高速公路光纤通信传输系统应用DWDM技术的探讨

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2002-07-30　中国公路·交通信息产业　电子科技大学 李晓峰,胡渝
　　波分复用（DWDM）技术是利用单模光纤低损耗区的带宽，将不同频率波长的光信号通过合波器合成一束光后发射进同一根光纤进行传输，在接收端通过分波器区分开不同频率波长的信号并进行相应数字处理还原出原信号的复用技术。


　　波分复用技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几十倍甚至上百倍，从而节约大量光纤和投资，在目前已建高速公路SDH光纤通信传输系统上可以不做较大的改动就可以比较方便地采用DWDM技术进行系统扩容。


高速公路光纤通信传输系统应用DWDM技术的意义

　　近几年我国建设的高速公路光纤通信传输系统基本上都是采用SDH（同步数字体系）复用技术，各高速公路管理部门（业主）以及通信系统设计单位考虑到为了适应今后网络发展对更大带宽的需求，在光缆根数（或光缆芯数）以及通信管道数量（或管道直径）上都不同程度地留有余量，这一部分的投资十分巨大，对一些通过贷款建设的高速公路来讲，这些一时不能产生效益而且还得为之偿还利息的投资无疑对业主有很大的压力。在一些经济发达并且由于大力发展网络建设而迫切需要解决通信通道的地区曾有过出租通信管道收回投资并产生效益的例子，但从目前国内大多数高速公路通信系统光缆（芯数）及通信管道的实际出租业务情况来看，由于光缆或通信管道租用方与出租方之间存在系统管理及系统维护工作交叉等非常困难和现实的问题，租用光纤芯数的情况较少，又由于长距离通信管道的租用总费用较高，加之高速公路通过的许多地区经济还不是很发达，网络发展的需求不如经济发达地区强烈，投资网络建设收回成本并产生效益的周期较慢且存在一定程度的风险，这些客观存在的因素都影响着计划租用高速公路通信管道或光缆的租用方的投资积极性，造成最终少租用或不租用高速公路通信系统通信管道或光缆的事实。因此，高速公路通信系统的投资建设、管理部门（业主）及通信系统设计单位应对此有清醒的认识，在满足高速公路通信专网近期及远期发展对带宽需求的同时，在考虑到尽快收回投资并产生效益的同时，在大容量光纤通信传输系统的设计中应尽量采用成熟、已成功工程化应用的新技术（如波分复用技术）以提高所建设通信系统的性价比，同时减少一些不必要的投资，缓解建设资金紧张的压力，使建设的高速公路通信系统既能满足高速公路通信专网在近期及今后若干年内对通信带宽的需求，又能在一定程度上服务于社会，回收投资并产生效益。


　　以电时分复用（TDM）为基础的SDH设备，目前商用化速率已达10Gbps，速率超过10Gbps 的SDH网络节点设备实现难度已变得很大而且网络运行成本很高，这些因素都极大地限制了SDH传输系统在高速、大容量传输网络中的应用，客观上促进了DWDM复用等新技术的发展和应用，采用DWDM技术的通信网络具有通信容量大、网络接口标准、网络可重构并易于升级换代、网络运行成本可不断降低等特点，而且DWDM传输系统传输体制与信号速率无关，因此可方便地引入宽带、数据等新业务，兼容不同体制、不同厂家的设备，由于DWDM传输系统具有许多SDH传输系统所不具有的优点，自95年以来，DWDM复用技术已在国内通信干线上得到越来越多地应用。


　　波分复用（DWDM）技术是利用单模光纤低损耗区的带宽，将不同频率波长的光信号通过合波器合成一束光后发射进同一根光纤进行传输，在接收端通过分波器区分开不同频率波长的信号并进行相应数字处理还原出原信号的复用技术。


　　DWDM传输系统由于采用多波长传输技术，因此可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几十倍甚至上百倍，从而节约大量光纤和投资。在目前高速公路已建SDH光纤通信系统上可以不做较大的改动就可以比较方便地采用DWDM技术进行系统扩容，对于新建光纤通信系统来讲，采用DWDM技术更能发挥其优越的性能。


　　目前，随着采用波分复用方案的光纤通信传输技术及波分复用关键器件的日益成熟，光波分复用通信技术工程化应用更加广泛，实际的应用效果令人鼓舞。 因此，把采用波分复用方案的光纤通信传输技术应用到目前高速公路光纤通信系统的设计和建设中有着十分重要的意义。


DWDM系统的关键技术及器件

　　DWDM系统的关键技术主要有光放大技术、色散控制技术、光合波及光分波技术、光节点技术、DWDM系统的网络管理等，下面对这些关键技术做一些简要的介绍：


　　一、 光放大技术


　　光功率受限及色散受限决定了光纤通信系统在满足一定误码率要求情况下无中继传输能达到的最长距离。为解决长距离传输中的光功率受限问题，可采用光放大技术，目前常采用的光放大器件有半导体光放大器及掺铒光纤放大器（EDFA）等。EDFA具有增益高、输出功率高、频带宽、噪声低、増益特性与偏振无关、数据传输速率与格式透明等优点，因此在大容量、长距离光纤通信系统中得到了大量的应用。在使用EDFA延长光功率受限中继段距离的DWDM系统中，应特别注意增益的均衡问题。因为不同波长的信道通过EDFA后会产生增益的微小偏差，由于长距离的传输和多级放大，增益的偏差变得越来越大，严重的还会造成系统信噪比的降低及误码率提高。因此应根据所设计系统的特点，正确选用标准光滤波器、介质多模滤波器、光栅、平面波光波导等器件以均衡增益特性，使增益曲线在所使用的波段上更加平坦，降低增益偏差及系统误码率。


　　二、 色散控制技术


　　色散受限是决定系统中继段距离长短的又一重要因素。


　　在数字光纤通信系统中，由于信号的各频率成分的传输速度不同，信号在光纤中传输同样的距离后会产生信号分散及脉冲宽度被展宽的现象，严重时还会出现脉冲互相重叠的情况，形成码间干扰，增大系统误码率，缩短系统中继段距离。


　　采用色散控制技术的目的就是为了最大限度地减少和避免由于色散而引起的码间干扰等现象对光纤通信系统性能造成的影响。


　　对于新建系统，为了克服色散的影响，可采用G.655非零色散位移光纤以克服色散对光纤通信系统的影响，G.655非零色散位移光纤在1550nm窗口同时具有最小色散和最小衰减，在1530nm-1565nm波段其光纤的典型参数为：色散系数1-6ps/nm.km,衰减系数 <0.25dB/km。


　　如设计内容为对已建采用G.652常规光纤的通信系统进行改造，则可根据G.652常规光纤在1550nm窗口典型色散为17 ps/nm.km的特点，合理使用诸如色散补偿光纤等色散调节技术，实现大容量、长距离的光纤通信。


　　三、 光合波及光分波技术


　　由前面的定义我们已经知道，波分复用（DWDM）技术是利用单模光纤低损耗区的带宽，将不同频率波长的光信号通过合波器合成一束光后发射进同一根光纤进行传输，在接收端通过分波器区分开不同频率波长的信号并进行相应数字处理还原出原信号的复用技术，因此光合波及光分波技术是DWDM系统中非常重要和关键的技术，其性能指标的优劣、器件质量的好坏对DWDM光纤通信系统的影响非常大，光合波与分波器的性能指标主要有插入损耗、串扰及偏振相关性。常用的光合波与分波器主要有介质薄膜干涉型光合波及分波器、释放光栅型光合波器、星型耦合器及光照射光栅、阵列波导光栅等。


　　其中阵列波导光栅（AWG）型光合波分波器具有波长间隔小、信道数多、通带平坦的特性，是目前DWDM光纤通信系统可选用的较好的光合波分波器种类之一。


　　四、 光节点技术


　　DWDM系统光传送网的节点可分为光交叉连接（OXC）节点、光分插（OADM）节点以及混合节点三种。


　　OXC由光交叉连接矩阵、波长转换接口及控制单元组成，它以光/光的形式直接进行光信号无阻塞、低延迟、宽带、高可靠的交叉连接，避免了SDH光通信系统中数字连接设备对光信号的交叉连接需进行光/电、电/光转换的过程，极大地提高了系统的可靠性。


　　OADM可分为静态OADM节点和动态OADM节点，和OXC一样，它也是直接以光/光的形式对信号进行不同波长的上、下分插。


　　五、 网络管理


　　网络管理一直是网络维护管理者最为关心的内容之一，一个系统运行质量的高低和系统网络管理方面的设计有着很重要的关系。对一个DWDM系统的网管来讲，至少应注意的内容有：


　　1、系统性能管理，如光信号频率稳定度，系统噪声及系统非线性效应情况、系统的传输衰耗、色散、重要部件或器件的工作状态监测等。


　　2、故障管理
　　包括故障类型、故障节点、路由隔离、保护倒换、网络重构等。


　　3、波长管理


　　4、配置管理等。
　　DWDM系统工程设计中的重要内容


　　一、系统通路参数的确定


　　进行DWDM系统工程设计，首先应根据系统的传输容量确定系统通路的数目、宽度、每路的频率（中心频率）以及通路的间隔。通路宽度确定时，应充分考虑到通路的比特率及采用的系统调制技术，通路间隔选择应充分考虑到激光器、滤波器及放大器件的频率偏差，这样才会尽可能地避免各通路之间的干扰。


　　二、波长管理


　　DWDM系统的通路由不同波长组成，当某一个通路的信噪比严重降低，误码率达到一定限度时，系统应能检测到故障的类型、发生地点、严重程度，同时根据需要及时进行波长管理，如采取将信号倒换到另一波长上进行传输等措施，波长管理功能对保证整个系统的可靠性有着重要的意义，在设计中一定要予以充分的重视。


　　三、色散计算


　　不同波长的光信号在光纤中进行传输会出现不同程度的色散或光脉冲展宽现象，使得系统易出现串话等故障。因此设计中应根据DWDM系统的通路数、通路中心频率及频率分布范围、通路间隔、光通道长度、光纤类型、光器件色散特性等因素，正确计算不同通路的色散值，在系统总体性能指标的要求下，确定、优化、选择相应的光设备性能指标。


　　四、光功率计算


　　在系统总体性能指标的要求下，正确选择发射机功率，做到保证在系统误码率指标要求下，接收机接收到的光功率应满足其灵敏度等指标的要求，但又不至于过大，因为过大的光功率会引起非线性现象，严重影响系统性能。


　　在一些高速公路通信系统工程的建设程序中经常会安排系统联合设计的工作，因此在系统联合设计阶段，一定要结合已确定的通信系统产品的发射机发射功率、接收机接收灵敏度、通道长度等参数来计算、验证光功率指标，如光功率计算结果显示光功率指标太小不能满足系统总体性能指标的要求，则可根据实际情况选择采用光放大技术并确定相应光放大器件。


　　光功率计算中应计算光发射机与光接收机之间的光通道中的每个元件的信号损耗，计算中系统应留有3dB左右的余量。


　　五、网络的互通及可扩展性


　　网络的发展速度越来越快，为了使所设计的网络今后能与其它网络实现互联互通，设计中一定要考虑网络的互通性，要保证网络的服务和数据流能从一个服务商的网络平滑无缝地传输交换到另一个服务商的网络。因此对网络传输交换的标准、所使用的协议、采用的接口类型、系统所采用的通路中心频率及频率范围、频率的稳定度、通路间隔等指标都需进行认真考虑，设计中采用的标准应满足国际和国标相应规范的要求。否则由于设计考虑不周到而存在缺陷，极易造成今后系统不能互联互通。


　　一般来说，高速公路光纤通信系统建设初期的容量要求一般都不大，但随着时间的推移，业务的开展，往往会产生扩容的要求，不论是物理网络的扩展，还是系统带宽（波长）的增加，这在DWDM工程设计中都应该有所考虑，设计的内容应能方便地提供系统扩容、软件升级、新业务提供等手段，以适应今后网络发展的需要，提高所设计的通信系统的生存周期。


结束语

　　随着关键技术及光电元器件技术的突破,光纤通信技术近年来发展速度非常快。新技术、新产品不断出现，通信系统的更新换代周期较短，例如在SDH实用化的基础上成功进行的DWDM传输技术开发及工程化应用只用了几年的时间。DWDM传输技术自1995年以来已逐步进入商用化阶段，国内外采用DWDM复用技术的光通信工程已在近年开通了不少，实际应用的效果令人鼓舞。


　　国内高速公路光纤通信系统的建设目前还未有实际采用DWDM复用技术解决方案的正式报道。鉴于高速公路DWDM光纤通信传输系统具有满足高速公路光纤通信专网对传输系统的要求、每芯光纤通信传输容量大、比SDH光纤通信传输系统具有更高的光纤利用率并少占用通信管道从而节约建设资金、满足光纤通信网目前及今后一段时期内对带宽的需求、系统兼容性较好、能实现透明传输、性价比较高、扩容及系统升级换代方便等优点，建议国内高速公路通信系统投资建设、管理单位（业主）及通信系统设计单位对此予以一定的重视，以提高建设资金的使用效果。