)構(gòu)。（2）對數(shù)據(jù)的“透明”傳輸由于DWDM統(tǒng)按光波長的不同進行復(fù)用和解復(fù)用，而與信號的速率和電調(diào)制 方式無關(guān)，即對數(shù)據(jù)是“透明”的。一個WD系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以承載多種格式的“業(yè) 務(wù)”信號，如ATM IP或者將來有可能出現(xiàn)的信號。 W

8、D系統(tǒng)完成的是透明傳輸， 對于“業(yè)務(wù)”層信號來說， WD系統(tǒng)中的各個光波長通道就像“虛擬”的光纖一 樣。（3）系統(tǒng)升級時能最大限度地保護已有投資在網(wǎng)絡(luò)擴充和發(fā)展中， 無需對光纜線路進行改造， 只需更換光發(fā)射機和光接 收機即可實現(xiàn)，是理想的擴容手段，也是引入寬帶業(yè)務(wù)（例如CATVHDT和BISDN 等）的方便手段，而且利用增加一個波長即可引入任意想要的新業(yè)務(wù)或新容量。（4）高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性利用WDM技術(shù)構(gòu)成的新型通信網(wǎng)絡(luò)比用傳統(tǒng)的電時分復(fù)用技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)要大大簡化， 而且網(wǎng)絡(luò)層次分明， 各種業(yè)務(wù)的調(diào)度只需調(diào)整相應(yīng)光信號的波 長即可實現(xiàn)。 由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化、 層次分明以及業(yè)務(wù)

9、調(diào)度方便， 由此而帶來的網(wǎng) 絡(luò)的靈活性、經(jīng)濟性和可靠性是顯而易見的。（ 5） 可兼容全光交換可以預(yù)見， 在未來可望實現(xiàn)的全光網(wǎng)絡(luò)中， 各種電信業(yè)務(wù)的上下、 交叉連 接等都是在光上通過對光信號波長的改變和調(diào)整來實現(xiàn)的。因此，WD技術(shù)將是實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且 WD系統(tǒng)能與未來的全光網(wǎng)兼容，將來可能會 在已經(jīng)建成的WD系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)。不言而喻，WD技術(shù)是克服電路限制、擴大通信帶寬以及在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)光波長路由和信道重復(fù)使用的關(guān)鍵技術(shù)， 是有效利用光纖帶寬資源的重要手 段?，F(xiàn)在主要介紹密集波分技術(shù)。4. 實現(xiàn)DWDI的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備 實現(xiàn)光波分復(fù)用和傳輸

10、的設(shè)備種類很多，各個功能模塊都有多種實現(xiàn)方法， 具體采用何種設(shè)備應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和系統(tǒng)性能的側(cè)重點來決定?？傮w上看，在 D WD系統(tǒng)當(dāng)中有光發(fā)送/接收器、波分復(fù)用器、光放大器、光監(jiān)控信道和光纖五 個模塊。（1）光發(fā)送 /接收器 光發(fā)送/接收器主要產(chǎn)生和接收光信號。主要要求具有較高的波長精度控制技術(shù)和較為精確的輸出功率控制技術(shù)。 兩種技術(shù)都有兩種實現(xiàn)方法。 常用控制波 長的方式包括： 溫度控制，使激光器工作在恒定的溫度條件下來達到控制精度的 要求；波長反饋技術(shù)， 采用波長敏感器件監(jiān)控和比較激光器的輸出波長， 并通過 激光器控制電路對輸出波長進行精確控制。（2）波分復(fù)用器波分復(fù)用器（OMD包括合波器

11、和分波器。光合波器用于傳輸系統(tǒng)發(fā)送端， 是一種具有多個輸入端口和一個輸出端口的 器件，它的每一個輸入端口輸入一個預(yù)選波長的光信號， 輸入的不同波長的光波 由同一個輸出端口輸出。光分波器用于傳輸系統(tǒng)接收端， 正好與光合波器相反， 它具有一個輸入端口 和多個輸出端口，它將多個不同波長的光信號分離開來。光合波器一般有耦合器型、 介質(zhì)膜濾波器型和集成光波導(dǎo)型等種類。 光分波器主要有介質(zhì)膜濾波器型、集成光波導(dǎo)型、布拉格光柵型等種類。其中，集成光 波導(dǎo)技術(shù)使用最為廣泛，它利用光平面波導(dǎo)構(gòu)成 NXM個端口傳輸分配器件，可 以接收多個支路輸入并產(chǎn)生多個支路輸出，利用不同通道的置換，可用作合波器， 也可用作分波

12、器。具有集成化程度高的特點，但是對環(huán)境較為敏感。（3）光放大器光放大器可以作為前置放大器、線路放大器、功率放大器，是光纖通信中的 關(guān)鍵部件之一。目前使用的光放大器分為光纖放大器（OFA和半導(dǎo)體光放大器（SOA兩大類，光纖放大器又有摻餌光纖放大器（EDFA、摻錯光纖放大器（P DFA、摻鈮光纖放大器（NDFA。其中，摻餌光纖放大器（EDFA的性能優(yōu)越， 已經(jīng)在波分復(fù)用實驗系統(tǒng)、商用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)階段光放大器的主流。 對EDFA勺基本要求是高增益且在通帶內(nèi)增益平坦、高輸出、寬頻帶、低噪聲、 增益特性與偏振不相關(guān)等。半導(dǎo)體光放大器（SOA早期受噪聲、偏振相關(guān)性等 因素的影響，性能不達到實用要

13、求，后來在應(yīng)變量子阱材料的SOA研制成功后，再度引起人們的關(guān)注。SOA吉構(gòu)簡單、適于批量生產(chǎn)、成本低、壽命長、功耗小、 還能與其它配件一塊集成以及使用波長范圍可望覆蓋EDFA和PDFA勺應(yīng)用。（4）光監(jiān)控通道根據(jù)ITU-TG.692建議要求，DWD系統(tǒng)要利用EDFAT作頻帶以外的一個波 長對EDFA進行監(jiān)控和管理。目前在這個技術(shù)上的差異主要體現(xiàn)在光監(jiān)控通道（OSC波長選擇、監(jiān)控信號速率、監(jiān)控信號格式等方面。5. 網(wǎng)絡(luò)生存性WD系統(tǒng)技術(shù)保護概括起來可以分為兩大類，一類是基于線路的保護，一類 是基于設(shè)備的保護，下面對這兩種保護類型分別做些介紹。5.1基于線路的保護方案如果安光層和業(yè)務(wù)層來分的話，通

14、常WD系統(tǒng)的光層保護有光通道層保護和 光復(fù)用段層保護兩種方式。根據(jù)光纖中傳輸業(yè)務(wù)的方向，這兩種光層保護方式又 可分別進一步細分為“兩纖單向”保護和“兩纖雙向”保護。 3裸護方式適用用給層武琛護時象圉瓠時間臺盛設(shè)計運行維護光通道保護和點默必叢10 IDA略高光規(guī)用段帰護OADM環(huán)厠整牛光復(fù)用段50 ITK圖2兩種保護方式比較目前，國內(nèi)外各大主流電信設(shè)備廠商在基于 WD線路的保護方面大都采用光 纖線路自動倒換保護（Optical Line Auto switching Protection，OLP技術(shù)。OL我術(shù)基于光路物理路由備份工作，并具有在工作路由和備份路由之間進行自 動切換和光功率監(jiān)測功能。

15、 當(dāng)工作路由上的業(yè)務(wù)信號丟失或損耗變大導(dǎo)致通信不 能正常進行時，OL系統(tǒng)能夠進行實時檢測，發(fā)出告警信息，并能以毫秒級速度 將傳輸通道切換到備份路由上，使通信得以恢復(fù)，保證 WD系統(tǒng)的傳輸可靠性， 實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的自動保護。 4OL戰(zhàn)術(shù)可以分為1： I保護和1+1保護。1: 1保護采用的是雙向四纖保護方式， 在A B兩個端局的WD設(shè)備與線路光纜之間各放置一套 OLP1 1型保護模塊，在模 塊中內(nèi)嵌光檢測單元， 對線路光纜中傳遞的信號進行實時監(jiān)測。 當(dāng)工作路由上的 光信號丟失或強度低于設(shè)定的閾值時， 兩個端局能同時自動生成告警信號并自動 倒換到備用路由上， 當(dāng)光檢測單元檢測到工作路由線路情況恢復(fù)正常

16、后可選擇切 換回去或繼續(xù)利用備用路由工作。 1+1保護方式同樣是利用四纖來實現(xiàn)保護功能， 通過對信號進行并發(fā)選收來達到保護目的，在 A B兩個端局WD設(shè)備與線路光纜 之間各放置一套l+1型保護模塊（內(nèi)置l X 2光分路器或光開關(guān)），在發(fā)送端對合路 的光信號一分為二， 同時沿工作路由和備用路由向收端傳送， 接收端對主備兩路 光信號進行判斷，選擇接收，從而實現(xiàn)對光信號的自動保護。5.2基于WD設(shè)備的保護方案顧名思義，基于WD設(shè)備的保護方式主要是針對WD設(shè)備本身和所用板卡出現(xiàn) 故障而采取的一種保護方式。 各大主流通信設(shè)備廠商對此類保護方式也都進行了 深入研究，目前應(yīng)用的主要有0TU板內(nèi)1+1保護、O

17、T板間1+1保護、0Tu板卡l : N 保護以及客戶側(cè)保護技術(shù)等。OT板內(nèi)l+1保護就是OT板卡本身就具有雙發(fā)選收 的功能，OT從客戶端接入光信號，經(jīng)過整形、再生、重定時處理后，通過一個 分路器發(fā)送到工作通道和保護通道中。 經(jīng)過光纜傳輸后， 在接收端， 將工作通道 和保護通道中的光信號接收下來， 然后選擇一路光信號處理、 轉(zhuǎn)換后發(fā)送給客戶 側(cè)設(shè)備。OTL板內(nèi)l+1保護具體實現(xiàn)方式如圖3所示。祐 HJJifl j£i圖3 OTU板內(nèi)1+1保護具體實現(xiàn)0TU板間1+1保護則是采用了使用特殊保護板卡的方式。對于要保護的波長， 在發(fā)送端利用一塊保護單板將客戶端的業(yè)務(wù)分做兩路，分別送入主用和備

18、用OTU 在接收端利用另一塊保護單板將主用和備用 OTU勺業(yè)務(wù)送往客戶端。正常情況下， 主用通道上的業(yè)務(wù)會被接收，并進行處理，而備用通道的業(yè)務(wù)會被終止。此時在 接收端只有主用通道的信號輸出端有信號輸出， 備用通道的客戶側(cè)光發(fā)送模塊是 關(guān)閉的，無光輸出。當(dāng)檢測到工作通道的信號丟失時， 備用通道的信號會進行正 常處理，而主用通道的信號會被終結(jié)。此時接收端主用通道的客戶側(cè)光發(fā)送模塊 關(guān)閉，備用通道輸出信號。在系統(tǒng)中每個業(yè)務(wù)波長通道都可以選擇進行保護或不 進行保護，如果需要保護則需要 OTU勺數(shù)量加倍，且需要配置相應(yīng)數(shù)量的特殊保 護單板。OT板間1+1保護具體實現(xiàn)方式如圖4所示。和|1迪也OTUOTU

19、1 . _ .1一.丄=保忙板卡*1 . . 一*I朝掙圖4 OTU板間1+1保護具體實現(xiàn)伽OTI板卡1: N呆護方式主要是通過0TU勺備份對重要業(yè)務(wù)進行保護。具體實現(xiàn) 方式如圖5所示。例如在圖5中工作通道中波長為 I到8,保護通道中的波長是 9,在正常工作的時候，保護波長是不傳輸業(yè)務(wù)的。當(dāng)18波長通道中任意一個OT出現(xiàn)故障時，出現(xiàn)故障的業(yè)務(wù)就從故障 OT倒換到保護OTUh。發(fā)送端 利用光開關(guān)在此端將業(yè)務(wù)疏導(dǎo)到保護OT所在的保護通道 9上,并在接收端將此 波長的業(yè)務(wù)輸出到受保護的客戶端設(shè)備。當(dāng)同時有多塊 OT發(fā)生故障，系統(tǒng)可以 根據(jù)用戶設(shè)定的業(yè)務(wù)優(yōu)先級數(shù)據(jù)，確定保護哪一路業(yè)務(wù)，優(yōu)先保護級別最高

20、的業(yè) 務(wù)?？蛻魝?cè)保護方式主要是針對具有匯聚功能的 OT板卡采取的一種保護方式， 這種方式一般也需要配置特殊的保護單板。 保護單板可以分別對兩組光信號進行 分光和耦合處理。兩路客戶側(cè)業(yè)務(wù)光信號進入保護單板后，分別進行分路處理后 送入主用和備用OT單板，經(jīng)匯聚和波長轉(zhuǎn)換后分別送入線路傳輸，當(dāng)某一路客 戶側(cè)信號出現(xiàn)故障時，僅對此一路信號進行倒換，波分側(cè)不發(fā)生倒換。此時是將 主用OT單板此路客戶側(cè)信號的激光器關(guān)閉，將備用OTU單板此路客戶側(cè)信號的激 光器打開。其它正常的客戶側(cè)信號仍通過主用 OT單板進行傳輸?？蛻魝?cè)保護方 式相當(dāng)于OT板間1+1保護方式的一個子集，其特點是當(dāng)發(fā)生保護倒換時，可以只 將部

21、分客戶側(cè)業(yè)務(wù)倒換到備用OTI單板上，而不需將所有業(yè)務(wù)進行倒換。6. 波分技術(shù)的發(fā)展隨著傳輸技術(shù)的發(fā)展， 以 IP 業(yè)務(wù)為主對網(wǎng)絡(luò)的進一步優(yōu)化設(shè)計將是 IP ove r WDM 。IP over WDM 技術(shù)是將 WDM 技術(shù)和成熟的 IP 傳輸技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。 IP over WDM 就是讓 IP 數(shù)據(jù)包直接在光路上跑，減少網(wǎng)絡(luò)層之間的冗余部分。由 于省去了中間的 ATM 和 SDH 層，其傳輸效率最高，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)運行成本，同 時也降低了用戶的費用，是一種最直接、最經(jīng)濟的 IP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，非常適用 于城域網(wǎng)建設(shè)。從協(xié)議的角度來講，可以將這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分成 IP 業(yè)務(wù)層和光網(wǎng)絡(luò)層。 IP 業(yè)務(wù)層包括 IP 主干業(yè)務(wù)子層和 IP 適配子層，光網(wǎng)絡(luò)層包括：光網(wǎng)絡(luò)適配子層、 光復(fù)用子層和光傳輸子層。在 IP 業(yè)務(wù)層當(dāng)中，核心部分是 IP 主干業(yè)務(wù)子層，這 一層完成大部分 IPv4 或者 IPv6 的功能，包括數(shù)據(jù)打包、生成報頭、 IP 路由等。 而 IP 適配子層則進行 IP 數(shù)據(jù)包的差錯檢測、服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 控制等。在光網(wǎng)絡(luò) 層當(dāng)中，核心部分是光復(fù)用子層， 它將實現(xiàn)光復(fù)用協(xié)議所規(guī)定的功能， 對固定的 帶寬進行復(fù)用，同時還提供線路保護和故障定位等功能