淺談DWDM系統(tǒng)及其發(fā)展前景

1、第第 頁共6頁淺談DWDM系統(tǒng)及其技術(shù)難點曹煒煒，寧夏大學(xué)摘要DWDM技術(shù)是密集型光波復(fù)用技術(shù)的簡稱，是一項能有效提高帶寬的激光技術(shù)。本文將從DWDM系統(tǒng)內(nèi)容、技術(shù)要點及發(fā)展前景三個方面進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞DWDMSDMTDM單纖單向單纖雙向開放式集成式DWDMSystemandItsTechnicalDifficultiesCaoWeiwei,NingxiaUniversityAbstractDWDMisashorttitleofDenseWavelengthDivisionMultiplexing.Itisaneffectivelasertechnologytoimprovebandwidth

2、.ThispaperwillintroduceDWDMsystemfromthecontent,technologyandprospects.KeywordsDWDMSDMTDMOne-waysingle-fiberBidirectionalOpenIntegrated1DWDM系統(tǒng)介紹歷史背景密集型光波復(fù)用（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）是能組合一組光波長用一根光纖進(jìn)行傳送。這是一項用來在現(xiàn)有的光纖骨干網(wǎng)上提高帶寬的激光技術(shù)。這項技術(shù)的產(chǎn)生是對原先光釬數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的缺點的改進(jìn)。原先光釬數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有兩種：空分復(fù)用（SDM）和時分復(fù)用（T

3、DM）?？辗謴?fù)用（SDM）是靠增加光纖數(shù)量的方式線性增加傳輸?shù)娜萘?，傳輸設(shè)備也線性增加。如果沒有足夠的光纖數(shù)量，通過重新敷設(shè)光纜來擴(kuò)容，工程費用將會成倍增長。而且，這種方式并沒有充分利用光纖的傳輸帶寬，造成光纖帶寬資源的浪費。作為通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，不可能總是采用敷設(shè)新光纖的方式來擴(kuò)容，事實上，在工程之初也很難預(yù)測日益增長的業(yè)務(wù)需要和規(guī)劃應(yīng)該敷設(shè)的光纖數(shù)。因此，空分復(fù)用的擴(kuò)容方式十分受限；時分復(fù)用（TDM）可以成倍地提高光傳輸信息的容量，極大地降低了每條電路在設(shè)備和線路方面投入的成本，并且采用這種復(fù)用方式可以很容易地在數(shù)據(jù)流中插入和抽取某些特定的字節(jié)，尤其適合在需要采取自愈環(huán)保護(hù)策略的網(wǎng)絡(luò)中使用。

4、但時分復(fù)用的擴(kuò)容方式有兩個缺陷：第一是影響業(yè)務(wù)，即在全盤升級至更高的速率等級時，網(wǎng)絡(luò)接口及其設(shè)備需要完全更換，所以在升級的過程中，不得不中斷正在運行的設(shè)備；第二是速率的升級缺乏靈活性，以SDH設(shè)備為例，當(dāng)一個線路速率為155Mbit/s的系統(tǒng)被要求提供兩個155Mbit/s的通道時，就只有將系統(tǒng)升級到622Mbit/s，即使有兩個155Mbit/s將被閑置。不管是采用空分復(fù)用還是時分復(fù)用的擴(kuò)容方式，基本的傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用傳統(tǒng)的PDH或SDH技術(shù)，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浪費，因為光纖的帶寬相對于目前我們利用的單波長通道來講幾乎是無限的。我們一方面在為網(wǎng)絡(luò)的擁

5、擠不堪而憂心忡忡，另一方面卻讓大量的網(wǎng)絡(luò)資源白白浪費。DWDM技術(shù)就是在這樣的背景下應(yīng)運而生的，它不僅大幅度地增加了網(wǎng)絡(luò)的容量，而且還充分利用了光纖的帶寬資源，減少了網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。技術(shù)特點DWDM能夠在同一根光纖中，把不同的波長同時進(jìn)行組合和傳輸。為了保證有效，一根光纖轉(zhuǎn)換為多個虛擬光纖。所以，如果你打算復(fù)用8個光纖載波（OC），即一根光纖中傳輸48路信號，這樣傳輸容量就將從2.5Gb/s提高到20Gb/s。目前，由于采用了DWDM技術(shù)，單根光纖可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量最大達(dá)到400Gb/s。隨著廠商在每根光纖中加入更多信道，每秒兆兆位的傳輸速度指日可待。DWDM技術(shù)主要有以下幾個特點：超大容量。

6、目前使用的普通光纖可傳輸?shù)膸捠呛軐挼模淅寐蔬€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，因此也節(jié)省了光纖資源。數(shù)據(jù)透明傳輸。由于DWDM系統(tǒng)按不同的光波長進(jìn)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。因此可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信號的綜合和分離，包括數(shù)字信號和模擬信號的綜合和分離。系統(tǒng)升級時能最大限度地保護(hù)已有投資。在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中，無需對光纜線路進(jìn)行改造，只需升級光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)即可實現(xiàn)，是理想的擴(kuò)容手段，也是引入寬帶業(yè)務(wù)的方便手段。高度的組網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性。利用DWDM技術(shù)構(gòu)成的新型通信網(wǎng)絡(luò)比

7、用傳統(tǒng)的電時分復(fù)用技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)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)調(diào)度方便，由此而帶來網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性是顯而易見的?？蓸?gòu)成全光網(wǎng)絡(luò)?？梢灶A(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層上通過對光信號波長的改變和調(diào)整來實現(xiàn)的。因此，DWDM技術(shù)將是實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且DWDM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DWDM網(wǎng)絡(luò)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)。DWDM原理及功能人們通常把光通道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復(fù)用稱為光波分復(fù)用（WDM），再把

8、在同一窗口中通道間隔較小的WDM稱為密集波分復(fù)用（DWDM）。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長間隔為納米級的復(fù)用，甚至可以實現(xiàn)波長間隔為零點幾個納米級的復(fù)用，只是在器件的技術(shù)要求上更加嚴(yán)格而已，因此把波長間隔較小的8個波、16個波、32乃至更多個波長的復(fù)用稱為粗波分復(fù)用（CWDM）。DWDM系統(tǒng)的構(gòu)成：發(fā)送端的光發(fā)射機(jī)發(fā)出波長不同而精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的多路光信號，經(jīng)過光波分復(fù)用器復(fù)用在一起送入摻鉺光纖功率放大器（摻鉺光纖功率放大器主要用來補償波分復(fù)用器引起的功率損失，提高光信號的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據(jù)實際情況選用光線路放大器，到達(dá)接收端經(jīng)光

9、前置放大器（主要用于提高接收靈敏度）放大以后，送入光波分解復(fù)用器分解出原來的各路光信號。DWDM系統(tǒng)除上述的功能以外，還有以下幾個主要功能：DWDM系統(tǒng)的光監(jiān)控信道（OSC）；光纖放大器；DWDM系統(tǒng)的OADM、OXC功能。DWDM系統(tǒng)的分類DWDM系統(tǒng)按一根光纖中傳輸?shù)墓馔ǖ朗菃蜗虻倪€是雙向的可以分成單纖單向和單纖雙向兩種，按DWDM系統(tǒng)和客戶端設(shè)備之間是否有光波長轉(zhuǎn)換單元OTU分成開放式和集成式兩種。單纖單向DWDM。單纖單向DWDM一根光纖只完成一個方向光信號的傳輸，反向光信號的傳輸由另一根光纖來完成。因此，同一波長在兩個方向上可以重復(fù)利用。這種DWDM系統(tǒng)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源

10、，使一根光纖的傳輸容量擴(kuò)大幾十倍、幾百倍直至上千倍。在長途網(wǎng)中，可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)量的需要逐步增加波長通道的數(shù)量來實現(xiàn)擴(kuò)容，十分靈活。在不清楚實際光纜色散的前提下，也是一種暫時避免采用超高速TDM系統(tǒng)而利用多個2.5Gbit/s系統(tǒng)實現(xiàn)超大容量傳輸?shù)氖侄巍卫w雙向DWDM。單纖雙向DWDM是在一根光纖中實現(xiàn)兩個方向光信號的同時傳輸，兩個方向光信號應(yīng)安排在不同波長上。單纖雙向傳輸允許單根光纖攜帶全雙工通道，通?？梢员葐蜗騻鬏敼?jié)約一半的光纖器件。由于兩個方向傳輸?shù)男盘柌唤换ギa(chǎn)生FWM（四波混頻）產(chǎn)物，因此其總的FWM產(chǎn)物比單纖單向傳輸少很多。缺點是該系統(tǒng)需要采用特殊的措施來對付光反射（包括由于光接頭

11、引起的離散反射和光纖本身的瑞利散射），以防多徑干擾；當(dāng)需要將光信號放大以延長傳輸距離時，必須采用雙向光纖放大器，但其噪聲系數(shù)稍差。開放式DWDM。開放式DWDM系統(tǒng)的特點是對復(fù)用終端光接口沒有特別的要求，只要這些接口符合ITU-TG.957/G.691建議的光接口標(biāo)準(zhǔn)。DWDM系統(tǒng)采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，將復(fù)用終端的光信號轉(zhuǎn)換成指定的波長，不同終端設(shè)備的光信號轉(zhuǎn)換成不同的符合ITU-TG.692建議的波長，然后進(jìn)行合波。集成式DWDM。集成式DWDM系統(tǒng)不采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，它要求復(fù)用終端光信號的波長符合DWDM系統(tǒng)的規(guī)范，不同的復(fù)用終端設(shè)備接入DWDM系統(tǒng)的不同波長通道，從而在復(fù)用器中完成合波。2技

12、術(shù)難點及發(fā)展前景2.1技術(shù)難點和現(xiàn)網(wǎng)普遍部署的10Gbit/s系統(tǒng)相比，40Gbit/s系統(tǒng)在噪聲累計、色散效應(yīng)、偏振模色散和非線性效應(yīng)等方面面臨很大的挑戰(zhàn)。ASE噪聲積累。在光纖傳輸系統(tǒng)中，光放大器產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲是限制傳輸系統(tǒng)性能的主要因素。在波分系統(tǒng)中，一般通過ONSR來對ASE噪聲進(jìn)行衡量，即通道內(nèi)的信號功率與O.lmn內(nèi)的噪聲功率的比值。在工程中，對一個40Gbit/s波分系統(tǒng)傳輸性能進(jìn)行評估時，往往優(yōu)先考慮OSNR代價，而不是以往的通道功率代價。系統(tǒng)的OSNR設(shè)計一般從兩個方面考慮：提供系統(tǒng)接收端OSNR和提供系統(tǒng)的OSNR容限。兩者之差就是系統(tǒng)的OSNR裕量。40

13、Gbit/s傳輸系統(tǒng)的信號帶寬是lOGbit/s系統(tǒng)的4倍，因此接收機(jī)覆蓋的帶寬高4倍，所接收的噪聲也比10G高4倍，因此接收機(jī)需要的OSNR比lOGbit/s大6dB。相應(yīng)的，40Gbit/s接收機(jī)靈敏度也下降6dB，這表明40Gbit/s接收機(jī)對噪聲更為敏感，需要更高的OSNR。光纖色散效應(yīng)。色散是光纖的基本屬性之一，光傳輸?shù)乃俾嗜Q于介質(zhì)的折射率，由于光纖的折射率與波長相關(guān)，不同波長的光在光纖中傳播的速度不同，這就是色散效應(yīng)。單色光不會產(chǎn)生色散，但是在光纖通信中，即便用單色光作為光源，數(shù)據(jù)的調(diào)制過程也會使得光信號的波長展寬，調(diào)制信號的速率越高，展寬越大。每個光脈沖都包含著不同的波長成分，

14、由于色散效應(yīng)，該光脈沖在傳播的過程中會變形、展寬和失真，最終限制了系統(tǒng)的總體性能。脈沖越短、波長越寬和光纖越長都會線性地增加色散，比特率的增加會自然地縮短脈沖、增加帶寬，因此，色散會非線性地增加。當(dāng)傳輸系統(tǒng)從lOGbit/s速率向40Gbit/s速率演化時，由于比特率增加4倍，其色散值也相應(yīng)地增加16倍。偏振模色散。偏振模色散（PMD）源于光纖的雙折射，使信號的不同偏振態(tài)分量產(chǎn)生離散效應(yīng)。工程上通常使用差分群時延（DGD）來衡量傳輸系統(tǒng)的偏振模色散。DGD容限與信號傳輸速率、調(diào)制碼型均有很大關(guān)系。在40Gbit/s傳輸系統(tǒng)中，其DGD容限很小，例如40Gbit/sNRZ-DPSK和DQPSK兩

15、種碼型的系統(tǒng)DGD容限只有8ps和18ps。因此，在實際傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中，需要考慮通過一定的技術(shù)手段，來降低偏振模色散帶來的影響。PMD是隨機(jī)變化的，表現(xiàn)為麥克斯韋分布，因此常用平均DGD來表征PMD。在實際系統(tǒng)中對平均DGD進(jìn)行靜態(tài)補償并不能起到很好的效果，需要自適應(yīng)PMD補償機(jī)制來動態(tài)地對PMD進(jìn)行補償。光纖非線性效應(yīng)。波長系統(tǒng)中常見的非線性效應(yīng)包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）、受激喇曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）。4OGbit/s波分系統(tǒng)和1OGbit/s系統(tǒng)一樣，也會受到SPM、XPM和FWM的影響，但40Gbit/s速率信號通道內(nèi)非線性

16、效應(yīng)更為明顯，由于40Gbit/s系統(tǒng)比特周期較短，由色散引起的脈沖快速展寬很容易造成相鄰脈沖間的重疊，相鄰比特脈沖之間的相互作用會引起非線性。大量研究實驗表明，通道內(nèi)非線性是限制40Gbit/s甚至速率更高傳輸系統(tǒng)的主要非線性效應(yīng)。2.2關(guān)鍵技術(shù)為了解決上面所列問題，也為了更好地滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，與傳統(tǒng)10Gbit/s傳輸技術(shù)相比，40Gbit/s傳輸系統(tǒng)在諸多關(guān)鍵技術(shù)點上均有較大進(jìn)步。調(diào)制碼型。針對40Gbit/sDWDM高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，對于碼型的要求主要包括：抵抗40Gbit/s高速信號在線路上的衰減；高PMD容忍度；與10G業(yè)務(wù)的兼容性；50GHz的頻譜密度；實現(xiàn)簡單、成本低、功耗

17、??；針對這些要求，業(yè)界先后提出了OOK、PSK、PM三大類調(diào)制編碼技術(shù)。其中，OOK類編碼以改善光信號強(qiáng)度為主，PSK類編碼采用相位移動或復(fù)用方式，PM類編碼同時采用相位復(fù)用和偏振復(fù)用兩種方式。綜合考慮調(diào)制技術(shù)、成本和應(yīng)用場景等多方面因素，ODB、DPSK和DQPSK是目前業(yè)內(nèi)較為流行的40Gbit/s編碼技術(shù)。業(yè)務(wù)支持。40Gbit/sDWDM傳輸技術(shù)對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和OTN業(yè)務(wù)的支持，已經(jīng)成為衡量40Gbit/s技術(shù)是否適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。主要包括兩個方面：一是40Gbit/s設(shè)備單板的多業(yè)務(wù)支持能力，二是40Gbit/s設(shè)備單板的客戶側(cè)接口能力。保護(hù)恢復(fù)。與lOGbit/s波分傳輸系統(tǒng)

18、類似，根據(jù)保護(hù)板的位置不同，40Gbit/s系統(tǒng)的保護(hù)方式可以分為光通道層1+1保護(hù)（OSNCP）、光復(fù)用段層1+1保護(hù)（OMSP）和光放段1+1保護(hù)（OLP）。網(wǎng)絡(luò)運維。在40Gbit/s傳輸系統(tǒng)中，40Gbit/s高速信號所產(chǎn)生的一系列色散效應(yīng)、非線性效應(yīng)以及調(diào)制碼型的變化，對這種標(biāo)準(zhǔn)OSNR測試方法帶來多方面的影響，主要包括：信號頻譜的展寬信號光譜的重疊噪聲頻譜的破壞為了解決以上問題，必須在40G系統(tǒng)中引入其他技術(shù)手段，對OSNR進(jìn)行監(jiān)測，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，常用的技術(shù)手段有：積分法、帶外測試法、帶內(nèi)測試法。如下圖：積分法帶外測試法帶內(nèi)測試法優(yōu)勢有效解決頻譜展寬和頻譜重疊的問題不僅解決頻譜展寬和頻譜重疊的問題，還可以解決濾波效應(yīng)而引發(fā)的噪聲頻譜改變的問題不僅解決頻譜展寬和頻譜重疊的問題,還可以解決濾波效應(yīng)而引發(fā)的噪聲頻譜改變的問題劣勢無法解決濾謖效應(yīng)而帶來的噪聲頻譜改變