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)及其技術難點曹煒煒，寧夏大學摘要DWDM技術是密集型光波復用技術的簡稱，是一項能有效提高帶寬的激光技術。本文將從DWDM系統(tǒng)內容、技術要點及發(fā)展前景三個方面進行介紹。關鍵詞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用（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）是能組合一組光波長用一根光纖進行傳送。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。這項技術的產(chǎn)生是對原先光釬數(shù)據(jù)傳輸技術的缺點的改進。原先光釬數(shù)據(jù)傳輸技術主要有兩種：空分復用（SDM）和時分復用（T

3、DM）?？辗謴陀茫⊿DM）是靠增加光纖數(shù)量的方式線性增加傳輸?shù)娜萘浚瑐鬏斣O備也線性增加。如果沒有足夠的光纖數(shù)量，通過重新敷設光纜來擴容，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)絡的建設，不可能總是采用敷設新光纖的方式來擴容，事實上，在工程之初也很難預測日益增長的業(yè)務需要和規(guī)劃應該敷設的光纖數(shù)。因此，空分復用的擴容方式十分受限；時分復用（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備和線路方面投入的成本，并且采用這種復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)保護策略的網(wǎng)絡中使用。

4、但時分復用的擴容方式有兩個缺陷：第一是影響業(yè)務，即在全盤升級至更高的速率等級時，網(wǎng)絡接口及其設備需要完全更換，所以在升級的過程中，不得不中斷正在運行的設備；第二是速率的升級缺乏靈活性，以SDH設備為例，當一個線路速率為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。不管是采用空分復用還是時分復用的擴容方式，基本的傳輸網(wǎng)絡均采用傳統(tǒng)的PDH或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)絡的擁

5、擠不堪而憂心忡忡，另一方面卻讓大量的網(wǎng)絡資源白白浪費。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(wǎng)絡的容量，而且還充分利用了光纖的帶寬資源，減少了網(wǎng)絡資源的浪費。技術特點DWDM能夠在同一根光纖中，把不同的波長同時進行組合和傳輸。為了保證有效，一根光纖轉換為多個虛擬光纖。所以，如果你打算復用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，單根光纖可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量最大達到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)按不同的光波長進行復用和解復用，而與信號的速率和電調制方式無關，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已有投資。在網(wǎng)絡擴充和發(fā)展中，無需對光纜線路進行改造，只需升級光發(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)務的方便手段。高度的組網(wǎng)經(jīng)濟性和可靠性。利用DWDM技術構成的新型通信網(wǎng)絡比

7、用傳統(tǒng)的電時分復用技術組成的網(wǎng)絡要大大簡化，而且網(wǎng)絡層次分明，各種業(yè)務的調度只需調整相應光信號的波長即可實現(xiàn)。由于網(wǎng)絡結構簡化、層次分明以及業(yè)務調度方便，由此而帶來網(wǎng)絡的經(jīng)濟性和可靠性是顯而易見的。可構成全光網(wǎng)絡。可以預見，在未來可望實現(xiàn)的全光網(wǎng)絡中，各種電信業(yè)務的上下、交叉連接等都是在光層上通過對光信號波長的改變和調整來實現(xiàn)的。因此，DWDM技術將是實現(xiàn)全光網(wǎng)的關鍵技術之一，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)絡的基礎上實現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光網(wǎng)絡。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）的復用稱為光波分復用（WDM），再把

8、在同一窗口中通道間隔較小的WDM稱為密集波分復用（DWDM）。隨著科技的進步，現(xiàn)代的技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)波長間隔為納米級的復用，甚至可以實現(xiàn)波長間隔為零點幾個納米級的復用，只是在器件的技術要求上更加嚴格而已，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用稱為粗波分復用（CWDM）。DWDM系統(tǒng)的構成：發(fā)送端的光發(fā)射機發(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)過光波分復用器復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)和客戶端設備之間是否有光波長轉換單元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)務量的需要逐步增加波長通道的數(shù)量來實現(xiàn)擴容，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?。單纖雙向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建議的光接口標準。DWDM系統(tǒng)采用波長轉換技術，將復用終端的光信號轉換成指定的波長，不同終端設備的光信號轉換成不同的符合ITU-TG.692建議的波長，然后進行合波。集成式DWDM。集成式DWDM系統(tǒng)不采用波長轉換技術，它要求復用終端光信號的波長符合DWDM系統(tǒng)的規(guī)范，不同的復用終端設備接入DWDM系統(tǒng)的不同波長通道，從而在復用器中完成合波。2技

12、術難點及發(fā)展前景2.1技術難點和現(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、偏振模色散和非線性效應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噪聲進行衡量，即通道內的信號功率與O.lmn內的噪聲功率的比值。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，因此接收機需要的OSNR比lOGbit/s大6dB。相應的，40Gbit/s接收機靈敏度也下降6dB，這表明40Gbit/s接收機對噪聲更為敏感，需要更高的OSNR。光纖色散效應。色散是光纖的基本屬性之一，光傳輸?shù)乃俾嗜Q于介質的折射率，由于光纖的折射率與波長相關，不同波長的光在光纖中傳播的速度不同，這就是色散效應。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)的調制過程也會使得光信號的波長展寬，調制信號的速率越高，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，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。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、調制碼型均有很大關系。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)的設計中，需要考慮通過一定的技術手段，來降低偏振模色散帶來的影響。PMD是隨機變化的，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進行靜態(tài)補償并不能起到很好的效果，需要自適應PMD補償機制來動態(tài)地對PMD進行補償。光纖非線性效應。波長系統(tǒng)中常見的非線性效應包括自相位調制（SPM）、交叉相位調制（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速率信號通道內非線性

16、效應更為明顯，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。2.2關鍵技術為了解決上面所列問題，也為了更好地滿足數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展的需要，與傳統(tǒng)10Gbit/s傳輸技術相比，40Gbit/s傳輸系統(tǒng)在諸多關鍵技術點上均有較大進步。調制碼型。針對40Gbit/sDWDM高速傳輸網(wǎng)絡，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三大類調制編碼技術。其中，OOK類編碼以改善光信號強度為主，PSK類編碼采用相位移動或復用方式，PM類編碼同時采用相位復用和偏振復用兩種方式。綜合考慮調制技術、成本和應用場景等多方面因素，ODB、DPSK和DQPSK是目前業(yè)內較為流行的40Gbit/s編碼技術。業(yè)務支持。40Gbit/sDWDM傳輸技術對于以太網(wǎng)業(yè)務和OTN業(yè)務的支持，已經(jīng)成為衡量40Gbit/s技術是否適應未來網(wǎng)絡發(fā)展的標準。主要包括兩個方面：一是40Gbit/s設備單板的多業(yè)務支持能力，二是40Gbit/s設備單板的客戶側接口能力。保護恢復。與lOGbit/s波分傳輸系統(tǒng)

18、類似，根據(jù)保護板的位置不同，40Gbit/s系統(tǒng)的保護方式可以分為光通道層1+1保護（OSNCP）、光復用段層1+1保護（OMSP）和光放段1+1保護（OLP）。網(wǎng)絡運維。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、非線性效應以及調制碼型的變化，對這種標準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)中引入其他技術手段，對OSNR進行監(jiān)測，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的準確性，常用的技術手段有：積分法、帶外測試法、帶內測試法。如下圖：積分法帶外測試法帶內測試法優(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而引發(fā)的噪聲頻譜改變的問題劣勢無法解決濾謖效應而帶來的噪聲頻譜改變