超長(cháng)距DWDM關(guān)鍵技術(shù)分析及應用

摘要　DWDM|0">DWDM是作為目前主流的長(cháng)途傳輸中技術(shù)初步解決了傳統電信業(yè)務(wù)大容量和遠距離傳輸的基本問(wèn)題，超長(cháng)距離DWDM傳輸技術(shù)由于節省了大量的電中繼設備，能夠大幅度降低投資成本，提高系統的傳輸質(zhì)量和可靠性，具有良好的升級擴容潛力及高效方便的維護特性。分析了ULH DWDM采用的幾種主要技術(shù)，并分析了其在國內應用的可能性和必要性。

1、引言

根據國內關(guān)于WDM系統的行業(yè)標準，可以把長(cháng)途光纖傳輸系統分為常規長(cháng)距離傳輸系統LH（Long Haul＜1 000 km）、亞超長(cháng)距離傳輸系統ELH（Enhanced Long Haul 1 000～2 000 km）、超長(cháng)距離傳輸系統ULH（Ultra-Long Haul＞2 000 km）。本文主要介紹ULH DWDM系統傳輸中的幾種關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)同時(shí)分析ULH DWDM在國內應用的可能性和必要性。

2、ULH DWDM系統的引入

DWDM（密集波分復用）技術(shù)是目前長(cháng)途干線(xiàn)的主流技術(shù)，從1996年應用開(kāi)始，DWDM技術(shù)便以超摩爾定律的速度發(fā)展了5年。目前容量已不再是WDM技術(shù)的唯一發(fā)展方向，運營(yíng)商降低建網(wǎng)和運營(yíng)成本的需求驅動(dòng)著(zhù)DWDM設備供應商持續關(guān)注設備的長(cháng)距離傳送能力和綜合運維能力。

直接建設大城市之間的超長(cháng)距傳輸系統可以解決對帶寬的迫切需要，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )結構，同時(shí)節省大量的電再生中繼站，降低系統的建設成本和維護費用；UHL技術(shù)與可配置OADM技術(shù)結合，在骨干網(wǎng)上可以實(shí)現大城市之間的快速直達車(chē)，中間的大城市站點(diǎn)可以采用OADM透明上下業(yè)務(wù)。目前ULH DWDM已經(jīng)成為光纖通信領(lǐng)域研究與應用的熱點(diǎn)，相信隨著(zhù)業(yè)務(wù)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，ULH WDM系統的應用會(huì )越來(lái)越多。

3、ULH DWDM系統中的關(guān)鍵技術(shù)

ULH DWDM系統采用的主要新技術(shù)包括RAMAN與EDFA相結合、SFEC/FEC、光均衡、非線(xiàn)性處理、色散/PMD處理、RZ編碼等。

3.1　喇曼放大技術(shù)（RAMAN）[1,2]

光纖中的受激喇曼散射效應早在1973年就發(fā)現了，并且在實(shí)驗中證明了光纖喇曼放大技術(shù)可以用于數字信號和光孤子系統，但在很長(cháng)時(shí)間內喇曼光纖放大器未能獲得廣泛應用，甚至在EDFA出現后一度銷(xiāo)聲匿跡，關(guān)鍵原因在于缺乏合適的大功率半導體泵浦激光器。后來(lái)，泵浦激光器技術(shù)的成熟大大促進(jìn)了喇曼放大技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)可以實(shí)現高達114 nm的增益帶寬。同時(shí)，通過(guò)選擇合適的泵浦源，喇曼放大技術(shù)可使信號在光纖透明窗口內任何位置上放大；利用多波長(cháng)泵浦，增益譜不但可以覆蓋C波段，還可以擴展到L波段和S波段。

對于純粹基于EDFA的長(cháng)距離DWDM系統，放大器的自發(fā)輻射噪聲（ASE）累積導致光信噪比不足是限制無(wú)電中繼傳輸距離（600～800 km）的主要因素。喇曼放大器的增益系數較低，屬于分布式放大器，比集中放大結構可以獲得更高的信噪比，并能減弱有害的非線(xiàn)性效應，因此對于UHL系統喇曼放大是關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2　FEC/SFEC技術(shù)[3，4]

通過(guò)分布式喇曼放大技術(shù)可以延緩OSNR的劣化；而FEC技術(shù)通過(guò)在傳輸碼列中加入冗余糾錯碼，可降低接收端的OSNR容限，從而達到改善系統性能、降低系統成本的目的。FEC的檢測和糾錯技術(shù)不僅改善了傳送系統的誤碼率，也提高了系統的ONSR，從而延長(cháng)了傳輸距離。常規的FEC可將傳送系統的信噪比改善5 dB，一些改進(jìn)的FEC技術(shù)（SFEC）甚至可以改善10 dB的信噪比。

從編碼角度來(lái)說(shuō)，交織碼和級聯(lián)碼都可以用于FEC技術(shù)。目前業(yè)界提出的實(shí)用化FEC主要有以下3種：

（1）帶內FEC，即利用SDH幀中的一部分開(kāi)銷(xiāo)字節裝載FEC碼的監督碼元。

（2）帶外FEC，ITU-T G.975標準規定利用RS（255,239）碼交織編解碼，在幀尾插入校驗字，編碼冗余度為7%。目前帶外FEC基本上已成為事實(shí)上的FEC編碼標準。

（3）超級FEC（SFEC），是下一步的發(fā)展方向。

3.3　動(dòng)態(tài)增益均衡[5]

在長(cháng)距離光纖傳輸系統中，多級放大器的級聯(lián)將帶來(lái)增益譜不平坦的問(wèn)題，而整個(gè)線(xiàn)路上的增益平坦對于超長(cháng)距離傳輸是非常重要的。增益均衡用于保證線(xiàn)路上各個(gè)波長(cháng)之間的增益平坦，在主光通道的入口可能各個(gè)波長(cháng)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(cháng)在線(xiàn)路中衰耗不一致，會(huì )導致在接收端各個(gè)波長(cháng)之間的功率差異較大，影響正常的接收。目前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)勢在于可以增加超長(cháng)距傳輸系統的區段數目，可以在級聯(lián)50個(gè)EDFA的情況下，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(cháng)數目發(fā)生重大差異時(shí)不會(huì )對OSNR造成損傷；可以替代目前正在使用的可調光衰減器。

3.4　新型ULH編碼技術(shù)

對于ULH WDM系統，先進(jìn)的信號調制格式將提高傳輸的色散、非線(xiàn)性和PMD容限，可以提高系統的OSNR，對提升傳輸距離大有益處。由于RZ編碼中的CRZ方式具有脈沖壓縮能力、能容忍更高的PMD值、可以緩解信號在光纖中的非線(xiàn)性交互作用等優(yōu)異特點(diǎn)，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

RZ碼的主要缺點(diǎn)是信號頻譜寬度相對NRZ碼增加，增加調制器使系統變得復雜、成本高。為了進(jìn)一步提高RZ碼的傳輸性能，近年來(lái)還出現了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)振幅的符號相反，從而達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，而且有更強的抵抗SPM和FWM等光纖非線(xiàn)性效應的能力。CRZ碼采用了3級調制技術(shù)（RZ幅度調制、相位調制和數據調制），其相位調制器在發(fā)射端對RZ脈沖的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量，抵抗非線(xiàn)性效應的能力非常優(yōu)異。

3.5　先進(jìn)的色散補償方案

基于10 Gbit/s的LH DWDM鏈路都須進(jìn)行色散補償，即在每個(gè)（或幾個(gè)）光纖跨段的輸出端放置用DCF制成的色散補償模塊（DCM），周期性地使光纖鏈路上累積的色散接近零。前對于非長(cháng)距的10 Gbit/s系統的色散補償只考慮一階色散補償，但一階色散補償只能補償零色散波長(cháng)處附近的幾個(gè)波長(cháng)的色散，而對于長(cháng)距離傳輸和高速率傳輸系統則需要考慮高階色散補償，即是色散斜率的補償。

目前開(kāi)發(fā)出了多種斜率補償型色散補償光纖（DCF），可用于補償G.652光纖和其他數種新型非零色散位移光纖（NZ-DSF）的色散斜率。若采用60%斜率補償，則經(jīng)過(guò)800 km G.652光纖段傳輸后，C-band的紅端和藍端之間的色散差異可降低到680 ps/nm，進(jìn)而將總色散控制在的色散容限窗口內。理想情況下，采用100%斜率補償可以使C-band的紅端和藍端之間的色散差異基本消失，按照理論推算，即使是非常長(cháng)的ULH DWDM傳輸，色散斜率也不再成為問(wèn)題。

4、ULH DWDM應用的必要性

目前UHL DWDM技術(shù)已通過(guò)了試驗階段，隨著(zhù)數據業(yè)務(wù)的迅猛增長(cháng)，正逐步進(jìn)入商用階段。以某運營(yíng)商為例，由于數據業(yè)務(wù)（IP）對長(cháng)途傳輸的帶寬需求成倍增長(cháng)，尤其以北京、上海、廣州、成都、武漢、西安等節點(diǎn)為主要需求，4個(gè)節點(diǎn)之間的主備用路由距離如表1所示。

表1　節點(diǎn)之間的主備用路由距離

以北京-廣州（京漢廣）DWDM鏈路為例，其主干路由長(cháng)達2 826 km，現有系統中間段落共設置了7個(gè)電中繼站，在背靠背的OTM、中繼型OTU等模塊上投入大量的建設資金。京穗的備用路由更是高達12個(gè)電中繼站，建設、運營(yíng)成本遠遠高于主用路由。同時(shí)由于京滬穗之間的數據流量很大，目前已經(jīng)達到幾百Gbit/s的流量，因此大量地占用了現有長(cháng)途傳輸系統的波道資源，造成現有WDM系統的波長(cháng)利用率較高，面臨擴容的壓力。

與此同時(shí)，在流量較大的京穗、京滬、滬穗等段落上，面臨著(zhù)第二套甚至第三套WDM系統的建設問(wèn)題。在這種情況下，采用ULH WDM技術(shù)會(huì )大大削減建網(wǎng)成本；而且如果建設ULH DWDM系統，將流量很大的京滬穗等節點(diǎn)從現有DWDM系統中割接出來(lái)，原有的波道可以被其它骨干節點(diǎn)利舊使用，不僅梳理了業(yè)務(wù)的流量流向，而且優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò )結構。

圖1　ULH DWDM組網(wǎng)邏輯圖

ULH WDM網(wǎng)絡(luò )邏輯圖如圖1所示（光放站在圖中省略），無(wú)電光放距離最大為2 000 km，光放站距根據實(shí)際地理位置選擇，平均可以在120 km左右。這樣僅在京漢廣線(xiàn)路上就可以減少6個(gè)電中繼站和若干光放站，不僅降低了背靠背OTM（多達12個(gè)）的需求，而且大幅減少了中繼性OTU的數量，上述兩者正是WDM系統中的主要成本所在。ULH系統在上海-廣州、上海-北京和廣州-成都段落上成本、運營(yíng)效果同樣明顯。對于在路由上的其它骨干節點(diǎn)（鄭州、南京、福州等），在論證確有需要的情況下，可以通過(guò)OADM設備實(shí)現業(yè)務(wù)上下路，能夠簡(jiǎn)化節點(diǎn)結構，并節省了大量后期擴容時(shí)OTU的數量的成本。

5、結束語(yǔ)

寬帶接入、3G移動(dòng)通信等多元化新興通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，深刻地影響著(zhù)當今電信網(wǎng)的概念、格局和體系，推動(dòng)電信科技不斷進(jìn)步。同時(shí)，對于電信運營(yíng)商而言，有效地降低成本、擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋率是保障正常運營(yíng)和持續高速發(fā)展的重要策略之一。超長(cháng)距離DWDM傳輸技術(shù)由于節省了大量的電中繼設備，能大幅度降低投資成本，提高系統的傳輸質(zhì)量和可靠性，具有良好的升級擴容潛力，同時(shí)提供高效方便的維護特性及其它增值服務(wù)。對于中國這樣的幅員遼闊、人口眾多的國家，該技術(shù)有著(zhù)廣闊的前景和應用市場(chǎng)。

參考文獻

1　李春生.光纖拉曼放大器[J].光通訊，2004（9）：34-37.

2　熊倫.拉曼光纖放大器的應用與研究進(jìn)展[J].現代電子技術(shù)，2007（2）：186-188.

3　關(guān)熙瀅，張友純.FEC編碼在高速光通信系統中的應用與性能分析[J]光通信研究，2005（6）：18-20.

4　袁建國，葉文偉，毛幼菊.光通信系統中一種新穎的級聯(lián)碼型[J].光電工程，2007（4）

5　張海懿.ULH及WDM技術(shù)發(fā)展，通信世界網(wǎng)2005-10-17.