ULH及WDM技術(shù)發(fā)展

一、概述

　　隨著業(yè)務(wù)量的提高，DWDM系統(tǒng)在我國(guó)骨干網(wǎng)和省二級(jí)骨干傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上得到了廣泛的應(yīng)用，基于10Gbit/s和2.5Gbit/s的DWDM系統(tǒng)已經(jīng)成為基本的傳送平臺(tái)。 在東部等業(yè)務(wù)量大的發(fā)達(dá)地區(qū)使用的是基于10Gbit/s的DWDM傳送平臺(tái)，目前使用C波段，波長(zhǎng)間隔為100GHz，可升級(jí)為40波系統(tǒng)。今年骨干網(wǎng)上也開(kāi)始使用C波段波長(zhǎng)間隔為50GHz，系統(tǒng)容量可達(dá)到80波10Gbit/s的系統(tǒng)。

　　從DWDM系統(tǒng)的傳輸距離來(lái)看，根據(jù)國(guó)內(nèi)關(guān)于WDM系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以把長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)分為常規(guī)長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)LH(Longhaul)、亞超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)ELH(Enhancedlonghaul)、超長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)ULH(ultra-long haul)。對(duì)于傳輸距離小于1000km的WDM系統(tǒng)稱為常規(guī)長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)，傳輸距離在1000～2000km的WDM系統(tǒng)稱為亞超長(zhǎng)傳輸（ELH）系統(tǒng)，傳輸距離大于2000km的WDM系統(tǒng)稱為超長(zhǎng)距離傳輸（ULH）系統(tǒng)。

　　單通路為40Gbit/s的系統(tǒng)也在不斷的開(kāi)發(fā)和研制的過(guò)程中，由于高端路由器已經(jīng)具有40Gbit/sPOS接口，因此基于40Gbit/s的DWDM傳送系統(tǒng)的使用會(huì)先于40Gbit/sSDH系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外廠商也已經(jīng)有了相關(guān)的試驗(yàn)和產(chǎn)品報(bào)道，但是應(yīng)當(dāng)看到的是40Gbit/s系統(tǒng)中還有一些技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，才能夠提供商用化的產(chǎn)品

　　目前，常規(guī)長(zhǎng)距離WDM傳輸系統(tǒng)在我國(guó)的干線網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)有大量的應(yīng)用，亞超長(zhǎng)距離系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化也已經(jīng)完成，超長(zhǎng)距離的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都在研究當(dāng)中，已經(jīng)有相當(dāng)多的廠家有了商用化產(chǎn)品，在我國(guó)使用較多的還是解決單段長(zhǎng)跨距的WDM傳輸技術(shù)。由于傳輸距離長(zhǎng)，ULHWDM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，它可以減少電再生站、光放站的數(shù)量，延伸光放站之間的距離，有效降低系統(tǒng)成本，尤其對(duì)于中國(guó)這樣幅員遼闊的國(guó)家，ULH將更具實(shí)際意義。隨著初期投資成本的降低，其維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)將更加明顯，與ROADM技術(shù)結(jié)合應(yīng)用會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層次。

　　從城域傳送網(wǎng)的層面來(lái)看，城域WDM環(huán)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展之后，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐漸增多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，逐步顯露出它多種業(yè)務(wù)承載，同時(shí)具有保護(hù)功能的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

　　本文將針對(duì)WDM系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)應(yīng)用等進(jìn)行分析。

　　二、ULH和WDM傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

　　1.寬帶喇曼放大器技術(shù)

　　在ULH系統(tǒng)中，喇曼放大器技術(shù)是非常受矚目的光傳輸技術(shù)，可以放大EDFA所不能放大的波段，并且利用普通的傳輸光纖就能實(shí)現(xiàn)分布式放大，從而大大提高系統(tǒng)的光信噪比（OSNR）。

　　喇曼放大器利用光纖自身對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)在傳輸過(guò)程中的固有損耗可以在光纖內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償。一種應(yīng)用較廣的喇曼放大器稱之為分布式喇曼放大器(DRA)。DRA工作的基本原理是受激喇曼散射(SRS)效應(yīng)，既將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)頻率下移的光束，頻率下移量由非線性介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，當(dāng)波長(zhǎng)較短(與信號(hào)波長(zhǎng)相比)的泵浦光饋入光纖時(shí)，發(fā)生此類效應(yīng)。泵浦光光子釋放其自身的能量，釋放出基于信號(hào)光波長(zhǎng)的光子，將其能量疊加在信號(hào)光上，從而完成對(duì)信號(hào)光的放大。喇曼增益取決于泵浦光功率、泵浦光波長(zhǎng)和信號(hào)光波長(zhǎng)之間的波長(zhǎng)差值，所有的喇曼放大器都可應(yīng)用于40Gbit/s和10Gbit/s的傳輸系統(tǒng)，有時(shí)還會(huì)采用互泵浦和相對(duì)泵浦技術(shù)。對(duì)于超長(zhǎng)距系統(tǒng)來(lái)說(shuō)利用喇曼放大器提高系統(tǒng)的OSNR、增加系統(tǒng)跨距長(zhǎng)度、提高WDM系統(tǒng)的通路和抑制光纖非線性效應(yīng)是主要的目的。

　　2.超強(qiáng)FEC編碼

　　在光傳輸系統(tǒng)中采用前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)，能夠消除系統(tǒng)性能曲線中的誤碼率平臺(tái)現(xiàn)象，其編碼增益也提供了一定的系統(tǒng)富余量，從而降低光鏈路中線性及非線性因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)于有光放大器的系統(tǒng)，可以增加光放大器間隔，延長(zhǎng)傳輸距離，提高信道速率，減小單通路光功率。FEC的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一是帶外FEC系統(tǒng)，二是帶內(nèi)FEC系統(tǒng)，帶內(nèi)FEC的增益一般為3dB左右，而帶外FEC的增益遠(yuǎn)高于帶內(nèi)，因此超長(zhǎng)距系統(tǒng)均采用帶外FEC編碼。在現(xiàn)有常規(guī)DWDM系統(tǒng)中所應(yīng)用的FEC編碼，尤以RS編碼最普遍。RS223編碼比RS239編碼擁有更多的冗余字節(jié)，因此前向糾錯(cuò)能力更好，RS239編碼可以比無(wú)編碼時(shí)的OSNR情況改善5dB左右，而RS223編碼又可以比RS239改善4dB，因此使用超強(qiáng)FEC時(shí)，OSNR總體改善情況為9dB，大大提高了系統(tǒng)的傳輸距離。實(shí)驗(yàn)證明，采用3bit軟判決塊Turbo碼，可獲得10.1dB的凈編碼增益和24.6%的冗余。對(duì)于40Gbit/s傳輸系統(tǒng)，由于接收機(jī)對(duì)OSNR更敏感，在高鏈路速率中經(jīng)常發(fā)生信號(hào)損傷，因此在40Gbit/s系統(tǒng)中需要更高的編碼增益，并降低開(kāi)銷冗余。

　　3.動(dòng)態(tài)增益均衡

　　對(duì)于超長(zhǎng)距離傳輸，保證整個(gè)線路上的增益平坦是非常重要的，增益均衡用于保證線路上各個(gè)波長(zhǎng)之間的增益平坦，在主光通道的入口可能和各個(gè)波長(zhǎng)之間的功率電平一樣，但由于放大器增益平坦度以及各個(gè)波長(zhǎng)在線路中衰耗的不一致，會(huì)導(dǎo)致在接收端各個(gè)波長(zhǎng)之間的功率差異較大，影響正常的接收。目前一種通用的方法是在各個(gè)光放站放置增益平坦濾波器，此外通過(guò)基于各個(gè)通道光譜密度的大小，實(shí)施反饋控制，可以動(dòng)態(tài)管理平坦進(jìn)程。

　　動(dòng)態(tài)增益均衡的優(yōu)勢(shì)在于可以增加超長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)的區(qū)段數(shù)目，可以在級(jí)聯(lián)50個(gè)EDFA情況下，不進(jìn)行電再生中繼；支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，在網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)數(shù)目發(fā)生重大差異時(shí)不會(huì)對(duì)OSNR造成損傷；由于輸入光功率變化也會(huì)造成增益斜度劣化，而通過(guò)動(dòng)態(tài)增益均衡，可以代替目前正在使用的可調(diào)光衰減器(主要位于發(fā)射機(jī)一側(cè))。

　　4.碼型技術(shù)

　　由于不同線路調(diào)制碼型的光信號(hào)在色散容限、SPM(Self-PhaseModulation，自相位調(diào)制)、XPM(CrossPhaseModulation，交叉相位調(diào)制)等非線性的容納能力、頻譜利用率等方面各有特點(diǎn)，對(duì)于超寬頻帶的超長(zhǎng)距離WDM傳輸系統(tǒng)中，NRZ、RZ等碼型都有自己的特色。

　　NRZ碼的應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低、頻譜效率高，是目前SDH和WDM系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的碼型，由于NRZ碼元過(guò)渡不歸零，對(duì)傳輸損傷敏感，不適用于高速超長(zhǎng)距離光信號(hào)的傳輸。

　　RZ碼的主要缺點(diǎn)是信號(hào)頻譜寬度相對(duì)NRZ碼增加，增加調(diào)制器使系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本提高。為了進(jìn)一步提高RZ碼的傳輸性能，近年來(lái)還出現(xiàn)了CS-RZ(載頻抑制RZ)和CRZ(啁啾RZ)等碼型。在CS-RZ碼中，相鄰碼元的電場(chǎng)振幅的符號(hào)相反，從而達(dá)到降低光譜寬度的目的，在功率較高的情況下，不但增加了色散容限，而且有更強(qiáng)的抵抗SPM和FWM等光纖非線性效應(yīng)的能力。CRZ碼采用了三級(jí)調(diào)制技術(shù)(RZ幅度調(diào)制、相位調(diào)制和數(shù)據(jù)調(diào)制)，其相位調(diào)制器在發(fā)射端對(duì)RZ脈沖的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量。抵抗非線性效應(yīng)的能力非常優(yōu)異。此外，CRZ還具有優(yōu)良的抵抗偏振相關(guān)損耗（PDL）和偏振模色散（PMD）的能力，具有更高的傳輸穩(wěn)定性。它的缺點(diǎn)是調(diào)制技術(shù)比較復(fù)雜，對(duì)三級(jí)調(diào)制之間的定時(shí)和時(shí)延要求很高。最近又研究出新的編碼格式如CSRZ-DPSK、差分相移鍵控歸零碼（RZ-DPSK）、雙二進(jìn)制、單邊帶/殘余邊帶調(diào)制（SSB/VSB）、相位整形二進(jìn)制傳輸（PSBT）都可應(yīng)用于高速率WDM傳輸系統(tǒng)。

　　5.色散補(bǔ)償

　　在10Gbit/s以上的高速長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，必須考慮色散補(bǔ)償問(wèn)題。色散補(bǔ)償包括色度色散補(bǔ)償和偏振模色散補(bǔ)償。色度色散補(bǔ)償?shù)姆绞桨ㄉ⒀a(bǔ)償器件和色散補(bǔ)償模塊，目前使用最多的是色散補(bǔ)償模塊(DCM)，通常用在EDFA的兩級(jí)之間，用以補(bǔ)償DCM的插損。但是這種色散補(bǔ)償光纖具有較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，會(huì)使不同信道之間的串?dāng)_加大。在40Gbit/s系統(tǒng)當(dāng)中，環(huán)境因素的變化會(huì)造成色散量大小的隨機(jī)波動(dòng)，因而還要求色散補(bǔ)償模塊是可調(diào)諧的。需要使用動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償，應(yīng)該選擇光纖光柵器件、VIPA器件和平面波導(dǎo)器件等方案?，F(xiàn)在對(duì)于動(dòng)態(tài)的色度色散補(bǔ)償方式也進(jìn)行了大量的研究，但是真正商用的產(chǎn)品尚不多。

　　6.遙泵技術(shù)

　　遙泵技術(shù)是用于單段長(zhǎng)跨距傳輸?shù)膶ｉT(mén)技術(shù)，主要解決單長(zhǎng)跨距傳輸中信號(hào)光的OSNR受限問(wèn)題。在單段長(zhǎng)跨距傳輸系統(tǒng)中，光纖輸出端口處的光功率總是很小，經(jīng)光功率放大后，極易造成接收端OSNR受限，因此需要采用高入纖光功率。同時(shí)為了避免出現(xiàn)非線性失真，總光功率一般限制在30dBm以下。

　　為了進(jìn)一步解決OSNR受限延長(zhǎng)傳輸距離，可在光纖鏈路中間部分對(duì)光信號(hào)進(jìn)行預(yù)先放大。在傳輸光纖的適當(dāng)位置熔入一段摻鉺光纖，并從單段長(zhǎng)跨距傳輸系統(tǒng)的端站（發(fā)射端或接收端）發(fā)送一個(gè)高功率泵浦光，經(jīng)過(guò)光纖傳輸和合波器后注入鉺纖并激勵(lì)鉺離子。信號(hào)光在鉺纖內(nèi)部獲得放大，并可顯著提高傳輸光纖的輸出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介質(zhì)（鉺纖）不在同一個(gè)位置，因此稱為“遙泵（RemotePump）”。遙泵光源通常采用瓦級(jí)的1480nm激光器，以克服長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)膿p耗問(wèn)題。根據(jù)泵浦光和信號(hào)光是否在一根光纖中傳輸，遙泵又分為“旁路”（泵浦光和信號(hào)光經(jīng)由不同光纖傳輸）和“隨路”（兩者通過(guò)同一光纖傳輸）兩種形態(tài)。隨路方式中泵浦光還可對(duì)光纖中的信號(hào)光進(jìn)行喇曼放大，進(jìn)一步增加傳輸距離，并可節(jié)省光纖資源，可以得以廣泛應(yīng)用。遙泵技術(shù)通常還可綜合其他新技術(shù)，如光纖有效截面管理、二階喇曼泵浦、兩級(jí)遙泵增益區(qū)等。

　　總之，遙泵傳輸技術(shù)是在光纜線路中插入摻鉺光纖等增益介質(zhì)來(lái)進(jìn)行光放大，這些點(diǎn)不需要供電設(shè)施，也無(wú)需維護(hù)，適合那些穿越沙漠、高原、湖泊、海峽的環(huán)境。不便之處在于，它需要在適當(dāng)?shù)奈恢们袛喙饫|，將摻鉺光纖串聯(lián)到原來(lái)的光纖中，施工改動(dòng)量和難度較大。

　　三、WDM技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

　　國(guó)內(nèi)各個(gè)廠商對(duì)于ULH技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，中興、烽火等公司在國(guó)家863計(jì)劃的資助下，已經(jīng)完成了ULH試驗(yàn)系統(tǒng)的研究和搭建。中興公司研發(fā)的大容量、超長(zhǎng)距離傳輸U(kuò)LHDWDM系統(tǒng)容量可升級(jí)達(dá)到160×10Gbit/s，波長(zhǎng)范圍覆蓋C+L波段，可在G.652光纖的環(huán)路平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)超過(guò)5000km的無(wú)電中繼傳輸。烽火公司研發(fā)的超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)覆蓋C+L波段，系統(tǒng)容量可升級(jí)達(dá)到160×10Gbit/s，直線傳輸距離可以達(dá)到3040km。兩個(gè)系統(tǒng)使用的都是CS-RZ編碼，EDFA和喇曼混合放大技術(shù)。上述兩個(gè)公司的相關(guān)研究成果已經(jīng)有進(jìn)一步商用化的計(jì)劃。華為公司也宣布研制成功了ULH系統(tǒng)，據(jù)報(bào)道在業(yè)務(wù)容量為40×10Gbit/s使用G.652和G.655兩種光纖的情況下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)4600km的無(wú)電中繼傳送。

　　國(guó)外設(shè)備制造商也在前幾年開(kāi)始了ULHWDM系統(tǒng)的研發(fā)，朗訊公司開(kāi)發(fā)的LambdaXtreme超長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)據(jù)報(bào)道能夠?qū)?28條10Gbit/s光信號(hào)傳送至4000km，中間無(wú)需放大器。對(duì)于64條40Gbit/s的光信號(hào)，傳輸距離可達(dá)1000km。同時(shí)Alcatel、Ciena、Corvis、Nortel等公司也有了商用化產(chǎn)品，但總的來(lái)說(shuō)應(yīng)用還不多。

　　從技術(shù)角度來(lái)看，利用ULHWDM系統(tǒng)中的EDFA和喇曼放大器結(jié)合的放大技術(shù)、采用色散和非線性容限較高的碼型等ULHWDM技術(shù)都可以延長(zhǎng)光放段的傳輸距離，用于骨干網(wǎng)中部分長(zhǎng)跨距的應(yīng)用，這是目前比較普遍的ULHWDM技術(shù)應(yīng)用。同時(shí)ULH WDM系統(tǒng)可以減少電再生站、光放站的數(shù)量，延伸光放站之間的距離，充分反映出采用超長(zhǎng)距系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)成本的降低。直接建設(shè)大型城市之間的超長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)可以解決對(duì)帶寬的迫切需要，同時(shí)節(jié)省了大量的光放站和電再生中繼站，降低了系統(tǒng)的成本和維護(hù)費(fèi)用，與可配置OADM技術(shù)結(jié)合，在骨干網(wǎng)上可以實(shí)現(xiàn)大城市之間的快速直達(dá)車(chē)，在中間的大城市站點(diǎn)可以采用OADM來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入。

　　城域WDM環(huán)網(wǎng)技術(shù)隨著城域網(wǎng)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增加而顯示出它多業(yè)務(wù)平臺(tái)、透明傳輸，同時(shí)可以提供一定的保護(hù)機(jī)制的優(yōu)勢(shì)。在城域傳送網(wǎng)的核心層，尤其是光纖資源相對(duì)緊張的地區(qū)有較好的發(fā)展前景。

　　骨干網(wǎng)上對(duì)于波長(zhǎng)的需求已經(jīng)逐步增加，目前骨干網(wǎng)建設(shè)中，目標(biāo)波長(zhǎng)數(shù)為80波的系統(tǒng)已經(jīng)提上議事日程，相信隨著業(yè)務(wù)的不斷增加，對(duì)于更高速率、更多波長(zhǎng)和更長(zhǎng)傳輸距離的DWDM系統(tǒng)的要求也會(huì)不斷增加，會(huì)為技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供驅(qū)動(dòng)力。


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