长距离大容量DWDM传输关键技术

江苏省邮电建设工程有限公司 朱洪俊

长距离大容量DWDM传输关键技术

江苏省邮电建设工程有限公司 朱洪俊

本文主要介绍了随着宽带网走入我们的生活，现已建成的SDH骨干网正承受巨大的负荷，在不久的将来，将必然难以满足日益增长的通信需求。为此只有建立起一套具有高带宽、大容量、低时延、拓扑结构灵活的传输系统才能够解决上述问题，这便引入了我们所研究的课题即长距离大容量DWDM传输系统。本篇论文主要介绍了DWDM传输系统的基本知识点和DWDM系统在传输过程中所运用到的关键技术介绍。通过本文的阐述旨在说明长距离大容量DWDM传输系统在现代宽带通信中的特点以及其能够在日常生产中被应用的可行性。

DWDM；长距离；大容量；传输；关键技术

1.DWDM概述

DWDM技术产生背景。随着语音业务的飞速增长和各种新业务的不断涌现，特别是IP技术的日新月异，网络容量必将会受到严重的挑战。传统的传输网络扩容方法采用空分多路复用（SDM）和时分多路复用（TDM）两种方式。

不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式，基本的传输网络均采用传统的PDH和SDH技术，即采用单一波长的光信号传输。这种传输方式是对光纤容量的一种极大的浪费，因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长信道来讲几乎是无限的。我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡，另一面却让大量网络资源的白浪费。

DWDM技术就是在这样的背景下应运而生的，它不仅大幅度地增加了网络的容量，而且还充分利用了光纤的带宽资源，减少了网络资源的浪费。

2.DWDM系统基本结构

DWDM设备一般按照用途可分为光终端复用器（OTM）、光线路放大器（OLA）、光分插复用器（OADM）和点中继器（REG）。下面以华为公司的波分320G设备为例讲述各种网络单元类型在网络中所起的作用。

（1）光终端复用器（OTM）

在发送方向，OTM把波长为λ1-λ6（或λ12）上网STM-16信号经合波器复用成DWDM主信道，然后对其进行光放大，并附加上波长为λ5的光监控信道。

图2-1 波分复用系统(Wave division multiplexing system)

在接受方向，TOM先把光监控信道取出，然后对DWDM主信道进行光放大，经分波器解复用成16（或32）波长的STM-16信号。

（2）光放大器（OLA）

每个传输方向的OLA先取出光监控信道（OSC）并进行处理，再将主信道进行放大，然后将主信道与光监控信道合路并送入光纤线路。

它每个方向都采用一对WPA+WBA的方式来进行光线路放大，也可用单一波长前置放大器（WPA）或波长功率放大器（WBA）的方式来进行单向的光线路放大。

（3）光分插复用器（OADM）

OADM设备接收线路的光信号后，光提取监控信道，再用WPA将主光通道预放大，通过MR2单元把含有16或32路STM-16的光信号与按波长取下一定数量后送出设备，要插入的波长经MR2单元直接插入主信道，在经功率放大后插入本地光监控信道。

3.DWDM传输关键技术

在这样的系统中，需要大量的光/电转换，在系统容量逐渐增加的情况下，成本迅速提高。为了降低网络建设和运营成本，新一代的骨干DWDM系统应运而生，它的一个重要特点就是长距离无电中继技术，即在1000km～3000km范围内的传输端之间不再增加电再生中继站，而是在业务上下的中间节点使用光分插复用器(OADM)，只对上下波长进行光/电转换，其余波长在光域直通。采用这种结构，可以大大减少光/电转换次数，节省了大量的光电转换模块(OTU)，并且使网络结构清晰，为日后在DWDM层面组网奠定基础。

3.1 光放大技术

目前比较引人注目的光纤喇曼放大器(RAMAN)，利用了光纤中的SRS效应，使信号与一个强泵浦波同时传输，并且其频率差位于泵浦波的喇曼增益谱宽之内，则此信号可被光纤放大。喇曼放大器的一个特性是有很宽的带宽，可以在任何波长处提供增益，只要能得到所需的泵浦波长，并且增益介质是光纤，可以制成分立式或分布式的放大器，另外一个显著优点是噪声低，可以满足在小信号放大时对OSNR的要求。但受激喇曼效应的泵浦阈值较高，实现喇曼放大器的关键是高功率泵浦，例如，泵浦波长为1450nm，要获得20dB的峰值增益，泵浦功率需要400mW(G.655光纤)或620mW(G.652光纤)。所以一般建议在超过2000km的超长距系统或单跨段距离超过100km时，为满足OSNR的要求，才使用喇曼放大器，当然为满足L波段放大的要求，也可以使用喇曼放大器，但一般长距系统应尽量避免使用。

3.2 色散控制技术

色散补偿光纤技术为了扩大光纤线路中继距离把其中存在的色散降低到最低程度，同时兼顾到插入损耗合理的技术措施，其中包括专用补偿光纤和光学元器件，输入端的光信号设计，使输出端的光信号足以保证系统性能，诸如跨距、速率、误码率等实现。

色散补偿对G.652光纤线路转入1550nm窗口和非零色散光纤线路都是必要的。在我国，前一种更为现实和必要。色散补偿光纤技术有采用由色散补偿光纤（DCF＝Dispersion Compensation Fiber）制成的圈插入光纤线路中，该光纤的色散带负号，与线路光纤符号相反，但消耗光功率，仍须进一步优化。另一种技术方法是用色散管理光纤，即DMF（＝Dispersion Managed Fiber）。这种光纤有带正、负色散区段，如同线路光纤延展敷设，不至于造成DCF那样无谓的光损失。还有技术方法诸如预啁啾和双模光纤补偿以及光谱反转等，啁啾类同于电路预失真，传入光脉冲的啁啾与线路光纤色散引起的啁啾相互抵消。双模光纤法基于运用高阶模在截止波长附近产生较大的波导色散（带负号）与线路光纤中带正号的单色散相抵消。

3.3 光合波与分波技术

光合波与光分波技术是为了充分利用光纤的带宽而必须不断充分利用光纤的波长资源，目前在我国大量采用的DWDM系统大多利用光纤的C波段即1528nm～1565nm约37nm的通带范围，若波长间隔为0.8nm约可容纳40波光信号，如须进一步增加传输容量必须扩大通带范围并同时减小光信号间的间隔，则必须研制更加高效的光放大器。

光合波技术和分波技术分别是通过光复用器和光分解器来完成。光复用器将不同波长的发送信号混合在一条单独的光纤上，而分解器则将混合信号分解为接收器的分支波长。

光复用器和光分解器在超高速、大容量波分复用系统中起着关键作用，其性能的优劣对系统的传输质量有决定性影响。DWDM系统对其要求是：①损耗及其偏差小；②信道间的串扰小；③低的偏差相关性。

3.4 信号调制与接收处理技术

近年来对信号调制格式的研究备受人们的关注，这是因为不同的线路码型抗光纤信道中噪声、色散、非线性影响的程度不同，选择合适的码型能够在不增加其他设施的条件下延长最大传输距离。研究表明传统的NRZ码型并非超长距离传输的理想码型，从抗噪声的角度来看DPSK码和RZ码要优于NRZ码，从抗色散影响的角度看RZ、RZ_DPSK、PSBT、多进制调制都优于NRZ码，从抗非线性影响的角度看CSRZ、DPSK要优于NRZ，从频谱效率的角度看VSB、PSBT和多进制调制也优于NRZ，在不同的系统条件下各种码型具有各自优势，也有自己的劣势，需要权衡考虑。目前多数40Gbit/s试验系统多采用CSRZ和RZ_DPSK，实验证实这些码型比NRZ码更适合于超长距离DWDM传输，当然新的调制码型也增加了调制器和接收机的成本和复杂度。

今后信号调制将向着频谱效率更高的多进制调制和编码调制方向发展，其中的关键是如何以低成本实现高可靠性的调制解调器，预计光电混合集成电路和光子晶体光纤是最为看好的技术。

3.5 节点技术

WDM光传送网中的节点分为光交叉连接（OXC）节点、光分插复用（OADM）节点和混合节点（同时具有OXC和OADM功能的节点）。

OXC节点的功能类似于SDH网络中的数字交叉连接设备（DXC），只不过是以光波信号为操作对象在光域上实现的，无需进行光／电转换和电信号处理。OXC在未来的全光通信网络中，起着十分重要的作用，当光缆中断或节点失效时，OXC能自动完成故障隔离、重选路由、重新配置网络节点等功能，当业务发展需要对网络结构进行调整时，OXC可以简单迅速地完成网络的调度和升级。

OADM节点的功能类似于SDH网络中的数字分插复用设备(ADM)，它可以直接以光波信号为操作对象，利用光波分复用技术在光域上实现波长信道的上下。

3.6 纠错编码技术

纠错编码是超长距离传输中有效增加系统余量的一项关键技术，它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的误码，以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输。例如标准的RS（255、239）编码方案具有5dB以上的编码增益而冗余度仅仅为7%，这等效于提高了1～2dB的OSNR，在不增加其他额外设施条件下进一步增加了传输距离。由于纠错编码只需要在收发端增加相应的编译码器，无需增加和改动线路设备，具有成本低、灵活便捷、效果明显的优势，所以备受青睐。

随着超长距离传输系统发展的要求，人们需要具有更强纠错能力的超强纠错编码。考虑到目前高速集成电路的复杂性和工艺水平问题，当前所采用的超强纠错编码多采用级联码方案，即编码由内码和外码两套不同的纠错码交织级联而成，以便更好地纠正多个连续错误，例如与标准RS(255、239)码相比，级联的RS(255、239)+RS(255、239)能多获得1.4dB的编码增益得到10-13的BER，而RS(255、239)+RS(255、223)可使增益增加到1.9dB。当高速集成电路技术更加成熟后，有望实现第三代纠错编码，即Turbo乘积码（TPC），它对码块的行和列分别进行编码，而且在译码过程中采用软判决和迭代译码技术，能进一步提高编码增益。有报道说，采用基于BCH的TPC（BCH（128、113、6）×BCH（256、239、6），码率为0.82）可以取得10.1dB的编码增益。

目前人们在FEC方面的主要工作是继续寻找简单高效的纠错编码方案，例如低密度极性校验码（LDPC）以及纠错编码方案的高速集成电路实现等等。

4.总结与展望

4.1 总结

光纤以其巨大的带宽资源成为骨干传输媒质的必然选择，而DWDM技术是在现有技术条件下充分利用光纤带宽资源的有效手段，由于不采用电再生中继，超长距离DWDM传输能降低系统成本并提高系统的可靠性，所以备受人们青睐。对此各国正纷纷展开有关研究和实验，我国也把超长距离DWDM传输列入国家863计划之中。截止到目前，超长距离DWDM传输已有了重大发展，实验报道的最大单纤传输容量达到10.92Tbit/s，传输距离300km，而一般容量为3-4Tbit/s的陆地传输距离可达4000km以上，而跨洋系统传输距离可达上10000km。我国在自己的努力下，也成功地实现了1.6Tbit/s3000km超长距离试验传输。

4.2 展望

随着超大容量DWDM系统在长途网中的大规模建设，用户接入及局域网的宽带化技术的普及，网络的瓶颈逐渐转移到了城域网。原先以承载话音为主的城域传输网络，已无法适应城域数据业务的快速增长。因此目前全世界大部分运营商的竞争重点正在从长途网转向城域网，建立高效经济的支持多业务的城域网已经成为各运营公司的共同目标。相信随着技术的进一步发展，如何科学地选择光纤类型、如何抑制光纤非线性效应对传输的发展会越来越明确，未来传输网的建设也会为我们的生活带来更多的方便与快捷。

[1]杨柳.DWDM技术应用分析[J].湖北邮电技术,2003(3).

[2]李春生.光纤喇曼放大器[J].光通讯,2004(9).

[3]王江平.光纤通信(第五版)[M].电子工业出版社,2005.

[4]金明晔,张智江,陆斌.DWDM技术原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

[5]何一心.光传输网络技术—SDH与DWDM[M].北京:电子工业出版社,2008.

[6]卡塔洛颇罗斯.密集波分复用技术导论[M].人民邮电出版社,2007.

[7]L·G·卡佐夫斯基.光纤通信系统[M].人民邮电出版社,1999.

[8]孙强,周虚.光纤通信系统及其应用[M].北方交通大学出版社,2000.

[9]李立高.通信光缆工程[M].人民邮电出版社,2009.

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—），江苏溧阳人，大学本科，主要研究方向：移动通信网络、传输网。