波分复用技术

波分复用技术研究1. 产生背景1.1全球形势随着全球互联网（Internet）的迅猛发展，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。同时，无论是从数据传输的用户数量还是从单个用户需要的带宽来讲，都比过去大很多。特别是后者，它的增长将直接需要系统的带宽以数量级形式增长。因此如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。面对市场需求的增长，现有通信网络的传输能力的不足的问题，需要从多种可供选择的方案中找出低成本的解决方法。缓和光纤数量的不足的一种途径是敷设更多的光纤，这对那些光纤安装耗资少的网络来说，不失为一种解决方案。但这不仅受到许多物理条件的限制，也不能有效利用光纤带宽。另一种方案是采用时分复用（TDM）方法提高比特率，但单根光纤的传输容量仍然是有限的，何况传输比特率的提高受到电子电路物理极限限制。第三种方案是波分复用（WDM）技术， WDM系统利用已经敷设好的光纤，使单根光纤的传输容量在高速率TDM的基础上成N倍地增加。WDM能充分利用光纤的带宽，解决通信网络传输能力不足的问题，具有广阔的发展前景。WDM波分复用并不是一个新概念，在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20世纪90年代之前，该技术却一直没有重大突破，其主要原因在于TDM的迅速发展，从155Mbit/s到622Mbit/s，再到2.5Gbit/s系统，TDM速率一直以过几年就翻4倍的速度提高。人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的技术。1995年左右，WDM系统的发展出现了转折，一个重要原因是当时人们在TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，WDM系统才在全球范围内有了广泛的应用。1.2 发展过程 1.2.1 发展阶段光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代。双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为217Gb/s。 1.2.2 90年代中期90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于： TDM（时分复用）技术的发展，155Mb/s-622Mb/s-2.5Gb/sTDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb/s系统以下（含2.5Gb/s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30%左右。因此在系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。 波分复用器件不成熟。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化，1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了162.5Gb/s系统，Lucent公司推出82.5Gb/s系统，目前试验室已达Tb/s速率。1.2.3 发展迅速的原因 光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用技术成为可能； 利用TDM方式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高； 已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s系统的传输，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率，WDM技术是能够商用化最简单的光复用技术。2 波分复用技术基本概念和特点2.1波分复用技术基本概念 指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,简称WDM。光波分复用包括频分复用和波分复用。光频分复用(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,光倍道相隔较远,甚至处于光纤不同窗口。 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。光波分复用的技术特点与优势如下: 2.1.1 充分利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310nm-1550nm)极少一部分,波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz,传输带宽充足。 2.1.2 具有在同一根光纤中,传送2个或数个非同步信号的能力,有利于数字信号和模拟信号的兼容,与数据速率和调制方式无关,在线路中间可以灵活取出或加入信道。 2.1.3 对已建光纤系统,尤其早期铺设的芯数不多的光缆,只要原系统有功率余量,可进一步增容,实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动,具有较强的灵活性。 2.1.4 由于大量减少了光纤的使用量,大大降低了建设成本、由于光纤数量少,当出现故障时,恢复起来也迅速方便。 2.1.5 有源光设备的共享性,对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。 2.1.6 系统中有源设备得到大幅减少,这样就提高了系统的可靠性。目前,由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高,技术实施有一定难度,同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面,因而WDM的实际应用还不多。但是,随着有线电视综合业务的开展,对网络带宽需求的日益增长,各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等,WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来,表现出广阔的应用前景,甚至将影响CATV网络的发展格局。2.2波分复用技术基本概念主要特点 WDM技术具有很多优势，得到快速发展。可利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍；多波长复用在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可大量节约光纤；对于早期安装的电缆，芯数较少，利用波分复用无需对原有系统作较大的改动即可进行扩容操作；由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合与分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离；波分复用通道对数据格式透明，即与信号速率及电调制方式无关。 一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP等；在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的有利手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量；利用WDM技术实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络；在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。3 技术原理及关键技术 在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源，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，利用带通滤波器就可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，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，一般商用化是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。 WDM本质上是光频上的频分复用（FDM）技术。从中国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM- TDM FDM的路线。开始的明线、同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4KHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb/s；而技术是光纤上频分复用技术，16（8）2.5Gb/s的WDM系统则是光频上的FDM模拟技术和电频率上TDM数字技术的结合。 WDM本质上是光频上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是： 3.1 传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。3.2 在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4KHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb/s或更高速率的数字系统。4 网络生存性及存在的问题以WDM技术为基础的具有分插复用和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等优势，已成为未来高速传输网的发展方向，很好的解决下列技术问题有利于其实用化。 4.1 WDM是一项新的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。 4.2 WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。在网络中大规模采用需要对WDM系统进行有效网络管理。例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时自动发现，并找出故障原因；目前为止相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。 4.3 一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的发展，如可调谐激光器等。通常光网络中需要采用46个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还很难商用化。5 波分复用技术发展方向WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。全光技术的发展表现在以下几个方面： 可变波长激光器。光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波。将来会出现激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、稳定性和可靠性。不仅如此，可变波长的激光器更有利于大批量生产，降低成本。 全光中继器。中继器需要经过光-电-光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生（整形、定时、数据再生）。电再生器体积大、耗电多、成本高。掺铒光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而无法解决色散的影响，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。未来的全光中继器不需要光-电-光的处理过程，可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。 光交叉连接设备（OXC）。未来的OXC可以利用软件对各路光信号灵活的交叉连接。OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都将发挥作用。 光分插复用器（OADM）。采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。未来的OADM对上、下光信号将完全可控，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网（光网络）十分灵活。6. 波分复用技术的应用6.1波分复用技术在无源光网络中的应用光纤接入网可分为无源接入和有源接入两种，中无源光网络(PON)是一种极具吸引力的接入方式，其主要特点是：低成本显著减少光纤、光收发模块、中心局终端的数量，初期投资可被多个终端用户分摊；整个光传输通道为光纤和无源光器件，可有效避免电磁干扰和雷电影响，提高了系统的可靠性；ODN单元可挂在路边，无需远程供电和机房，降低了运行维护成本；对业务透明，便于系统升级、管理和引入新业务；带宽大、传输距离长(可达到20km) 。基于无源光网络(PON)技术的接入方案将成为宽带光接入的首选技术。无源光网络接入业务的传输有以ATM为传输平台的APON和以以太网技术为传输平台的EPON以及以通用帧结构为传输平台的GPON三种类型。EPON是将以太网(Ethernet ，最具有发展潜力的链路层协议)与无源光网络(PON，接入网的最佳物理层协议)结合在一起形成地能很好适应IP数据业务的接入方式。在EPON系统中，上行接入技术既是关键也是难点，是EPON技术的核心。EPON系统点到多点的特殊共享结构使其不能继续采用传统以太网的 CSMA/CD的媒体接入控制(MAC) 方式进行上行接入。目前通行的上行技术有时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、波分多址(WDMA)三种方案。时分多址技术允许各ONU共享同一波长的传输容量，每个ONU只在允许的时间间隙才能发送数据，因此ONU的发送是突发的。OLT的接收也是突发的；虽然从技术和成本上看，时分多址技术优势明显，是目前EPON上行接入较为合理的方案，但是由于存在许多关键技术难题亟待解决，比如快速比特同步、动态带宽分配、基线漂移、ONU的测距与延时补偿、突发模式光收发模块的设计等。 码分多址技术对用户数量没有限制，而且保密性好。但随着用户数量的增加会加大信道间干扰，而且线路上的信号速率要比实际业务速率高得多，物理器件的复杂性高，传输效率较低。 基于波分复用技术的波分多址技术采用波长作为用户端ONU的标识，利用波分复用技术实现上行接入，能够提供较宽的工作带宽，能够充分利用光纤的巨大传输带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时还可以避免时分多址技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点，并且在网络管理以及系统升级性能方面都有着明显的优势。随着技术的进步，波分复用光器件的成本，尤其是无源光器件成本已经大幅度下降，这使得波分多址技术成为EPON上行接入技术的重要发展方向之一。6.2 波分复用技术城域网建设中的应用传统电信城域网不能适应数据业务的突发特性，承载多业务的带宽效率较低。因此，城域网的发展目标是建立面向宽带数据和多媒体应用的IP优化网络。各种新的城域网技术（如多业务传送平台MSTP、弹性分组环RPR、城域WDM等）应运而生，其中以IP和WDM技术共同构建新型宽带城域网是有竞争力的解决方案。在城域网中用何种技术传输IP，取决于城域网所采用的传输技术。在城域网中的IP传输技术有IP over ATM、IP over SDH、 IP over WDM三种形式。6.2.1 IP over ATMATM是一种高速率、低时延的多路复用交换技术。它是在分析、总结电路交换和分组交换的技术优缺点的基础上发展起来的，它融合了两者的优点，即面向连接、保证服务质量和统计复用以实现高带宽。它采用固定长度的短分组在网络中传送各种通信信息，便于硬件的高速处理，实现高速、大容量的宽带交换。而且，具有相当完善的流量控制功能和拥塞控制功能，保证带宽利用率，保证网络的安全性和可靠性。IP over ATM是IP与ATM的结合，当前有两种技术方式：即重叠技术和集成技术。重叠技术是将IP网络层协议重叠在ATM之上，即ATM网与现有的IP网重叠，在ATM端点同时使用ATM和IP两种地址的映射功能，发送端在得到接收端ATM地址后，便可建立ATM/SVC连接，传送LAN数据包。集成技术是将IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交换机形成一体化平台，仅要求标识IP地址，无须ATM的地址解析协议，简化了ATM的路由选择功能，提高了IP转发效率，同时保留了路由的灵活性。 IP over ATM技术的优点是可充分利用ATM的快速交换和完善的QoS功能，保证网络的服务质量；网络具有很好的扩展性和灵活性；支持多种业务、数据、语音、视频汇集到一个网络上，为不同业务类型提供不同的服务质量QoS；有很好的网络流量管理和控制性能，表现在ATM流量控制方面非常精细，这一点对带宽是非常宝贵的、线路费用非常高的广域网来说就显得非常重要，这是目前ATM能在广域网中被广泛采用的原因之一。IP over ATM技术的缺点：由于IP数据包必须映射成ATM信元，由此形成的传输开销称为“信元税”，故传输效率低；网络管理比较复杂，设备昂贵；不太适用于超大型IP骨干网。2 IP over SDHATM能支持多种业务曾经是它独一无二的特点，但随着IP技术的发展和网络硬件的不断完善，今天的IP已成为各种业务的核心，数据语音和视频业务都可由IP承载，ATM的优点已由IP技术取代，特别是当数据业务量超过语音和视频时，更显得ATM没有存在的必要，况且去掉ATM还可以提高传输效率。因此，IP over SDH应运而生，这一技术也极大地动摇了ATM在广域网中的地位。SDH传送网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出，称之为同步光网络（Synchronous Optical NETwork,SONET）。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适用于各种经适配处理的净负荷（即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分）在物理媒质，如光纤、微波、卫星等上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标准。国际电信联盟标准部（ITUT）的前身国际电报电话资询委员会（CCITT）于1988年接受SONET概念，并与美国标准协会（ANSI）达成协议，将SONET修改后重新命名为同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）,使之成为同时适应于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的，在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送，融复接、传输、交换功能于一体，由统一网络管理操作的综合信息网。可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能，能有效地提高网络资源的利用率。6.2.2 IP over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及点到点协议（PPP：Point To Point Protocol）对数据包进行封装，根据RFC1662规范把IP分组简单地插入到PPP帧中的信息段。然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH同步净荷中，然后经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后达到光网络，在光纤中传输。IP over SDH，也称为PACKET over SDH （PoS），它保留了IP面向无连接的特征。IP over SDH的优点是：对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率；符合Internet业务的特点，如有利于实施多播方式；能利用SDH技术本身的环路和网络自愈合能力达到链路纠错的目的；同时又利用OSPF协议防止链路故障造成网络停顿，提高网络的稳定性；将IP网络技术建立在SDH传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容不同技术标准实施全球联网；声略了ATM层，简化了网络结构，降低了运行成本。在有线电视网络平台上IP over SDH适用于省际网络和省内网络上的IP传输。IP over SDH的缺点是：IP over SDH目前尚不支持虚拟专用网VPN和电路仿真；在所有包交换技术中，ATM的QoS是最好的，它可以做到电路仿真，而IP over SDH技术只能进行业务分级，不能提供较好的QoS；对大规模的网络必须处理庞大、复杂的路由表，而且查找困难，路由信息占用比较大的带宽。从光通信技术发展趋势看，SDH/SONET未来将让位于波分复用技术，因此，IP over SDH将最终发展成为IP over WDM 6.2.3 IP over WDM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