DWDMD技术 (2)

1 题目 题目 DWDMDDWDMD 技术技术 绪论 互联网面世之后 谁也不可能准确预料到其发展速度是如此之快 在短短 几十年间 服务供应商已经满足不了消费者日益增长的带宽需求 因此运营商 们迫切的需要大量的网络容量来满足顾客日益增长的服务需求 据估计 仅在 1997 年 通过一对光缆传输的长途电话的带宽容量就增加到了 1 2 Gbps 百万 比特每秒 当数据传输速度以 Gbps 单位计算的时候 每秒钟可以通过网络传 输 1000 本图书的信息 可是 到了今天 假如有 1 百万个家庭希望观赏网站上 推出的视频节目或者使用新出现的网络视频应用 那么 在这一需求场合下 网络传输速率就必须达到太比特级 万亿比特每秒 Tbps 当数据传输速度以 Tbps 单位计算的时候 在一秒钟的瞬间之内 网络就可以传输 2000 万个并发 双工电话或者 300 年来出版的全部日报的数据量 除了消费者的带宽需求爆炸性地增加以外 众多服务供应商还面临着其光 缆可用余量即将用尽的窘迫局面 有一份产业报告指出 在 1995 年 埋设光缆 中已经使用的部分平均在网络中占到了 70 到 80 之多 现在 许多电信运营商 的光缆使用率几乎达到了 100 的有效利用率上限 另外还有一个窘迫的难题 网络服务运营商怎么才能在一种物理网络之上部署和集成五花八门的多种通信 技术 消费者的需要和企业之间的竞争压力迫使运营商们一方面必须提供在建 设和运营成本上比较经济的多种服务 而且另一方面他们还要尽可能地在已经 埋设的现有网络基础之上来部署这些业务 还好 出现了 DWDM 技术 正是 DWDM 为这些运营商们提供了同时满足这些需求的可行解决方案 密集型光波复用 DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing 是一项 用来在现有的光钎骨干网上提高宽带的激光技术 更确切地说 该技术是在一 根指定的光钎中 多路复用单个光钎载波的紧密光谱间距 以便利用可以达到 的传输性能 这样 在给定的信息传输容量下 就可以减少所需要的光钎的总 数量 DWDM 最大的特点在于能提供大容量的数据接入和传输 而且技术已经非 常成熟 在长途骨干网中已经广泛应用 2 1 DWDM 产生的背景 话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复用 SDM 或时分复用 TDM 两种方式 1 1波分复用 SDM Space Division Multiplexer 空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量 传输设备也线性 增加 在光缆制造技术已经非常成熟的今天 几十芯的带状光缆已经比较普遍 而 且先进的光纤接续技术也使光缆施工变得简单 但光纤数量的增加无疑仍然 给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便 并且对于已有的光缆线路 如果 没有足够的光纤数量 通过重新敷设光缆来扩容 工程费用将会成倍增长 而 且这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽 造成光纤带宽资源的浪费 作为 通信网络的建设 不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容 事实上 在工程 之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数 因此 空分复 用的扩容方式是十分受限 1 2时分复用 TDM Time Division Multiplexer 时分复用也是一项比较常用的扩容方式 从传统 PDH 的一次群至四次群的 复用 到如今 SDH 的 STM 1 STM 4 STM 16 乃至 STM 64 的复用 通过时分复 用技术可以成倍地提高光传输信息的容量 极大地降低了每条电路在设备和线 路方面投入的成本 并且采用这种复用方式可以很容易在数据流中抽取某些特 定的数字信号 尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用 但时分复用的扩容方式有两个缺陷 第一是影响业务 即在 全盘 升级 至更高的速率等级时 网络接口及其设备需要完全更换 所以在升级的过程中 不得不中断正在运行的设备 第二是速率的升级缺乏灵活性 以 SDH 设备为例 当一个线路速率为 155Mbit s 的系统被要求提供两个 155Mbit s 的通道时 就 只有将系统升级到 622Mbit s 即使有两个 155Mbit s 将被闲置 也没有办法 对于更高速率的时分复用设备 目前成本还较高 并且 40Gbit s 的 TDM 设备已 经达到电子器件的速率极限 即使是 10Gbit s 的速率在不同类型光纤中的非线 性效应也会对传输产生各种限制 现在时分复用技术是一种被普遍采用的扩容方式 它可以通过不断地进行 系统速率升级实现扩容的目的 但当达到一定的速率等级时 会由于器件和线 路等各方面特性的限制而不得不寻找另外的解决办法 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 或 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 另一方面却让大 3 量的网络资源白白浪费 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宽带资源 减少了网络资 源的浪费 2 DWDM 的基本原理 所谓波分复用 就是把具有不同标称波长的几个或者几十个光通路信号复 用到一根光钎中进行传送 每个光通路承载一个 TDM 方式的 SDH 信号 其系统 工作原理图如图所示 图 2 1 WDM 系统工作原理图 从图中可以看出 在发送端由各复用通路的光发送机分别发出具有不同标 称波长的光信号 每个光通路承载着标准的 SDH 信号如 2 5Gb s 或 10Gb s 然 后由光复用器 OD 把光通路信号再分解开 分别输入到相应的各复用通路光接收 机中 这样可以把光钎的传输容量扩大几倍甚至几十倍以上 在模拟载波通信系统中 为了充分利用电缆的带宽资源 提高系统的传输 容量 通常利用频分复用的方法 即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信 号 接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号 同 样 在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量 事实上 这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的 与模拟的载波通信 系统中的频分复用不同的是 在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波 根 据每一个信道光波的频率 或波长 不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信 道 从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输 由于目前一些光器件 如带宽很窄的滤光器 相干光源等 还不很成熟 因此 要实现光信道非常密集的光频分复用 相干光通信技术 是很困难的 但基于目前的器件水平 已可以实现相隔光信道的频分复用 人们通常把光信 道间隔较大 甚至在光纤不同窗口上 的复用称为光波分复用 WDM 再把在 同一窗口中信道间隔较小的 DWDM 称为密集波分复用 DWDM 随着科技的进步 现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用 甚至可以实现波长间隔为 零点几个纳米级的复用 只是在器件的技术要求上更加严格而已 因此把波长 间隔较小的 8 个波 16 个波 32 乃至更多个波长的复用称为 DWDM 利用掺铒 光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下形成子数反转 从而对入射光信号提供光增 益 DWDM 系统对光放大器的基本要求是宽频带 低噪声和增益平坦等 具体应 4 用时可选用具有增益平坦 增益锁定 增益可调和放大器瞬态抑制等功能的光 放大器 整个光通道具有良好的技术指标 3 DWDM 的种类及其应用形式 3 1 DWDM 的种类 1 WDM 波分复用 每条光钎 2 4 个波长 初期的 WDM 系统是双信道 1310 1550nm 系统 2 CWDM 粗波分复用 每条光钎 4 8 个波长 有时候更多 用于中短程 网络 3 DWDM 密集波分复用 通常的 DWDM 系统支持 8 个或更多波长 新兴 系统支持数百个波长 其实密集波分复用和 WDM 应是同一技术 它们是在不同 时期对 WDM 系统的称呼 WDM 是光钎在不同低耗损窗口的光波复用 DWDM 光钎在 同一低损耗窗口的多个光波复用 发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号 经过光波长复用器复用在一起送入摻饵光钎功率放大器 再将放大后的多路光 信号送入光钎传输 中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器 到达接受 端经光前置放大器放大以后 送入光波长分波器分解出原来的各路光信号 3 2 DWDM 的应用形式的应用形式 1 开放式 DWDM 开放式 DWDM 系统的特点是对复用终端光接口没有特别的 要求 只要求这些接口符合 ITU TG 957 建议的光接口标准 DWDM 系统采用波 长转换技术 将复用终端的光信号转换成指定的波长 不同终端设备的光信号 转换成不同的符合 ITU T 建议的波长 然后进行合波 2 集成式 DWDM 集成式 DWDM 系统没有采用波长转换技术 它要求复用终 端的光信号的波长符合 DWDM 系统的规范 不同的复用终端设备发送不同的符合 ITU T 建议的波长 这样他们在接入合波器时就能占据不同的通道 从而完成 合波 根据工程的需要可以选用不同的应用形式 在实际应用中 开放式 DWDM 和集成式 DWDM 可以混合使用 4 DWDM 的关键技术 4 1 OTN 技术 光传送网 OTN 是以波分复用技术为基础 在光层组织网络的传送网 是下 一代的骨干传送网 由于在网络上传送的 IP 业务和其他基于包传送数据业务的 爆炸式增长 对传输容量的要求在不断迅猛增加 密集波分复用 DWDM 技术和 光放大器 OA 技术的成熟和应用使传送网正在向以光联网技术为基础的光传送 网发展 基于 OTN 的传送网的出现将使人们期望的智能光网络逐步变为现实 5 为网络运营者和客户提供安全可靠 价格有效 客户无关 可管理 可操作 高效的新一代光传送平台 OTN 将解决传统 WDM 网络无波长子波长业务调度能 力 组网能力弱 保护能力弱等问题 光传送网面向 IP 业务 适配 IP 业务的传送需求已经成为光通信下一步发展 的一个重要议题 光传送网从多种角度和多个方面提供了解决方案 在兼容现 有技术的前提下 由于 SDH 设备大量应用 为了解决数据业务的处理和传送 在 SDH 技术的基础上研发了 MSTP 设备 并已经在网络中大量应用 很好地兼容 了现有技术 同时也满足了数据业务的传送功能 但是随着数据业务颗粒的增 大和对处理能力更细化的要求 业务对传送网提出了两方面的需求 一方面传 送网要提供大的管道 这时广义的 OTN 技术 在电域为 OTH 在光域为 ROADM 提供了新的解决方案 它解决了 SDH 基于 VC 12 VC4 的交叉颗粒偏小 调度较 复杂 不适应大颗粒业务传送需求的问题 也部分克服了 WDM 系统故障定位困 难 以点到点连接为主的组网方式 组网能力较弱 能够提供的网络生存性手 段和能力较弱等缺点 另一方面业务对光传送网提出了更加细致的处理要求 业界也提出了分组传送网的解决方案 目前涉及的主要技术包括 T MPLS 和 PBB TE 等 4 2 光源技术 目前广泛使用的半导体光源包括激光器 LD 和发光二极管 LED LD 是 相干光源 入纤功率大 谱线宽窄 调制速率高 适用于长距高速系统 LED 是非相干光源 入纤功率小 谱线宽宽 调制速率低 适用于短距低速系统 DWDM 系统的光源采用半导体激光器 DWDM 系统对每个复用通路的工作波长有非常严格的要求 波长漂移将导致 系统无法实现稳定 可靠的工作 常用的波长稳定措施包括温度反馈控制法和 波长反馈控制法提供比较大的色散容限值光纤传输可能会受到系统损耗和色散 的限制 随着传输速率的提高 色散的影响越来越大 其中 色散受限可选用 色散系数较低的光纤光缆或谱宽狭窄半导体激光器的办法来解决 由于光缆已 经舗设完毕 所以努力减小光源器件的谱宽是解决色散受限的有效手段 4 3 光放大技术 光纤放大器是建立全光通信网的核心技术之一 也是密集波分复用 DWDM 系统发展的关键要素 DWDM 系统的传统基础是摻饵光钎放大器 EDFA 光钎 在 1550nm 窗口有一较宽的低耗损带宽 可以容纳 DWDM 的光信号同时在一根光 钎上传输 采用这种放大器的多路传输系统可以扩展 经济合理 EDFA 出现以 后 迅速取代了电的信号再生放大器 大大简化了整个光传输网 但随着系统 带宽需求的不断上升 EDFA 也开始显示出它的局限性 由于可用的带宽只有 30nm 同时又希望传输尽可能多的信道 故每个信道间的距离非常小 一般只 有 0 8 1 6nm 这很容易造成相邻信道间的串话 因此 实际上 EDFA 的带宽限制了 DWDM 系统的容量 最近研究表明 1590nm 宽波段光钎放大器能够把 DWDM 系统的工作窗口扩展到 1600nm 以上 贝 尔实验室和 NH 的研究化硅和饵的双波段光钎放大器 它由两个单独的子带放大 器组成 传统 1550nmEDFA 1530nm 1560nm 1590nm 的扩展波段光钎放大器 EBFA EBFA 和 EDFA 的结合使用 可使 DWDM 系统的带宽增加一倍以上 75nm 为信道提供更大的空间 从而减少甚至消除了串话 因此 1590nmEBFA 对满足 6 不断增长的高容量光钎系统的需求迈出了重要的一步 4 3 1 放大原理 铒 Er 是一种稀土元素 在制造光纤的过程中 掺入一定量的 Er3 离子 形成掺铒光纤 这种光纤中的 Er3 离子会吸收光子的能量 使自身的能级发生 变化 即激励 用来做为激励的光源被称为泵浦光源 它所发出的激励光波被 称为泵浦光 图 5 1 摻饵光钎放大器原理 Er3 离子在未受到任何激励的情况下 处在最低能级上 当泵浦光射入 Er3 离子吸收泵浦光的能量 向高能级跃迁 在高能级 Er3 离子处于不稳定 的状态 于是以非辐射跃迁的形式不断地向亚稳态能级汇聚 从而实现粒子数 反转分布 当具有 1550 nm 波长的光信号通过这段掺铒光纤时 亚稳态的粒子 以受激辐射的形式跃迁到基态 并产生和入射信号光中的光子一模一样的光子 从而实现光信号的放大 4 3 2组成 EDFA 主要由铒掺杂光纤 EDF 泵浦光源 耦合器 隔离器等部件组成 结构如图所示 图 5 2 摻饵光钎放大器结构图 耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起 隔离器的作用是抑制光反射 以确保光放大器工作稳定 泵浦激光器产生泵浦光源 4 3 3主要性能指标 1 增益 G 输出光信号功率与输入光信号功率之比 增益越大 表示放大能力越强 2 噪声系数 NF 7 EDFA 输入端信噪比与输出端信噪比的比值 EDFA 的噪声来自不同方面 如信号散弹噪声 内部的反射噪声和本身的自 发幅射噪声等 但最主要的是自发幅射噪声 ASE ASE 是指 由于 EDFA 的光发射面积与吸收面积的不均衡 粒子数反转的程 度不同 处在稳态能级 E2 上的离子数和处在基态能级 E1 上的离子数不等 EDFA 的增益大小和工作状态等多方面本身因素而产生的幅射噪声 由于 EDFA 对光信号和噪声均有放大作用 因此出现了噪声系数这个参数 其大小与 EDFA 的自发幅射噪声 ASE 有密切关系 噪声系数对于系统的性能 特别是整个系统的光信噪比 OSNR 有着重要影响 噪声系数越小越好 如小 于 5 0 dB 3 带宽 DWDM 系统的工作波长范围覆盖 C 波段和 L 波段 光放大器需要完成对系 统所有复用通路信号的放大 因此它必须具有足够宽的带宽 4 增益平坦度 Gp p 增益平坦度是指 在规定的工作波段范围内 EDFA 增益的允许波动值 为 了获得良好的平坦度 通常在掺铒光纤中采用掺铝技术 在 DWDM 系统中 为了尽量减小各复用通路输出光功率信号的差异 便于光 功率预算 EDFA 的增益平坦度越小越好 5 总输入 输出功率范围 EDFA 的输入 输出端的光功率范围 一方面 在 WDM 系统的应用中 一个 EDFA 要承担系统中所有复用光通路信号 的放大作用 因此其输入 输出光功率范围要足够大才好 对于复用通路数较 多的 WDM 系统尤其如此 另一方面 为了保证 EDFA 增益的平坦性和低噪声性能 应使其处于小信号 工作范围 即 EDFA 的输入 输出功率范围又不宜过大 更重要的是 为避免 出现光纤非线性效应 EDFA 的输出功率不能过大 为了避免出现光纤非线性效应 单通道的光功率不能过大 应根据信号速 率 传输光纤的类型等来确定合适的功率 6 偏振相关增益 PDG 由于 EDFA 对不同偏振态的光波所产生的增益有区别 因此 将因光波的偏 振态变化而造成的 EDFA 增益的最大变化值 称之为偏振相关增益 其值越小 越好 7 泵浦光泄漏 尽管在 EDFA 的输入与输出端增设了光隔离器 但仍然会有少量的泵浦光泄 漏 泄漏量越小越好 泵浦光泄漏是指 泵浦光泄漏功率与输入 输出泵浦光功率的比值 8 输入 输出光反射系数 EDFA 输入 输出端的光功率与其反射光功率之比 其值越大越好 4 3 4EDFA 对 DWDM 系统的重要作用 为确保 DWDM 系统的传输质量 DWDM 系统中使用的 EDFA 必须具有足够的带 宽 平坦的增益 低噪声系数和高输出功率 特别是增益平坦度 这是 DWDM 系统对 EDFA 的特殊要求 8 4 4 光复用和解复用技术 波分复用系统的核心部件是波分复用器件 即光复用器和光解复用器 有时 也称合波器和分波器 实际上均为光学滤波器 其性能好坏在很大程度上决定 了整个系统的性能 在发送端 合波器 OM 的作用是把具有标称波长的各复用通路光信号合成 为一束光波 然后输入到光纤中进行传输 即对光波起复用作用 在接收端 分波器 OD 的作用是把来自光纤的光波分解成具有原标称波长 的各复用光通路信号 然后分别输入到相应的各光通路接收机中 即对光波起 解复用作用 由于光合 分波器性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响 因此 要 求合 分波器的衰耗 偏差 信道间的串扰必须小 4 5 光转发技术 4 5 1概述 光波长转换技术 OTU 的主要功能就是进行波长转换 它将光通路信号的 非标称波长转换成符合 ITU T 建议 G 692 规定的标称光波长 然后接入 DWDM 系统 OTU 的其他功能包括 1 提供标准 稳定的光源 由于 DWDM 系统需要在一个低损耗窗口复用多个波长 波长间隔小 因此 需要 DWDM 光源的中心频率稳定工作在 ITU T 标准规范的标称中心频率序列上 2 提供较大色散容纳值的光源 DWDM 系统的无电中继长度的增加 要求系统延长光源的色散容限距离 并 能够克服光纤的非线性效应 3 作为再生器使用 当转换器作为再生器使用时 具备数据再生功能 数据再生为波长转换器的 可选功能 4 5 2工作原理以及性能指标 OTU 的工作原理如图所示 图 4 6 OTU 工作原理图 OTU 首先把符合 G 957 规范的复用光通路信号进行光 电 O E 转换 然 后把转换后的电信号进行整形 定时提取和数据再生 也可不进行数据再生 最后再进行电 光 E O 转换 输出波长 色散和发光功率等皆符合 G 692 规 范要求的 DWDM 复用光通路信号 如果 O E 转换后 只进行整形 定时处理 即 2R 功能 该 OTU 只实现波 9 长转换的功能 传输距离较短 如果 O E 转换后 进行了整形 定时 再生处理 即 3R 功能 该 OTU 实 际上兼有再生中继器 REG 的功能 OTU 的主要性能指标 1 系统工作波长区 位于 1550 nm 低耗窗口 分为 C 波段和 L 波段两部分 C 波段 常规波段 波长范围为 1530nm 1565nm 工作频率 196 05THz 192 10THz 1THz 1000GHz L 波段 长波长波段 波长范围 1565nm 1625nm 工作频率 190 90THz 186 95THz 2 通路间隔 通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差 包括均匀通路间隔和 非均匀通路间隔 目前 多数采用均匀通路间隔 DWDM 系统最小通路间隔为 50GHz 的整数倍 复用通路为 8 波时 通路间隔为 200GHz 复用通路为 16 波 32 波 40 波时 通路间隔为 100GHz 复用通路为 80 波以上时 通路间隔为 50GHz 采用的通路间隔越小 要求分波器的分辨率越高 复用的通路数也越多 3 标称中心频率 标称中心频率是指 DWDM 系统中每个复用通路对应的中心波长 频率 例 如 当复用通路为 16 波 32 波 40 波时 第 1 波的中心频率为 192 1THz 通路间隔为 100GHz 频率向上递增 4 中心频率偏移 中心频率偏移又称频偏 是指复用光通路的实际中心工作频率与标称中心 频率之间的偏差 国标规定 100GHz 频率间隔的系统 速率为 2 5Gbit s 以下时 最大中心 频率偏移为 20GHz 约 0 16nm 速率为 10Gbit s 时 最大中心频率偏移 为 12 5GHz 50GHz 频率间隔的系统 最大中心频率偏移为 5GHz 最大中心频率偏移是指 在系统设计寿命终结时 考虑到温度 湿度等各 种因素仍能满足的数值 5 色散容限 色散反映了光脉冲沿光纤传播时的展宽 脉冲展宽将导致接收端信号脉冲消光比的下降 即 1 码与 0 码的电 平接近 造成接收机的误判 为避免误码出现 应采取一定措施补偿光脉冲在 光纤传输过程中引起的脉冲展宽 光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而 越来越严重 DWDM 系统对光纤色度色散系数的要求 基本上就是单个复用通路速率信号 对光纤色度色散系数的要求 同时 由于 DWDM 系统的无电中继长度远远大于 单个 SDH 系统 所以要求系统光源的色散容限距离必须延长 6 接收机灵敏度 接收机灵敏度是指 输入信号处在 1550nm 窗口 误码率达到 10 12 时 OTU 输入端口处的平均接收光功率的最小值 10 7 过载光功率 过载光功率是指 输入信号处在 1550nm 窗口 误码率达到 10 12 时 OTU 输入端口处的平均接收光功率的最大值 5 DWDM5 DWDM 的优越性的优越性 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 DWDM 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 日本 NEC 公司已经在实验室实现了 13220Gbit s 的 DWDM 系统 传输距离 120km 该系统总带宽为 35nm 从 1529nm 1564nm 信道间隔 33GHz 可以传 4000 万路电话 2