城域粗波分复用CWDM技术浅析

2019-11-03 18:13:51

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上海贝尔有限公司成都光通信研发中心陈楠　　摘要：目前,密集波分复用（DWDM）技术是长途骨干网（广域网）建设的主流技术,在城域网（Metro）和接入网建设方面,DWDM高昂的系统成本极大地限制了它的应用,而粗波分复用（CWDM）技术在系统成本、性能及可维护性等方面的优势,正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。本文通过对CWDM技术优势的分析,探讨了CWDM在城域网建设方面的应用方案。

　　关键词：城域网、DWDM、CWDM、宽带ip。

一、概述

　　城域网（Metro）原是与局域网和广域网相对应的计算机网络的概念,指城域范围的计算机网络。数据通信和电信技术的发展赋予城域网新的内涵,将城域网的概念延伸到整个通信网络,泛指运营商在城市及其郊区范围内提供多种业务的所有网络。它以宽带光传输为开放平台。各类网关实现话音、数据、图像、多媒体、IP接入合各种增值业务及智能业务,并与各运营商的长途网和公用电话交换网（PSTN）互通的本地宽带综合业务网。城域网与广域网的主要区别在于城域网的业务范围不仅有话音,还有数据和图像,是全业务网络。城域网需要支持各种客户层信号,而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽。局域网的地域限制使各行各业形成了一个个信息孤岛,广域网的带宽限制又使信息高速公路上的宽带应用大打折扣,核心问题可归结为带宽与距离的矛盾。而城域网则是解决带宽和增加网络覆盖范围的很好方法,这使得城域网成为未来最具发展潜力的网络系统。

　　宽带城域网的建设正成为电信建设的热点。由于密集波分复用(Dense Wave Divisionmultiplexer,DWDM) 技术的巨大带宽和传输数据的透明性,人们自然希望能把DWDM作为城域网中的传输平台。在长途传输中,由于DWDM采用了EDFA（掺铒光纤放大器）将光信号直接放大,节省了大量的电中继设备,从而大大节约了成本。但由于EDFA平坦增益带宽较窄和它本身某些增益特性的限制,人们不得不采用高波长稳定度的激光器和密集波分复用器和解复用器,并且在整个线路上进行光功率均衡；此外,由于电中继传输距离加长,对激光器的色散容限和啁啾特性也提出了很高的要求。这些技术的应用又提高了系统成本。尽管这些高性能的器件和部件价格昂贵,由于广域网传输距离很长,DWDM系统中多个波长通道共用光纤和放大器,仍然可以大幅度降低成本。

　　而在城域网由于传输距离短（一般100公里以内）,不需要使用放大器,增加一根光纤成本也不高,如果简单采用和广域网一样的DWDM设备,无疑将得不偿失。解决的方法是采用粗波分复用（Coarse WDM,CWDM）技术。

　　二、城域网对波分复用(WDM)技术的需求

　　首先是成本需求。众所周知,城域网的用户群相对长途网络较小,如果按照用户数量分摊成本,城域WDM技术占不到任何优势。考虑其它技术来降低用户成本,WDM技术才可能更有发展潜力。值得庆幸的是,城域网的传输距离较短,可以利用减少光纤放大器数目的办法初步降低设备成本。但这还是远远不够的,必须在系统内部找原因,减少关键部位的技术成本。

　　其次是承载业务的灵活性需求。城域网的业务复杂多样,带宽颗粒分布几乎没有严格的规律及可预见性,对传输系统的适应性要求很强。而长途波分系统提供的波长通道一般为2.5G或10G。

　　最后是业务的可靠性及质量保证措施需求。由于城域网中的业务特别是数据业务大都没有QoS保障,需要系统在光层全面考虑。

　　由于城域网范围传输距离通常不超过 l00km,因而长途网必须使用的外调制器和光放大器在城域网中可以不使用。由于没有光放大器,波长数的增加和扩展也不再受光放大器频带的限制,可以容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,城域网系统对WDM技术的的成本需求是很低的。

　　对于城域网,系统对单模光纤的传输衰减要求不高,也不需要使用光纤放大器。这样这可以使用1200-1700nm的宽窗口,将相邻波长间隔放宽到10或20nm同样可以构成数十路的波分复用系统。这就是粗波分复用（CWDM）系统。

　　DWDM的收发设备要比CWDM系统的同类产品贵四、五倍,DWDM的收发设备价格高与激光器的许多因素相关。CWDM的激光器与DWDM激光器制造上的波长容差是一个非常关键的因素,DWDM激光器的波长容差的典型值为±0.1nm。然而CWDM激光器的波长容差却高达±2－3nm。另外,激光片的成品率低也增加了DWDM激光器的造价。此外,带Peltier冷却设备和热敏电阻的蝶形DWDM激光器要比无冷却的同轴CWDM激光器贵得多。

　　CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却,当CWDM系统工作在0℃到70℃的温度范围内,其激光器的波长一般会有6nm的漂移。这个波长漂移再加上激光器生产过程造成的±3nm波长变化,总共大约有±12nm的变化。这样就要求光滤波器的通带和激光器信道间距必须足够宽。在这些系统中,在信道带宽为13nm的情况下信道间距一般为20nm。当复用的信道数为16或者更少时,在成本、功耗要求和设备尺寸方面,CWDM系统比DWDM系统更有优势。随着越来越多的城域网运营商开始寻求更合理的传输解决方案,CWDM越来越广泛地被业界所接受。

　　CWDM最大的特点即是对波分复用设备系统要求不高。CWDM无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继,因而成本大大下降。在地理范围不是特别大、数据业务发展不是非常快的城市,具有良好的应用价值。

　　三、粗波分复用CWDM技术的优势

　　在城域网中,由于传输距离短,不必使用放大器,对光纤的传输衰减值也不太敏感,采用CWDM粗波分复用技术可以降低对器件、部件的性能要求,从而大幅度降低成本。

　　在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。DWDM系统的波长间距一般为200GHz(1.6nm),100GHz(0.8nm)或50GHz(0.4nm),将来的系统中可能会有更窄的间距。在DWDM系统中,采用DFB（分布反馈）激光器作为光源,后者的温度漂移系数为0.08nm/℃,它需要采用冷却技术来稳定波长,以防止由于温度变化波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外。

　　CWDM技术充分利用了城域网传输距离短的特点,不必受 EDFA放大波段的限制,而是可以在 1310-1560 nm的整个光纤传输窗口上,以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽、传输距离短,CWDM无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器,这可以大幅度降低激光器成本。此外,CWDM无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和复用器,只须选择廉价的粗波分复用器和解复用器；无须采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求；无须采用 EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继。由于器件成本和系统要求的降低,使得 CWDM系统的造价比DWDM系统有大幅下降。

　　虽然价格成本比 DWDM低得多, CWDM系统也能和 DWDM一样支持多业务接口,例如可以提供 SDH接口,实现 IP/Ethernet over SDH、ATM over SDH；可以为路由器和ATM交换机提供光纤直连接口,实现 IP/Ethernet over Optical和ATM over Optical等。CWDM系统也可以通过使用 OUT（光传输单元）和 OADM（光分/插复用）,同使用标准波长的DWDM系统互连、成环或接入DWDM骨干层。此外,CWDM可以兼容在城域网中已得到广泛应用的1310nm的 SDH系统,而目前的 DWDM还做不到这点。 CWDM技术还具有应用于长途传输的潜在能力,一旦宽带的 LAMAN（拉曼）光放大器进入商用, CWDM技术就有可能进入长途传输市场。

3.2 成本低

　　在CWDM系统中,相邻波长通道的间隔放宽到20nm,这就有可能将各个部件的容错范围放大,可以使用廉价的复用器、解复用器、插/分设备和交换机。例如,DWDM解复用的薄膜滤波器0.4nm、0.8nm的由于生产工艺复杂成品率低,价格昂贵。而20nm的滤波器生产工艺简单、成品率高,价格要便宜得多。

　　在复用器和解复用器方面,DWDM和CWDM的造价差别主要是由于CWDM的滤波器包含的层数少,故CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本低。DWDM系统中使用的100GHz滤波器一般大约有150层,而CWDM系统的20nm滤波器大约有50层。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50%,预计在未来的2到3年内,自动化生产的成本可望再降1/3。此外,新的滤波器和复用器/解复用器技术的采用有望进一步缩减成本。

3.3 功耗低

　　光传输系统的运营成本取决于系统的维护和系统消耗的功率。既使DWDM和CWDM系统的维护成本都可以接受,DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。例如,DWDM激光器采用的冷却器及其控制电路每波长要消耗大约4W的功率。而没有冷却器的CWDM激光器仅消耗0.5W的功率。四波CWDM光传输系统大约消耗10－15W的功率,然而类似的DWDM系统却要消耗高达30W的功率。在DWDM系统中,随着复用的波长总数的增加以及单信道传输速率的增加,功率损耗及其温度管理变成了电路板设计的关键问题。

3.4 体积小

　　CWDM激光器要比DWDM激光器小得多,不带冷却器的激光器一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的。DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的五倍,也就是说,如果DWDM激光发射机的体积为100cm2,那么没有冷却器的CWDM激光器体积仅仅为20cm2。

　　如今,厂家已经能够提供具有2到8个波长的商用CWDM系统,将来这些系统有望在1290nm到1610nm的频谱内扩展到16个复用波长。目前,大多数CWDM系统工作在从1470nm到1610nm的范围内,其信道间距为20nm。此外在1310nm窗口附近也在开发之中。由于到目前为止,已经安装的大部分光纤中有残留水分,使得其在1400nm波长附近的光信号衰减。这个附加损耗会限制系统在长途传输中的使用,但是对于城域网使用的CWDM系统而言,这并不是一个障碍。

　　四、CWDM技术在城域网中的应用

　　我国的大部分城市,包括东部发达地区的一部分城市和西部不发达地区的大部分城市,数据业务的发展在"十五"期间还仅仅处于起步状态或初步发展时期,很多城市城域业务量的需求不高,应用 DWDM不能体现良好的性价比。此时,用低成本的 CWDM技术对城域网进行组织就显得十分必要。CWDM系统由于和 DWDM系统一样,具有多种业务接口,因此具有很广泛的适应性。在不发达地区,可以直接应用 CWDM技术进行城域核心层和城域汇聚层组网;在比较发达地区,数据业务发展比较好、光纤资源不太紧张的城市,CWDM技术可以和路由器结合组织汇聚层网络,也可以和以太网结合组织城域接入层网络。

　　CWDM技术充分适应了城域传输网传输距离短的特点,而且不受EDFA放大波段的限制,可以在1310nm-1560nm的整个光纤传输窗口上,以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽、传输距离短,CWDM无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器,这至少可　　以从三个方面大幅度降低激光器成本：

　　1.由于使用无致冷激光器,使激光器制造和封装成本降低。

　　2.对波长误差的放宽也便于生产更廉价的激光器。

　　3.CWDM用的激光器可以使用和DVD激光器一样的生产和封装技术,成本低,工艺成熟简单,而今天DVD激光器正在大批量生产,这可进一步降低CWDM激光器的生产成本。

　　此外,CWDM无须选择成本昂贵的密集波分复用器和解复用器,只需选择廉价的粗波分复用器和解复用器；无须采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求；无须采用EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继。由于器件成本和系统要求的降低,使得CWDM系统的造价比DWDM系统大幅下降。

　　CWDM传输系统和高性能路由交换机连接起来就可以构成宽带IP城域网,也可以把CWDM传输设备直接与路由交换机相连,由路由交换机直接驱动光传输设备。路由交换机对各波长和数据流都可以进行分/插。

　　CWDM技术是应宽带IP城域网到需求而发展起来的,将CWDM传输系统和高性能路由交换机连接起来就构成宽带IP城域网。另外一个趋势是将CWDM光传输设备和路由交换机结合在一起,这就可以由路由交换机端口直接驱动光传输设备。最简单情况,一根光纤只传输一路数据时,在裸光纤上直接运行吉位以太网（GE）。如果需要传输多路数据可采用CWDM系统,根据需要逐步增加波长通道。

　　宽带IP城域网采用IP Over CWDM系统和NXGbE帧格式。传输采用CWDM系统,路由器采用N×GbE端口较SDH端口要便宜得多。因此,IP o ve r　CWDM系统的成本比IP　over　DWDM 要低得多。这种系统的另外一个好处是由于采用自适应速率对光缆的性能要求不高,一些由于性能下降原来已经不能使用的旧光缆也有了使用价值。由于采用以太网帧格式,任何有局域网使用经验的人都可以租借,购买光缆来构成自己的城域网甚至广域网。

　　IP　over　CWDM宽带IP城域骨干网与100/1000Mb/s以太网接入网可以无缝连接,中间不需要格式转换,可以便宜高效率地实现100/1000M b/s接入速率的宽带IP城市域网。

五、CWDM的技术标准　

　　美国的1400nm商业利益组织正在致力于为CWDM系统制定标准。目前建议草案考虑的CWDM系统波长栅格分为三个波段。“O波段”包括四个波长:1290、1310、1330和1350nm,“E波段”包括四个波长:1380、1400、1420和1440nm,“S＋C+L”波段包括从1470nm到1610nm的范围,间距为20nm的八个波长。这些波长利用了光纤的全部光谱,包括在1310、1510和1550nm处的传统光源,从而增加了复用的信道数。20nm的信道间距允许利用廉价的不带冷却器的激光发射机和宽带光滤波器,同时,它也躲开了1270nm高损耗波长,并且使相邻波段之间保持了30nm的间隙。

　　尽管目前还没有CWDM的技术标准,在市场上已经存在一个事实上的城域网标准：IEEE已经制定了万兆以太网10GbE标准。CWDM的标准将据此来制定。

　　对城域网和接入网的业务提供商而言,CWDM系统的开发及其标准的制定是很及时的。随着宽带需求遍及边缘网络,低价传输系统就显得非常迫切。今天的CWDM技术正好适应了这一需求,它为城域网和接入网提供了一种可升级的体系结构。

　　CWDM的复用/解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。相邻波长间隔根据无冷却的激光器在很宽的温度范围内工作产生的波长漂移来决定。目前被确定为20nm,其中心波长为：1491,1511,1531等一直到1611nm。而在1300nm波段,IEEE以太网定义通道宽度为20nm,但是中心波长为1290,1310,1330和1359nm。在1400nm波段如何定义还不知道。目前已经成立CWDM用户组开始结束CWDM城域网标准的混乱状态。

　　虽然 CWDM目前尚没有形成统一的技术标准,不过,CWDM用户组已经成立,估计不远的将来,这种混乱的局面将结束。目前已经有设备生产厂商着手开发 CWDM的传输设备,并已经有设备投入商用化,能够支持从100Mbit/s-2.5Gbit/s的传输速率。

　　粗波分复用CWDM系统是一种适合宽带城域网使用的波分复用系统。这项技术正在发展中,有着良好的发展前景。我国目前正在进行宽带IP网建设,及时采用CWDM技术可以降低成本,促进发展建设。

　　七、结束语

　　从纯技术角度, CWDM与 DWDM相比有明显的弱势,其传输距离以及通道数远低于 DWDM。但是市场从来就不是单单由技术推动的,成本也是一个很重要的因素。在城域网中,一方面用户需求并没有达到长途骨干网的通信容量,由于城域网对带宽的需求是有限的;另一方面城域网络服务提供商支付不起昂贵的DWDM设备费用。CWDM作为一种可选择的扩容方案,可以解决提供商的燃眉之急。粗波分复用CWDM系统是一种适合宽带城域网使用的波分复用系统。这项技术正在发展中,有着良好的发展前景。我国目前正在进行宽带IP网建设,及时采用CWDM技术可以降低成本,推动城域网建设的发展。

参考文献

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2 唐雄燕. 城域宽带网的发展策略. 电信科学,2001,（1）

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摘自《网络通信世界》

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