跨世纪的骨干网络建设新技术WDM

2019-11-03 18:03:31

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跨世纪的骨干网络建设新技术WDM 摘要：信息时代的和海加速了通信技术的发展，三网合一使得用户对骨干网络的传输带宽和速率都提出了新的要求。WDM作为一种跨世纪的骨干网络建设新技术，正到得了人们的广泛关注。本文简述了WDM的相关技术、技术性能优势和在我国的应用前景。光纤通信是通信史上的一大革命，是未来信息网络的骨干支柱。它给通信建设所带来的深远意义是其它任何通信技术所无法比拟的。最近ZO年来光纤通信技术的发展速度十分惊人，已经过了多代光纤系统的演进，特别是经历了明年代的PDH阶段，9O年代中期的SDH系统阶段以后，正迅速向WDM系统阶段演进，现在WDM光通信的研究开发应用已是通信领域的热点。波分多路（WDM：Wavelength Dlvislon Multiplex）技术是利用光域上的频分复用技术，实现在一根光纤上同时传输多路光信号的光通信技术。波分多路制式具有系统容量大、光纤的利用率高、传输距离长、线路传输设备简单、扩容升级方便等优点，而成为提供超高速、大容量光纤通信的最佳方案。一、概述 1966年英籍华人高馄博士根据介质波导理论首次提出光导纤维可用于光通信的科学论证。197O年美国康宁玻璃公司最先制造出了世界上第一根光导纤维，当时每公里的损耗为2OdB，经过改进不久降为4dB。1976年世界上第一条光纤通信系统的试验线路在美国亚特兰大的贝尔实验室地下管道中问世，次年在美国芝加哥进行了光纤通信系统的商用试验。在8O年代光纤通信在世界上得到了蓬勃的发展。8O年代世界上普遍采用的数字传输系统为准同步（Plesichronous）系统，但这些准同步系统存在着体系标准不统一，设备制式杂乱等情况，并不适合光纤通信的发展。为此，美国提出了一种以光纤为基础的同步通信网（SONET：Synchronous Optical Networ），以作为现代通信的基础平台。1988年CCITT根据SONET概念进行了修改并制定了同步通信系统（SDH）标准。由于SDH系统具有统一的标准接口、同步复用、自动交叉连接、可直接上下支路信号、及具有强大的网管功能而得到了世界各国的普遍使用。目前在世界上使用的光纤通信系统基本上以SDH系统为主。随着信息时代的来临，传输信息量的剧增，光纤通信日渐向超大容量、超高速的WDM系统发展。波分复用技术的最早使用是在美国，在80年代由AT& 万公司建设，被称为“东北走廊”的光缆干线工程就采用了WDM技术。WDM技术可以在光纤的某一波长窗口内，也可用在不同窗口。在9O年代由于时分复用（TDM）技术的迅速发展及其技术的简单、实用，而在光通信领域占了主导地位，WDM发展得并不迅速，直到1995年以后WDM技术才进入了旺盛的发展期。Lucent率先推出了8X2.5Gb／s系统，而后Ciena推出了16X2.5Gb／s系统。目前在试验室已达Tb/ s的速率。、光纤通信的复用技术一开始采用的是原来同轴电缆上使用的PCM脉冲编码调制方式，把模拟信号变成数字信号再利用时分复用技术组成一次群～五次群等。这种系统就是我们所称的PDH系统。后来改进的SDH系列，有:STM－1（155Mbit／s ,STM— 4（622Mbit／S）和STM一16（2.5Gbit／s 等，其采用的复用技术仍为TDM技术。由于目前电的TDM已大多使用2.5Gbit／S，且当传输超过1OGbit／s时，就会遇到一些困难。目前一根光纤上利用多个波长进行传输光信号的WDM技术已得到了业界的认可，并被认为是光纤通信的主要发展技术，利用WDM技术可以在每根光纤上同时传输n路光载波，从而可使其容量迅速扩大n倍。在目前SDH系统速率已达2. 5Gbit／S的情况下，传输速率已不再是现代通信的性能瓶颈，人们更多的追求在于光纤系统的超大容量和宽频带。二、波分多路的相关技术 WDM技术是指在光纤低损耗与色散系数很小的155Onm窗口，利用分波器和合波器，采用光域上的频分复用FDM技术，将每个波长通路通过频域的分割实现多路光信号在一个光纤中同时传输的技术。各传输信号的波长彼此独立，每个波长通路可以传输SDH2.5Gbit／S数字信号或更高速率的数字系统。在发送端须采用波分复用器（合波器）将不同波长的光载波信号合并起来送人同一根光纤中；在接收端再利用波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波加以分离。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不一样，从几个到几十个不等。现在商用化的～般为8波长系统和16波长系统。 WDM技术的发展～方面得力于发送激光器和接收滤波技术的改进，使得在不引起路际串扰的情况下可以将光载波的波长间隙缩小，从而提高光纤系统的传输容量。另～方面得力于EDFA技术的成功，使得多路光信号可以从同一 EDFA中获得增益，且能在更大的波宽宽度内提供平坦的增益，这样，间隙很小的多路光载波可以合用同一EDFA。实现WDM的配套技术主要有：光源技术、光纤技术、光接收滤波技术、分波合波技术、光放大技术及监控技术等。 1．光源技术光源是光纤通信系统中的关键光子器件。常见的光源器件有激光二极管（LD)和发光二极管（LED）两种。对于# ；一 V族半导体材料，O..5Pm短波长光源常采用GaAlA/ GaAs双异质结构，而长波长 1.3～1．55pm则采用InGaasp／lnp隐理式异质结构。而WDM系统须利用长波长光源器件，它不仅要求激光管的发射波长高度稳定，保证器件与波导之间实现最佳耦合，插入损耗小，同时要求能把多路激光管和必要的附属电路集成在同一芯片上，使得多路光载波信号能够在一根光纤中加以传输。近年来研制的多波长光源器件主要是把多路激光管排成阵列，连同一个导形耦合器，利用硅的“平面光路”平台技术制成混合集成光组件，其结构趋于采用光纤光栅的外腔激光管结构。现已有多种光源可用于WDM系统，如多波长光源、绝对波长光源、波长可变半导体激光器等。 2．光纤技术光纤主要是用玻璃予制律拉丝成纤维，它包括纤芯和包层，呈圆柱形，其制造工艺有化学汽相沉积法（MCVD）、汽相轴向沉积法（VAD）、等离子化学汽相沉积法（PCVD）等。现阶段的光纤通信主要以石英光纤为基，实际使用以长波长单模光纤为主。光纤的主要性能有损耗、色散和抗弯能力。单模光纤在长波长1.3pm和1.55Pm两窗D具有低损耗性能。目前两用化的单模光纤主要有单模常规光纤G.652，色散移位光纤G.653和非零色散光纤G. 655，近两年又出现了大面积非零色散位移光纤LEAF。光纤通信中的非线性特性是影响WDM系统传输性能的关键因素。光纤通信系统的非线性技术存在于光纤通信的各个部分，系统中的有源、无源器件或部件都会引入非线性影响，特别是光纤本身的非线性现象就比较严重。在WDM光通信网中，非线性的作用尤为显著，光纤中的非线性现象主要有自相位调制（SPM）、互相位调制（XPM）、四波混频（FWM）、受激布里渊散射（SBS）和受激曼散射（SRS）。其中影响最大的是互相位调制，其次是四波混频。对于四波混频的对抗技术，采用改变光纤色散传输特性的方法来降低其作用效应，来减轻其影响。而对于互相位调制的解决方法，只能通过增大光纤有效面积。因此高速率、多信道的大容量WDM系统不仅要求光纤具有低的损耗、小的色散，而且要求在长波长工作区的色散不为零。小的偏振模色散和大的有效面积等主要性能。将目前使用最为广泛的常规单模光纤G.652直接应用到WDM系统中会产生四波混频，而引起路际干扰妨碍WDM系统的正常运用，为了让它们在1.55pm波段发挥作用，只有采取色散补偿光纤（DCF）的方法。目前G.655光纤既解决了光纤的线性色散受限问题，又解决了光纤的非线性问题，对于运行1OGbit／s或更高速率系统比较容易，是WDM系统使用的主要光纤。由于G.655光纤既克服了G.652的色散受限和G.653无法进行波分复用的缺点，不仅适合于WDM系统，也可以用于高速率、大容量的TDM系统。随着WDM向D－WDM方向的发展，光纤将朝着大有效面积光纤的方向发展。 3．光纤放大器技术光纤发大器（OFA）的作用就是延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离，而且OFA与调制形式和比特率无关，而在光通信系统中得到了广泛的应用。现在研究的光放大器主要有半导体放大器（SOA）、掺镨光纤放大器（PDFA）和掺银光纤放大器（EDFA）等，其中掺饵光纤放大器已进入商用阶段。掺饵光纤放大器可准确工作在石英光纤最低损耗波长的1.55pm波长；并有较宽的调谐范围5Onm，可供多路光频复用，能够提供高增益，偏振不敏感，有低噪声等特性，并可在更宽的波带内提供平坦的增益，是WDM使用的理想光纤放大器。工程中应用的EDFA通常有后置放大器（OBA）、前置放大器（OPA）和线路放大器（OLA）等多种类型的产品。 4．光分波合波技术在WDM系统中，分波器合波器是关键性的器件，波分复用器件也是WDM系统引入的新器件。将不同光源波长的信号结合在～起的器件称为合波器，反之，将经同一光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为分波器。同一器件既可作为分波器，又可以作为合波器。它在超高速、大容量波分系统中起着关键的作用，其性能的优劣对系统的传输质量起着决定性的影响。一般要求分波器合波器的插入损耗小、隔离度大、带内损耗平坦、带外插入损耗变化陡峭、低的偏振相关性、温度稳定性好、复用道路多等。目前在WDM系统中使用的光分波合波器主要有阵式波导光栅（AWG）、相控阵分波器、可调谐滤波器、干涉膜滤波器、光栅耦合器等。 5．光电子集成端机光端机即光纤通信系统中的光纤传输终端设备。光通信网络中通常有终端节点和中间节点两类。在PIN／FET时代，光纤通信的接收端机已经实现了光电子集成（OEIC）。为了适应WDM系统的发展，现在对光电检测管和预放大器的改进主要向超高速、宽频带响应的方向发展。以前的光电二极管 PIN经过有效的改进，仍能满足WDM系统的要求；另外出现的一种光电检测管MSM（金属一半导体一金属）有较好的频率响应。预放大器的场效应晶体管FET也在向高电子速迁移率晶体管（HEMT）演进。目前的OEIC光电接收机既有PIN／HEMT，也有MSM／HEHT等多种形式。另外，监控和管理在WDM系统中也起着重要的地位，ITU一T建议采用一个特定波长来传送WDM检测管理信息，此波长可以位于信息传输带外的131Onm、148Onm、151Onm或位于EDFA增益带党内的1532um波长处，因此其监控有带内波长监控技术和带外波长监控技术两种。三、WDM系统的性能优势 1．经济、高效益光纤通信的初期投资往往非常大，其主要费用在光缆线路的铺设费上。对于遇到建成只有几年其通信容量就出现饱和的情况，建设单位首先考虑是如何利用现有光缆线路实现最大限度的扩容，而不是考虑再在原有线路上铺设新的链路。按照现有SDH系统的时分复用方法（即TDM方式）来进行扩容，其提高的只能是光波信号的调制速率。而在传输速率达到 1OCbit／S以上时将遇到很大的困难，因此一味地朝着TDM方式来发展光纤通信，不是～个理想的方案。而采用光域中的额分复用的优越性显而易见，通过WDM技术，可以有效地利用现有光纤的频率资源，明显地提高光纤系统的传输容量，同时将相应成本的增加降低到很低的程度。在一些业务量较大的地区，光纤数量紧缺的光缆干线采用这种大容量系统比较适宜；WDM系统使用在长途线路中比短途线路中要经济、实惠，一般只有使用两个以上波长时，其优势才会显示出来。 2．传输容量大、传输速率高对于高速、宽带的追求，人们的需求总时无止境的。在PDH阶段，光纤线路的传送速率达到了34Mbit／S和 14OMbit／ S，到了 SDH阶段，传输速率达到了622Mbit／s、2.5Gbit／s以及1OGbit／s。由于采用TDM方式的SDH来传送10Gbit／S速率时，还需要相关的调制技术和更高级的激光器，由于成本极高而使用户难以接受。而采用WDM方式，可以将N个波长复用起来的光信号在一个单模光纤中同时传送，这使得在～个光纤上传输的容量比单模光纤大几倍到几十倍，从而在大容量长途传输时可以节约大量的光纤。每个波长不仅可以传输2.5Gbit／ S的SDH信号，也可以传送1OGbit／S及4OGbit／s以上的光载波信号。目前WDM的8波长和16波长的设备已较成熟，而不少厂商已可以提供32波长、4O波长甚至132波长的WDM设备，在实验室里已完成了总容量为1000Gbit／ s的DWDM系统的实验。 3．光纤系统的传输距离长 WDM系统采用了石英光纤最低损耗的155Onm窗口，其传输损耗更小、传输距离更长、中继距离更长。采用了EDFA技术使得WDM系统中继段的允许损耗更大，而外调制、电吸收等方式的采用则使得中继段的允许色散更大，传输距离由几十公里向百多公里或更长距离延长。1979～ 198O年，光纤通信系统正式投入实际市内电话网的局间线路，开始提供商用时，传输码速45Mbit／S数字信号，其无中继距离为7KM。而目前的SDH系统也需每隔4OKM就设置那种光／电与电／光转换的再生中继机。采用了WDM系统后，其长途线路中只需每隔 80～ 12OKM设置一个光纤放大器。从而为全球光传输系统的联网和国际海缆系统的发展提供了美好的前景。 4．网络更加智能化电信网络正在朝着综合化、全球化、智能化、个人化的方向发展。实现统一的传输网监控并顺利地纳入TMN是光纤网发展的目标之一，而目前的设备不具有这一能力。PDH的网管帧结构中的管理比特少、网管能力差；SDH增强了网管的能力，在帧结构中增加了丰富的管理、维护用开销比特，因此SDH以其丰富的管理开销和特有的复用结构为TMN的应用提供了充分的舞台。然而由于各厂商的信息模型不同，使得不同厂商的网管系统实际上不能互通，其关键在于接口上不可以互通，在短期内SDH还不能达到多厂商的运行环境。WDM系统在操作、管理、维护和配置等功能上都在不断增强，WDM系统设置了重要的网管监控通路，以传输WDM系统的网管信息，其网管更接近TMN模式。 5.线路传输设备简单 PDH设备由于当初没有统一的光接口标准和协议，各厂商的设备均为封闭专用光接口，相互之间必须通过光／电／光的转换才能兼容，从而每上下一次电路，需逐级复用和解复用，需要配置大量的复用设备，级间还需要接数字配线架（DDF），其占用面积大，耗电多，也降低了电路的质量。 SDH具有了统一的标准光接口，可实现横向兼容，避免了光电转换带来的损失。它可直接一次上下支路信号，省去了大量复用设备和DDF，节约了机房面积，降低了功耗。 WDM系统采用了光放大器代替了原来的电再生器，特别是在国家骨干网中，可以大大减少SDH中继器的数量，不仅节省了成本，也简化了设备。WDM系统的基本配置为集成式收／发机（Rx／TX）、光复用／解复用器（OM／OD）和光放大器（OA），随着光电子技术的不断发展，其设备更趋简单。不过随着其复用光载波数量的不断增加，需相应增加收／发端的复用设备。 6.易于扩容扩容升降方便是WDM系统的一大特点，它可以根据业务的需要在同一根光缆上增加新的光载波数量，其扩容只需在收发端新增相应的设备即可，而不用重新铺设新的光缆线路，不过线路中的光放大器需要留有一定的可扩容信道。目前的OWM系统通常将波分复用设备和光放大器按论信道或32信道加以考虑。 7．适合传输多媒体综合业务信息由于同一光纤中传输的光载波信号彼此独立，可以传送不同传输特性的不同信号，并且其通道对于数据格式是完全透明的，而与信号的速率和调制方式无关。从而一个WDM系统可以承载多种格式的业务信号，语音、数据、视频等多媒体信息都可以在WDM系统中得到高质量地传送。四、WDM在我国的应用前景 1．在公众通信网中的前是本世纪末，Internet的迅速崛起并呈爆炸性的发展趋势，给传统的电信业带来了从未有过的机遇和挑战163、169网已迅速成了电信部门的主要业务网络，IP电话、电子商务又给电信部门开拓了新的业务市场。计算机、电信、有线电视等技术已相互融合朝着统一的网络演进，过去单一的网络已无法满足信息产业部门的发展需求。大容量、大对数的光纤通信网正成为公众网的建网所需。WDM技术的出现无疑成了解决公众网络主干拥挤的良策。WDM在公众网中具有美好灿烂的应用前景。 (1) 骨干网我国“八五”期间建设的光纤通信干线多采月14OMbit／ S的低速率、小容量系统，“九五”期间的光剑干线则趋于采用较大容量的 2.5Gbit／ S的 SDH系统我国的“八纵八横”长途光纤传输网络的建设和扩容主要以 2．SGbit／S传输速率为主。由于近几年非话业务的迅速增长，移动通信业务数据的猛增，以及宽带多媒例业务的不断增加，正在建设或即将建设的长途光缆主干主要采用更高速率的TDM系统和WDM系统。由于WDM具有技术成熟，具有众多的性能优势，正成为TDM系统无法比拟的主干网络技术，可以说波分复用的时代已将来临。 (2) 市话网光纤通信最早的应用在于市话网的局间线路上。目前市话局间中继线路基本上实现了光纤化。其光缆有通过地下管道理设在地下、通过杆路架设在杯上。同着经济的发展。城市建设的加快，当局间中继的容量饱和时，再新增一条光缆线路往往耗时、费力并有一定的困难。通过WDM技术可以在原来的光缆上迅速扩容而可将工程投资降低到最大限度。 (3) 接入网接入网作为本地交换机与用户的连接部分，是WDM技术发挥其作用的重要网络。光纤到大楼(FTTB）。光纤到路边（FTTC）已是目前接入网的主要发展方向。鉴于广大家庭用户对信息需求的迅速增长，利用计算机多媒体网络进行家庭办公、及可视电话、可视会议、VOD视频点播等业务的涌现为WDM在接入网中的应用提供了广阔的前景。另外WDM技术的飞速发展使我们可以利用的波长数量大大增加，采用低速率的接口可以为家庭用户提供更多需要的业务服务。另外，数字化高清晰度电视技术的发展、三电合一技术的发展为WDM技术在接入网中的应用提供TDM系统无法比拟的灵活性。宽带优势和价格优势。 2.在专用通信网中的前景光纤通信在各种专用通信线路中的应用与在公用通信线路中的应用相比，具有同样重要的意义。目前的有线电视网络基本上由光纤代替了同轴电缆，而有线电视用户的增加、新电视频道的开辟又对传输网络提出了新的带宽和容量要求，三电台一还处于起步阶段。目前对于其线路的新建和扩容的最佳方案是WDM技术。电力调度网、铁道通信网、军用通信网等专用网上使用WDM具有同样的经济效益。计算机专用数据网的建设可谓是近几年的一道风景线，金融计算机网络、证券股票交易计算机网，及各校园计算机网络，中国教育科研网、中国科技网、“三金”工程等各种计算机专用数据网的蓬勃发展，需要大量的传输电路。目前的FDDI网、ATM校园网、城域网（MAN）已都采用了光纤线路，而用户对于传输速率和带宽的追求又是无止境的。IP、ATM技术以及SDH技术将向以WDM技术为基础的传输网络发展。 3．在洲际间海缆通信中的前景连接亚洲、欧洲、美洲和其它地区的海缆线路的容量是非常大的。从过去的技术发展来看，海缆系统一直最先采用新技术，如 2.5Gbit／ SWDM技术最早是在海缆通信系统中应用的，现在又采用了新型光纤和1OGbit／s的 WDM系统，不久将开通 1OGbit／s X 32的WDM系统，可以说DWDM技术是解决洲际间通信带宽紧张的有效方法。五、结束语 WDM技术第一次把复用方式从电信号转移到了光信号，在光域上用波分复用的方式提高了光载波信号的传输速率和传输容量，它是未来全光网（AON）的基础，也标志着光通信时代的真正来临。WDM具有明显的技术经济优势，对于一个幅员辽阔的发展中国家来说，推广应用WDM技术显得尤为重要。

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