波分技术学生论文.doc

摘要随着光传输网络不断的完善和发展，波分复用（WDM）技术已经成为光传送网的主流技术，在光通信系统中得到广泛的应用于长途干线和骨干网络，较好的解决了当前的带宽需求。介绍了光互技术的研究热点 ,讨论了波分复用技术WDM和光互连计算机的体系结构 ,阐述了并行光互连处理技术的部分成果 ,并对光互连技术发展中存在的问题和发展方向进行了讨，由于极细的光纤中就含有大量的业务带宽源，因此，采用波分复用技术(WDM)的光网技术成为了下一代高速骨干的最佳选择。 关键词：波分复用；密集波分；无源光网络；光纤通信Abstract:With the optical transmission network of continuous improvement and development of wavelength division multiplexing (WDM) optical transport network technology has become the mainstream technology in optical communication systems are widely used in long haul and backbone network,a better solution the current bandwidth requirements. The paper introduces the focus of optical interconnection research, furthermore discusses WDM technology and architecture of the optical interconnected computer. Therefore the optical network with WDM 3, 4 technologybecame the best brilliant choice for the next generation high-speed backbone since thereis a huge amount of bandwidth source for traffic within a very slim fiber. The Application of the WDM(Wavelength Division Multiplexing) in the Power Systemsdense wavelength division multiplexing technology(DWDM) . Keywords: WDM; DWDM; PON; FIBER-OPTIC COMMUNICATIONS目录摘要IAbstract前言2第一章 波分复用31.1 波分复用技术31.1.1 波分复用的概念31.1.2光波分41.1.3光波分复用技术41.1.4 波分复用分类及区别51.1.5 波分复用技术特点51.2 波分复用的关键技术和设备61.2.1 波分复用的关键设备61.2.2 波分复用的关键技术71.3 波分复用技术保护方案81.3.1 波分复用基于线路保护方案81.3.2 基于WDM设备的保护方案9第二章 波分技术的发展112.1 波分技术的发展112.1.1 世界波分技术的发展112.1.2 中国波分技术的发展12第三章 波分技术的应用133.1波分技术的应用领域133.1.1 WDM的现有技术水平133.1.2 国内WDM技术的应用水平143.2 DWDM的发展143.2.1 DWDM的应用143.2.2 DWDM的技术优势15第四章 波分技术的未来趋势154.1 波分技术的前沿趋势154.1.1 100G波分技术154.1.2 100G波分技术码型调制164.1.3 相干接收和DSP技术174.1.4 FEC技术194.2 DWDM技术204.2.1 DWDM的发展趋势204.2.2 DWDM技术问题214.3 密集波分复用技术在城域网的应用224.3.1 DWDM在城域网的应用224.3.2 DWDM在城域网的IP业务传输方式224.3.3 城域网中DWDM的应用特点234.4 波分复用无源光网络核心技术分析244.4.1 WDM与无线光网络244.4.2 OLT光源选择254.4.3 光分路器的选择254.4.4 ONU光源选择26第五章 WDM系统的发展趋势285.1 WDM系统的发展趋势28结论29参考文献30致谢30前言目前，光纤通信己成为现代通信网的基本组成部分，承载着通信骨干网络的主要传输任务。随着通信新业务的发展，语音、图像、数据等信息量成爆炸式增长，对通信网带宽要求十分迫切。现有的通信网已经难以满足要求，扩大通信容量成为当务之急。波分复用(WDM)技术的基本原理是在一芯光纤中同时传输多个不同光波波长信道的技术，应用此技术可以使不同波长的信道成倍、十倍、百倍地增长。通常以吉赫兹或纳米这两种计量单位来表示任何两个信道的波长问隔，如200GHz或1.6nm，100GHz或0.8nm等。当波长的间隔小于等于1OOGHz或0.8nm时，WDM就被称为密集波分复用(DWDM)技术。使用WDM技术就可以在原有传输速率的基础上，成倍地扩大光纤的传输能力，对通信网络进行容量的扩展。WDM技术可以在不需要敷设新光缆的条件下，大大增加单芯光纤的传输容量，冈而大大节约投资，具有巨大的经济效益。WDM通信网是一个协议透明、格式透明的网络，可以不断地将现有的电网络迭加到光网络上。WDM网络可以根据需要随时升级扩容，以满足未来新业务的需求。WDM系统主要南光合波器、光分波器和掺铒光纤放大器(EDFA)组成。其中EDFA的作用是由比信号波长低的高能量光泵浦源将能量辐射进一段掺铒光纤中，当载有净负荷的光波通过此段光纤一起传播时，完成光能量的转移，使在15301565nm波长范围内各个光波承载的净负荷信号全都得到放大，弥补了光纤线路的能量损失。这样，当用EDFA代替传统的光通信链路中的中继段设备时，就能以最少的费用直接通过增加波长数增大传输容量，使整个光通信系统的结构和设计都大大简化，并便于施工维护。WDM系统的发送端是将多个终端光发射机的光信号复用在一根光纤中进行传输，在接收端将光信号解复用，并由多个终端光接收机来接收。因此，WDM系统是构建于单信道系统之上的。WDM系统的每个信道的性能都应与相应的单信道系统要求一致。如使用WDM系统承载SDH系统，则每个信道都应符合G.957光接口标准的要求。1第一章 波分复用1.1 波分复用技术1.1. 1 波分复用的概念波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。使用WDM技术就可以在原有传输速率的基础上，成倍地扩大光纤的传输能力，对通信网络进行容量的扩展。图1是一个波分复用系统及其频谱的示意图。图1 波分复用系统及其频谱的示意图1.1. 2 光波分在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息，称为光波分复用技术2，简称WDM。光波分复用包括频分复用和波分复用。光频分复用（frequency-division multiplexing,FDM）技术和光波分复用（WDM）技术无明显区别，因为光波是电磁波的一部分，光的频率与波长具有单一对应关系。通常也可以这样理解，光频分复用指光频率的细分,光信道非常密集。光波分复用指光频率的粗分，光信道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口。波分复用技术的应用1.1. 3 光波分复用技术光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器（也称合波/分波器）分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。通常，由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长11,l2通过同一光纤传送时，在与分波器中输入端l2的功率与11输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。1.14 波分复用分类及区别通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。CWDM和DWDM的区别主要有二点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。31.1. 5 波分复用技术的特点光纤的容量是极其巨大的，而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。为了充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以密集WDM(DWDM)技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。WDM技术具有如下特点：1、 超大容量目前使用的普通光纤可传输的带宽是很宽的，但其利用率还很低。使用DWDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍。现在商用最高容量光纤传输系统为16Tbit/s系统，朗讯和北电网络两公司提供的该类产品都采用160 X 10Gbit/s方案结构。2、 对数据的“透明”传输由于DWDM系统按光波长的不同进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。一个WDM系统的业务可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样。3、 系统升级时能最大限度地保护已有投资在网络扩充和发展中，无需对光缆线路进行改造，只需更换光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务(例如CATV、HDTV和BISDN等)的方便手段，而且利用增加一个波长即可引入任意想要的新业务或新容量。4、 高度的组网灵活性、经济性和可靠性利用WDM技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络结构要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便，由此而带来的网络的灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。5、 可兼容全光交换可以预见，在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上下、交叉连接等都是在光上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此，WDM技术将是实现全光网的关键技术之一，而且WDM系统能与未来的全光网兼容，将来可能会在已经建成的WDM系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络4。不言而喻，WDM技术是克服电路限制、扩大通信带宽以及在光纤通信网络中实现光波长路由和信道重复使用的关键技术，是有效利用光纤带宽资源的重要手段。现在主要介绍密集波分技术。1.2 波分复用的关键技术和设备1.2. 1 波分复用的关键设备实现光波分复用和传输的设备种类很多，各个功能模块都有多种实现方法，具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。总体上看，在DWDM系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。1、光发送/接收器光发送/接收器主要产生和接收光信号。主要要求具有较高的波长精度控制技术和较为精确的输出功率控制技术。两种技术都有两种实现方法。常用控制波长的方式包括：温度控制，使激光器工作在恒定的温度条件下来达到控制精度的要求；波长反馈技术，采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长，并通过激光器控制电路对输出波长进行精确控制。2、波分复用器波分复用器（OMD）包括合波器和分波器。光合波器用于传输系统发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一个输出端口输出。光分波器用于传输系统接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，它将多个不同波长的光信号分离开来。光合波器一般有耦合器型、介质膜滤波器型和集成光波导型等种类。光分波器主要有介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型等种类。其中，集成光波导技术使用最为广泛，它利用光平面波导构成NM个端口传输分配器件，可以接收多个支路输入并产生多个支路输出，利用不同通道的置换，可用作合波器，也可用作分波器。具有集成化程度高的特点，但是对环境较为敏感。3、光放大器光放大器5可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。目前使用的光放大器分为光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类，光纤放大器又有掺饵光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。其中，掺饵光纤放大器（EDFA）的性能优越，已经在波分复用实验系统、商用系统中广泛应用，成为现阶段光放大器的主流。对EDFA的基本要求是高增益且在通带内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关等。半导体光放大器（SOA）早期受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能不达到实用要求，后来在应变量子阱材料的SOA研制成功后，再度引起人们的关注。SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小、还能与其它配件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用。1.2. 2 波分复用的关键技术1、光监控通道根据ITU-TG.692建议要求，DWDM系统要利用EDFA工作频带以外的一个波长对EDFA进行监控和管理。目前在这个技术上的差异主要体现在光监控通道（OSC）波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。2、网络生存性WDM系统技术保护概括起来可以分为两大类，一类是基于线路的保护，一类是基于设备的保护。1.3 波分复用技术保护方案1.31 波分复用基于线路的保护方案如果安光层和业务层来分的话，通常WDM系统的光层保护有光通道层保护和光复用段层保护两种方式。根据光纤中传输业务的方向，这两种光层保护方式又可分别进一步细分为“两纤单向”保护和“两纤双向”保护。3图2 两种保护方式比较目前，国内外各大主流电信设备厂商在基于WDM线路的保护方面大都采用光纤线路自动倒换保护(Optical Line Autoswitching Protection，OLP)技术。OLP技术基于光路物理路由备份工作，并具有在工作路由和备份路由之间进行自动切换和光功率监测功能。当工作路由上的业务信号丢失或损耗变大导致通信不能正常进行时，OLP系统能够进行实时检测，发出告警信息，并能以毫秒级速度将传输通道切换到备份路由上，使通信得以恢复，保证WDM系统的传输可靠性，实现传输系统的自动保护。4OLP技术可以分为1：l保护和l+1保护。1：1保护采用的是双向四纤保护方式，在A、B两个端局的WDM设备与线路光缆之间各放置一套OLP1：1型保护模块，在模块中内嵌光检测单元，对线路光缆中传递的信号进行实时监测。当工作路由上的光信号丢失或强度低于设定的阈值时，两个端局能同时自动生成告警信号并自动倒换到备用路由上，当光检测单元检测到工作路由线路情况恢复正常后可选择切换回去或继续利用备用路由工作。1+1保护方式同样是利用四纤来实现保护功能，通过对信号进行并发选收来达到保护目的，在A、B两个端局WDM设备与线路光缆之间各放置一套l+1型保护模块(内置l X 2光分路器或光开关)，在发送端对合路的光信号一分为二，同时沿工作路由和备用路由向收端传送，接收端对主备两路光信号进行判断，选择接收，从而实现对光信号的自动保护。1.3. 2 基于WDM设备的保护方案顾名思义，基于WDM设备的保护方式主要是针对WDM设备本身和所用板卡出现故障而采取的一种保护方式。各大主流通信设备厂商对此类保护方式也都进行了深入研究，目前应用的主要有0TU板内1+1保护、OTU板间1+1保护、0Tu板卡l：N保护以及客户侧保护技术等。OTU板内l+1保护就是OTU板卡本身就具有双发选收的功能，OTU从客户端接入光信号，经过整形、再生、重定时处理后，通过一个分路器发送到工作通道和保护通道中。经过光缆传输后，在接收端，将工作通道和保护通道中的光信号接收下来，然后选择一路光信号处理、转换后发送给客户侧设备。0TU板内l+1保护具体实现方式如图3所示。图3 0TU板内l+1保护具体实现0TU板间1+1保护则是采用了使用特殊保护板卡的方式。对于要保护的波长，在发送端利用一块保护单板将客户端的业务分做两路，分别送入主用和备用OTU，在接收端利用另一块保护单板将主用和备用OTU的业务送往客户端。正常情况下，主用通道上的业务会被接收，并进行处理，而备用通道的业务会被终止。此时在接收端只有主用通道的信号输出端有信号输出，备用通道的客户侧光发送模块是关闭的，无光输出。当检测到工作通道的信号丢失时，备用通道的信号会进行正常处理，而主用通道的信号会被终结。此时接收端主用通道的客户侧光发送模块关闭，备用通道输出信号。在系统中每个业务波长通道都可以选择进行保护或不进行保护，如果需要保护则需要OTU的数量加倍，且需要配置相应数量的特殊保护单板。OTU板间1+l保护具体实现方式如图4所示。图4 OTU板间1+l保护具体实现图5 1:8 OUT保护0TU板卡1：N保护方式主要是通过0TU的备份对重要业务进行保护。具体实现方式如图5所示。例如在图5中工作通道中波长为l到8，保护通道中的波长是9，在正常工作的时候，保护波长是不传输业务的。当18波长通道中任意一个OTU出现故障时，出现故障的业务就从故障OTU倒换到保护0TU上。发送端利用光开关在此端将业务疏导到保护OTU所在的保护通道9上，并在接收端将此波长的业务输出到受保护的客户端设备。当同时有多块OTU发生故障，系统可以根据用户设定的业务优先级数据，确定保护哪一路业务，优先保护级别最高的业务。客户侧保护方式主要是针对具有汇聚功能的OTU板卡采取的一种保护方式，这种方式一般也需要配置特殊的保护单板。保护单板可以分别对两组光信号进行分光和耦合处理。两路客户侧业务光信号进入保护单板后，分别进行分路处理后送入主用和备用OTU单板，经汇聚和波长转换后分别送入线路传输，当某一路客户侧信号出现故障时，仅对此一路信号进行倒换，波分侧不发生倒换。此时是将主用OTU单板此路客户侧信号的激光器关闭，将备用0TU单板此路客户侧信号的激光器打开。其它正常的客户侧信号仍通过主用OTU单板进行传输。客户侧保护方式相当于OTU板间1+1保护方式的一个子集，其特点是当发生保护倒换时，可以只将部分客户侧业务倒换到备用OTU单板上，而不需将所有业务进行倒换。第二章 波分技术的发展21 波分技术的发展2.1. 1 世界波分技术的发展世界的波分技术的发展起步比较慢，但其技术较其他技术相比波分技术具有前瞻性、新颖性、适用性、广泛性。目前波分技术正处于发展的状态，技术还没有成熟，）。由于电域没有波分的提法，故OWDM一般简称为WDM。OTDM利用高速光开关使多路光信号复用一条光传输线，利用OTDM技术可以获得较高的速率带宽比，可克服EDFA增益不平坦、四波混频（FWM）非线性效应等诸多因素限制，而且可解决复用端口的竞争，增加全光网络的灵活性。虽然，OTDM有以上的优点，但由于其关键技术（高重复率超短光脉冲源、时分复用技术、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术）比较复杂，更为重要的是实现这些技术的器件特别昂贵，而且制作和实现均很困难，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。WDM就是指从光域上用波长复用方式来改进传输效率，提高复用效率。其突出优点为：能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至成百上千个光载波信号，不仅能充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。以往WDM仅指1310/1550nm的简单复用，DWDM指1550nm波长区段内的密集复用，目前由于传输距离的要求和光放大器（EDFA）的使用，由于EDFA增益谱宽的原因，使得1310/1550nm的简单复用逐步被淘汰。当前，所谓的WDM已不再是以往意义上的简单复用，除非特别说明，WDM仅指1550nm波长区段内的密集复用。WDM从提出到今天，短短数年，一直保持强劲的增长势头。经过数年的发展和应用，波分复用（WDM）技术已趋于成熟。而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前，WDM系统的传输容量正以极快的速度向前发展，而且直接基于WDM传输的业务也越来越多。WDM作为现代超大容量传输技术的优越性越来越明显。近几年来世界各国都在研究和开发全光网络。估计到2002年全球光网络市场可达350亿美元，而且容量需求每九个月翻一番。而密集波分复用（DWDM）产品已成为世界电信设备市场上的主导产品，1997年，其销售额就达10多亿美元。最近据KMI公司的报告，全球DWDM市场为76亿美元，其中Lucent的全球DWDM市场份额为29%，其收入为22亿美元。总结近几年来DWDM方面的发展情况，可以发现：DWDM系统的容量不断被提高；传输的距离越来越远；复用的波长数越来越多。在系统方面，目前已商用化的产品有42.5Gb/s、82.5Gb/s、162.5Gb/s、402.5Gb/s、3210Gb/s、4010Gb/s。在实验室中超高速大容量、超长距离传输系统以及复用的波长数的纪录不断被刷但已被中国移动、中国联通、中国电线应用于商业内2.1. 2 中国波分技术的发展随着传输技术的发展，以IP业务为主对网络的进一步优化设计将是IP over WDM。 IP over WDM技术是将WDM技术和成熟的IP传输技术结合的产物。IP over WDM就是让IP数据包直接在光路上跑，减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层，其传输效率最高，节省了网络运行成本，同时也降低了用户的费用，是一种最直接、最经济的IP网络结构体系，非常适用于城域网建设。从协议的角度来讲，可以将这种结构的网络分成IP业务层和光网络层。IP业务层包括IP主干业务子层和IP适配子层，光网络层包括：光网络适配子层、光复用子层和光传输子层。在IP业务层当中，核心部分是IP主干业务子层，这一层完成大部分IPv4或者IPv6的功能，包括数据打包、生成报头、IP路由等。而IP适配子层则进行IP数据包的差错检测、服务质量(QoS)控制等。在光网络层当中，核心部分是光复用子层，它将实现光复用协议所规定的功能，对固定的带宽进行复用，同时还提供线路保护和故障定位等功能，WDM的特性在这个子层得到充分体现。在这个子层上面，是光网络适配子层，这个子层和IP适配子层协调工作，完成数据格式的转换，同时进行带宽管理和连接确认等功能。在光复用子层的下面是主要提供物理传输的光传输子层，在这个子层里面实现在光纤上的数据传输，还限定了光接口特性。IP over WDM具有以下优点：充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对传输效率；对传输码率、数据格式及调制方式透明，可以传送不同码率的ATM、SDH/SONET和千兆以太网格式的业务；不仅可以和现有通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带业务网及网络升级，并且有可推广性和高度生存性等特点。IP over WDM的缺点是还没有实现波长的标准化，WDM系统的网络管理应与其传输的信号和网管分离；WDM系统的网络管理还不成熟；目前WDM系统的网络拓扑结构只是基于点对点的方式，还没有形成“光网络”。但是IP over WDM技术能够极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，在外围网络千兆以太网成为主流的情况下，这种技术能真正地实现无缝接入，这预示着IP over WDM代表宽带IP城域网的未来。第三章 波分技术的应用3.1 波分技术的应用领域3.11 WDM的现有技术水平 WDM技术的研究、开发与应用十分活跃。在国际上，体现在电信装备公司投巨额资金竞相研究、开发、宣传展示产品，甚至出现了各公司之间的联合、兼并，以增强在WDM技术领域里的竞争能力。(1)WDM现有的技术水平就现有WDM系统传输容量的试验水平来看，北电等公司的1.6Tbit/s(160(10Gbit/s)WDM系统已经成功。在后来的展览上，北电推出80(80Gbit/s的WDM系统，总容量为6.4Tbit/s。此外，朗讯公司采用80nm谱宽的光放大器创造了波长数高达1022的世界记录。同时，我们了解到一些世界著名公司现有的WDM系统的各项指标。 在国内，WDM技术的研究和开发不仅活跃，而且进展也十分迅速。武汉邮电科学研究院(WRI)、北京大学、清华大学、邮电部五所先后进行了传输实验或者建设试验工程。例如：武汉邮电科学研究院在1997年10月成功地进行了16(2.5Gbit/s600km单向传输系统，1998年10月在北京98国际通信展览会上展示了32(2.5Gbit/s的WDM传输系统，并且容量为40(10Gbit/s的WDM系统也进行了传输实验，更高技术水平的WDM系统正在实验当中。 3.1. 2 国内WDM技术的应用水平WDM技术仍处于快速发展的阶段，许多厂商的16、32通路的WDM系统已投入商用。目前数百吉比特每秒的WDM系统已经在网络中实际运行,2002年4月19日，武汉邮电科学研究院承担的国家863重大项目“3210Gbit/s SDH波分复用系统”在广西南宁通过国家验收。该系统首次在国内实现了开满32波满配置400公里的无电再生传输。 该项目是国家863计划的重中之重项目。系统在STM-64上实现带内前向纠错(FEC)功能。提供4个SDH 10Gbit/s终端复用器设备(MF9953-01A)，2个3210Gbit/s WDM端机(GDB9953-01-32)，4个3210Gbit/s WDM中继机(GZB9953-01-32)及一个网元管理系统。把系统应用到实际工程，广西的南宁至柳州，全长280km G.652光纤，分为4段(69+36+92+83km)，开通两端10Gbit/s SDH设备，设南宁、柳州两个终端站，九塘、来宾、宾阳三个光放大中继站；WDM开通1个10Gbit/s波道和8个2.5Gbit/s波道，该工程在同一管理平台上实现对SDH和WDM的统一管理，具有较完善的管理维护功能。 此外中国电信于2003年初启动了北方九省(区、市)内干线传输网的建设，黑吉区域网、辽宁区域网干线沿途经过东北三省的大部分大中城市，工程采用烽火通信密集度紧凑度高的FONST系列DWDM/SDH光网络设备，采用了优越的OTU抖动抑制V-EDFA自动光功率调节、带外FEC、波长稳定、光在线性能监测等多项关键技术来保证系统的稳定运行3。可以看出WDM技术在我国将会更广泛的应用。3.2 DWDM的发展3.11 DWDM应用 WDM技术的应用第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用(即频率复用)的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。因此，从某种意义上讲，WDM技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。 当前，研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平为： 100l0Gbit/s(100波，每10Gbit/s)，中继距离400km； 3040Gbit/s(30波，每波40Gbit/s)，中继距离85km； 645Gbit/s(64波，每波5Gbit/s)，中继距离720km。密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路，相当于0.05秒内能传完30卷大英百科全书。目前商用系统的传输能力仅是单根光纤可能传输容量(数Tbit/s)的1/100。DWDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既“全光网”，将是光通讯的最高阶段。建立一个以DWDM和OXC(光交叉连接)为基础的光网络层，实现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈，将是未来的趋势。现在DWDM技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术作为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网。 3.2 .2 DWDM技术的优势 DWDM技术具有明显的技术优势，对于一个幅员辽阔的发展中国家来说，推广应用DWDM技术显得尤为重要。而全光网络是未来信息传送网的发展方向，它可以直接对光信号进行处理，不仅大大简化了网络结构，降低了成本，而且极大地提高了网络的稳定性与可靠性。如果说20世纪的通信是电网络的时代，那么21世纪的信息传输将会是全新的光网络时代。第四章 波分技术的未来趋势4.1波分技术的前沿趋势4.11 100G波分技术100G波分复用传输的关键技术及发展趋势，波分长距离传输技术诞生以来，一直沿着更高传输容量、更长传输距离和更低每比特传输成本的方向发展。特别是近几年来，伴随着40G网络的规模部署，以互联网为代表的数据业务的爆炸式增长，以及宽带业务和带宽饥渴型应用的增加，使得骨干网数据量以每5年接近8倍的速度增长。预计2012年后，在数据流量繁忙的骨干网上，已经规模使用的40G波分传输系统也将呈现传输带宽紧缺的趋势。此外，以太网业务的100GE或者相应的POS接口的出现，对传输承载网的带宽提出了更高的要求。骨干传输网要求支持100G传输的呼声越来越强烈。和过去从10G向40G单波线路速率的演进相比，波分骨干传输网从40G演进到100G速率，面临着类似的但也更为严苛的物理限制因素，需要采用更先进的码型调制和接收技术。同时从保护前期投资、降低网络CAPEX和OPEX角度考虑，新的100G传输技术也需达到可平滑升级的要求。本文将从关键码型调制技术、新型接收技术和FEC技术三个方面，介绍近期100G线路传输解决方案的最新进展。 4.1. 2 100G波分技术码型调制从10G超长距离传输开始，码型调制技术一直是波分系统技术研究的重点。随着比特速率的增加和传输距离的延长，波分长距离传输系统将遇到一系列物理限制因素的挑战，它们主要是：OSNR要求的增高、色散容限降低、非线性效应增强，以及PMD效应的增加等。这些物理效应都和传输的波特率有关，波特率越高，这些物理效应及其对系统性能的危害也随之而加剧。例如，在不改变传输码型的前提下，当波特率从10G提升到40G，光信号的OSNR要求将提升6dB，色散容限将降低到前者的1/16，PMD容限将降低到前者的1/4，光纤非线性危害程度也随之增加。为了在提升线路速率的同时避免这些物理效应的危害以上述关系增加，业界通常选用更高级的码型调制格式，主要措施包括： 1、采用相位调制格式：从原理上讲，和相同比特率的OOK码型相比，二进制差分相位调制（DPSK）技术的OSNR要求可降低3dB。此外，相移键控调制（PSK）是一种恒包络调制，有利于降低比特图形相关的非线性效应。因此在40G传输中开始广泛使用PSK调制作为主要的调制格式。 2、采用多进制调制：用于40G 传输系统的DPSK码型的波特率约为42.8Gbps，其光谱宽度较大，不能直接用于50GHz间隔的WDM传输。虽然可以通过一些技术改进使DPSK能支持50GHz间隔，但仍严重制约于50GHz滤波器级联代价大、PMD容限小（2-3ps）等问题。正交四相位调制（QPSK）克服了上述问题，用光场的实部和虚部分别承载业务，可以在维持40Gbps比特率不变的条件下将波特率降低到约20Gbps，有效降低了光谱带宽，以支持50GHz间隔传输，且PMD容限增加到6-8ps，可满足2000km超长距离传输的需要。 3、采用RZ技术：和常规NRZ-OOK技术相比，RZ码型技术可有效降低传输系统的OSNR要求、增强抵抗非线性效应的能力，以及增加抗PMD效应的目的。带啁啾的RZ码型可进一步补偿线路中的非线性效用产生的相位畸变，获得更好的传输性能。目前，啁啾归零码差分正交四相位调制码型(CRZ-DQPSK)已经成为40G系统中最主流、市场应用最广泛的码型。基于在40G系统中的成熟、广泛应用，QPSK在100G系统中也成为最成熟的选择。考虑到100G系统的比特率将达到112Gbps甚至更高，如果直接采用QPSK调制，要求光收发模块的mux芯片、MZ调制器等也要达到56GHz左右，这对（光）电器件的工艺提出了很高的要求。目前业界又提出了“偏振复用（PDM）”方案。偏振复用技术利用光的两个独立偏振态各自承载56Gbps业务信息，每个偏振态采用QPSK调制，从而将100G系统的波特率降低到28Gbps，大大降低了对（光）电器件的带宽要求，使得目前成熟的40G光电器件也可用于100G系统，有利于降低功耗和网络初期投资成本。也有其他更复杂的调制技术，如多电平（8PSK）、多载波（OFDM）等用于100G系统的研究。与之相比，PDM-QPSK技术在成熟度和复杂度之间取得了最佳的平衡性，已成为100G传输的主要调制码型技术。此外，PDM-QPSK调制技术还可很好地支持相干接收及DSP等其他100G关键技术，业已成为各设备商、模块或子系统商竞相研究的重点，并被国际标准化组织确定为未来100G长距离传输的标准调制方式。4.1. 3 相干接收和DSP技术PDM-QPSK调制技术主要解决了100G传输的OSNR要求和关键光电芯片的成熟度问题，但是100G系统的色散容限过小和PMD容限过小的问题依然存在。从原理上讲，色散效应是在频域光电场的相位上产生了畸变，PMD效应是在两个偏振的时域光电场的相位上引入了不同时延。在传输系统的收端的强度接收（OOK码型）或者自相干接收（非相干PSK码型）过程中，这些相位上的畸变和时延均会转化为接收眼图的畸变和码间干扰，并造成系统损伤。波分传输系统通常利用色散补偿模块（DCM）进行在线色散补偿，以及收端进行可调色散补偿模块（TDCM），来将残余色散量控制在传输码型可容忍的程度。但这些色散补偿措施往往会对网络规划和实施造成限制，尤其对ROADM网络的业务灵活调度是不利的。而PMD的光学补偿方法还不成熟，一般靠码型自身有限的PMD容忍度，以及合理分配OSNR裕量来抵消PMD效应造成的代价。由于色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入调制或畸变，而光相干检测则可探测并同时获知光场的偏振、幅度和相位信息。进而采用数字信号处理的方法（包括电滤波和均衡措施），可以消除色散和PMD导致的眼图畸变和码间干扰，重新恢复“干净”的码元信息。采用这种基于电域的数字信号处理（DSP）方法，在40G/100G系统上可实现高达40000-60000ps/nm的色散容限，和25-30ps的PMD容限。传输线路上不再放置DCM模块，PMD效应也不再成为限制系统传输距离的因素，系统组网能力及灵活性将得到极大的提高。目前，PDM-QPSK、相干接收和DSP技术的配合使用，已经成为100G传输系统最主流的技术配置方案。100G相干光通信系统的技术原理图如图1所示。图1 100Gbps PDM-QPSK相干电处理光通信系统在PDM-QPSK相干接收及电处理方案的实现过程中，涉及多种新型光/电器件及其算法的研制开发，其中包括高速成帧器、Mux/Demux、CDR、28Gbps高速双偏振QPSK调制器、双偏振相干接收装置、56GS/s高速ADC和DSP芯片及其均衡算法的实现，有较高的复杂度和技术挑战。经过业界最近几年的努力，上述关键技术中的实现难点均得到克服，整个产业链日趋成熟。预计在2012年，100G PDM-QPSK+相干电处理方案涉及的所有关键器件可投入商用。表1 关键器件商用时间表项目规模商用成熟时间112G QPSK modulator2011Framer2011Optical receiver2010CDR2010Mux/Demux2010-2011Driver201056GS/s ADC2011-201256GS/s DSP2011-20124.1. 4 FEC技术前向纠错（FEC）一直是光传输技术中降低OSNR要求的重点技术之一，并随着光线路速率的提升而得到迅猛发展。第一代的带外FEC采用以RS(255, 239)为代表的代数码技术，满足G.975标准规定，采用7的开销，净编码增益为6.3dB，纠前BER容限约为8.310-5，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。第一代FEC的复杂度较低，算法规模较小（约100,000LUT），采用FPGA即可满足其运算速度的要求。随着后期的10G及目前40G系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前BER容限进一步降低，这驱动了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生。第二代FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到8-9dB，纠前BER容限可低至110-3-410-3。G.975.1中制定了第二代FEC的行业标准。净编码增益的提高同时也伴随着FEC算法复杂度的和运算规模的增加。第二代FEC技术一般需要300,000LUT的FPGA或百万门规模的ASIC芯片来承载。在100G相干技术产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术诞生了。这种FEC一般采用LDPC码（低密度奇偶校验码）、TPC码（Turbo乘积码)，可提供约11dB的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC的另一个特点是开销更高，可高达20（OIF建议SD-FEC的开销不超过20），使得100G的线路速率达到128Gbps，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。表2给出了现阶段几种SD-FEC技术的编码增益和规模等参数。表2 现阶段几种SD-FEC技术的关键参数比较编码类型解码方案量化（比特）开销（）净编码增益（dB）复杂度（百万门）LDPC+BCH/RSSD+HD320.510.8-LDPCSD4-2011.312LDPC+SPCSD4-2011.3-TPCSD4710.443TPCSD4-2011.423.5基于数据网络流量以接近两年翻一番的速度迅速膨胀，以及国际标准在100GE上支持OTU4接口的进展，100G波分技术成熟和商用的步伐将进一步加快。以偏振复用、正交四相位调制、相干接收和数字信号处理技术为核心的100G PDM-QPSK相干技术的诞生和成熟，标志着波分系统由传统的模拟光传输系统向数字化光传输系统的转变，已成为未来发展的必然趋势。随着各关键光/电器件实现技术的不断成熟和规模商用，100G波分传输系统有望在2011-2012年实现商用。4.2 DWDM技术4.2. 1 DWDM发展趋势DWDM技术目前已成为骨干网建设的主要技术手段。技术在骨干网上的应用有以下特点和发展趋势：1、超大容量。目前国内电信一级骨干网的建设一般已开始采用和系统，而二级骨干网的建设一般也至少是以上的容量。在不久的将来每秒太比特级容量的系统将在网上实际应用。2、超长距离。随着色散管理技术的逐步成熟和拉曼放大器等新技术的应用，系统无电中继传输距离可大大延伸，达到几千公里。将来有可能出现国家级的全光网，进一步简化业务调度和降低网络建设成本。4.2. 2 DWDM的技术问题在骨干网应用时主要技术问题：1、超宽带光放大问题。一般的掺铒光纤放大器（）在内插增益平坦滤波器后，增益带宽能达到左右，覆盖整个波段频段（ ），基本能满足个左右波长的放大需求。随着光纤和光电子技术的进步，波段（ ）即将商用，使光纤线路的容量再次倍增。为了减少非线性，采用拉曼分布放大技术与相结合是优选方案。因为拉曼放大器采用分布放大方式，可降低输入功率以减少非线性，并与互补而获得平坦的增益波长特性。