城域网中光纤光缆的探讨

2019-11-03 18:21:03

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供稿：网友

李春生林中

北京邮电大学华飞研究所

　　摘要城域网的建设是今后光纤网络建设的一个热点，根据城域网的特点和系统技术要求选择光纤光缆是网络设计的重要组成部分。本文根据城域网的特点和需求，对市场上现有的光纤光缆做了详细的分析和探讨，提出了城域网规划中光纤光缆选择的原则和具体的建议。

　　关键词城域网 CWDM 光纤光缆光纤带

　　城域网是以宽带光传输为开放平台，通过各类网关实现话音、数据、图像、多媒体、ip接入等业务和各种增值业务及智能业务，并与各运营商长途网互通的本市（地）综合业务网络。是连接城市政府机关、厂矿、教育科研等企事业单位、公司和家庭用户的宽带接入网以及和国外连接的Internet高速接口。作为数据骨干网和长途电话网在城域范围内的延伸覆盖，城域网承担着集团用户、商用大楼、智能小区的业务接入和电路出租任务，具有覆盖面广、投资量大、接入技术多样、接入方式灵活的特点。同长途骨干网相比, 城域网面临更加复杂多变的业务环境,它要直接支持大用户,需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。但其传输距离却短得多,通常只有50～80km, 因而很少应用光纤放大器,光纤色散也不是问题。那么,在这样的应用环境下要最经济有效地流通业务,科学合理地选择光纤光缆是城域网设计中重要的一环。

　　1 城域网规划设计的一般原则

　　目前，在城域网规划中根据城市规模大多划分为核心层、汇聚层及接入层三个平面，每个层面完成不同的功能。核心层面多用于实现城域传输网与骨干传输网及数据网的互连转发及本城域网内大颗粒的业务调度，其网络结构应相对稳定，高可靠性、大容量的业务调度能力及传输能力是其关键特性。汇聚层负责一定区域内多业务的汇聚及疏导，用于扩大核心层节点的业务覆盖范围，强大的多业务调度及汇聚、处理能力是其节点设备的特点。接入层负责各接入点业务的传输，提供细颗粒业务的传送、调度及处理。目前，城域传输网的接入层面越来越靠近用户，业务量小且呈现出多样性的特点，因此多样化的接口和协议处理能力、良好的网络可扩展性是接入层节点设备的关键特性，在接入层面与相关的接入技术相配合，可选用多种技术，如用MSTP提供统一的传输业务平台就是一种良好的选择。据城域网的结构和需求，城域网规划一般应遵循下列原则：以业务驱动传输网络建设，既要保持与原有网络的兼容并存，又要考虑到业务接入的多样性和网络的可持续演进；以先进且成熟的技术提升网络的竞争力，充分保证业务传送的效率和业务调度的灵活性，网络构架安全合理、层次清晰；网络整体规划，分布实施，分层建设，适度超前；要有统一网管，与现有的网络要易于互联互通，保证网络的可运营、可维护。按照城域网规划设计的一般原则，城域网规划设计中光纤光缆选型和组网一般应符合以下要求: 光纤、光缆选型和设计应满足特定时期通信业务的需求，并满足城域网未来发展的需求。要以先进且成熟的光纤光缆技术提升网络的竞争力；按网络整体规划，分布实施，分层建设，适度超前的要求；把着眼点要放在需求上，综合考虑业务量、地理环境、应用场合、网络结构和技术等因素。力求选用的光纤、光缆既能满足近期的业务量的需求，又能兼顾到中、长期业务发展的需求。以下主要对市场上各种光纤在城域网中的应用做一些探讨，根据城域网规划设计的要求对一些新型光纤光缆的选择提出一些具体的建议。

　　2 早期光纤的应用

　　光通信的序幕是从多模光纤和长寿命的激光器的研究拉开的。随后50mm和62.5mm多模光纤雄踞市场多时，主要因为早年在光纤上运行的应用传输距离有限，带宽需求未达巅峰；加上62.5mm光纤产量与日俱增，成本随之下降，加快了普及速度。但随着网络速率的上升和带宽需求成级数的增长，多模光纤由于衰减大，模间色散的影响，已经不能满足大带宽，超高速网络的需求，一般仅使用在LAN（本地网络）和校园网中，在城域网中，一般不再使用。单模光纤由于自身良好的性能在市场上逐渐占据主导地位。而且随着光通信的发展而不断更新换代，产品的性能因此不断提高。早期生产的一些单模光纤如非色散位移单模光纤G.652A和B在性能上已无法与目前新型产品相抗衡，但鉴于上述光纤光缆在网络中的应用极为广泛，其价格优势和兼容性使得这类光纤仍有市场空间。在城域网汇聚和接入层上，对光纤传输性能要求相对较低，可以考虑采用此类光纤以降低投资成本。

　　2.1 G.652A、B单模光纤

　　G.652A光纤一般只能支持2.5Gbit/s及其以下速率的单信道SDH传输系统，对缆内光纤的PMD系数不作要求。 G.652B光纤可以支持10Gbit/s速率的传输系统和某些40Gbit/s的应用。一般要求缆内光纤的PMD系数小于0.5ps/km1/2。 G.652A、B单模光纤在C波段1530～1565nm和L波段1565～1625nm的色散较大，一般为17～22ps/nm·km，系统速率达到2.5Gbit/s以上时，需要进行色散补偿，在10Gbit/s时系统色散补偿成本较大，它是目前传输网中最为普遍的一种光纤。在城域范围内的本地网中，不适于采用G.652A、B光纤组成10Gbit/s全光传输网络。仅能够用于短距离高速传输。但其极低的价格可以让运营商在城域网短距离的光纤敷设中极大的降低成本。

　　2.2 G.653色散位移光纤

　　G.653色散位移光纤在C波段和L波段的色散一般为-1～3.5ps/nm·km，在1550nm是零色散，系统速率可达到20Gbit/s和40Gbit/s，是单波长超长距离传输的最佳光纤。但是，由于其零色散的特性，在采用DWDM扩容时，会出现非线性效应，导致信号串扰，产生四波混频FWM，因此不适合采用DWDM，故G.652C难以满足城域网带宽不断增加和和速率高的要求。城域网的典型距离一般小于80km，因此很少使用光放大器，所以光纤的群速度色散并不是主要的限制条件。较为重要的是，城域网通常要求支持大量终端用户并且倾向于频率带宽的不断增加以及加强管理能力，减少增减业务的成本。实现这一要求的办法之一是将业务分配到数百个波长上（每个波长采用低、中速率）并采用全光的分路，上下路波长。从这个角度考虑，理想的光纤应当能够容纳更多的波长。因此在城域网的规划中，首先应该充分了解国际、国内光纤市场情况和各种光纤特点、性能，在此基础上，根据系统的传输特点对城域网光纤做出合理的选择。为此下面介绍一些近年来市场上出现的一些新型光纤光缆。

　　3 WDM技术和新型光纤

　　3.1 WDM技术和G.652C

　　根据城域网的特点，传输距离通常不超过100km，因而在长途网中必须使用的外调制器和光放大器不一定使用。这样波长数的增加和扩展就不再受光放大器的频带的限制，同时就可以使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度较低的光源，合波器，分波器和其他的元器件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，从而使整个城域网系统成本降低。与此同时，随着技术和应用的发展，WDM（波分复用）技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。适用在城域网领域的WDM技术统称为城域WDM技术。城域WDM系统最大的特点就是成本低，但能满足城域网的要求。这也是城域WDM技术的生命力所在。城域DWDM（密集波分复用）来源于长途DWDM技术，技术成熟，传输距离远，波长数多（32/40），可以组建比较大的OADM环网（200km）。因此城域DWDM技术是一项很有前途的长远的城域网解决方案，但目前市场上DWDM系统的价格还是非常高，适用于城域网的核心层。为了进一步降低城域WDM多业务平台的成本，出现了CWDM(粗波分复用)技术。CWDM系统的最大优势在于成本更低。主要表现在CWDM系统不需要激光器制冷、波长锁定和精确镀膜等复杂技术，大大的降低了设备的成本。另一方面CWDM系统波长间隔达20nm之宽，允许波长漂移6.5nm，这样对激光器的要求就大大降低了，相应的系统功耗就小，可以节约电源备用蓄电池和设计的复杂性，从而降低成本。总之CWDM是针对边缘网络需求产生的技术，设备体积小，功耗低，更重要的是价格低，相对性价比高，适用于城域网的接入层，这样可以解决光纤短缺的问题，提高光纤资源的利用效率。届时,网络可以将不同速率和性质的业务分配给不同的波长,在光路上进行业务量的选路和分插。运营商在竞争区域就可以租用单根光纤传送多种业务。在这类应用中,开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰,只要在光纤内部有几个OH离子ppb（parts per billion）就足以导致在1385nm附近产生几分贝的衰减,使1350～1450nm中约100nm宽的频谱因衰减太高而无法使用。若能设法消除这一水峰,则光纤的可用频谱可望大大扩展,无水峰光纤就是在这种形势下诞生的。不同公司制造的无水峰光纤具有不同的名字,根据ITU-T的建议无水峰光纤的编号为G.652C，统一的名称为波长扩展的非色散单模位移光纤。目前市场上有多家公司的产品，下面以美国朗讯科技公司的无水峰光纤——全波光纤为例进行讲述。全波光纤采用了一种新的生产工艺,几乎可以完全消除内部的氢氧根（OH）离子,从而可以比较彻底地消除由之引起的附加水峰衰减。光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1385nm处的衰减可低达0.31dB/km。这使光纤的损耗在1310～1600nm都趋于平坦。由于内部已清除了氢氧根，因而光纤即便暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。除了没有水峰以外,全波光纤与普通的标准G.652匹配包层光纤一样。然而,由于没有了水峰,光纤可以开放第5个低损传输窗口,从而带来一系列好处：

（1）可用波长范围增加100nm,使光纤可以提供从1280～1625nm的完整传输波段,全部可用波长范围比常规光纤增加约一半,可复用的波长数大大增加,使得CWDM可以开通16个波长。

（2）在上述波长范围内,光纤的色散仅为1550nm波长区的一半,因而,容易实现高比特率长距离传输。例如在1400nm波长附近,10Gbit/s速率的信号可以传输200km而无需色散补偿。

（3）可以将不同的业务分配给最适宜的波长传输,改进网络管理。例如可以在1310nm波长区传输模拟图像信号,在1350～1450nm波长区传输高速信号（高达10Gbit/s）,在1450nm以上波长区传输其他信号。

　　当可用波长范围大大扩展后,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、分波器和其它元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,降低了整个系统的成本。

　　康宁MetroCor光纤消除了1380nm的水峰，其零色散波长在1640nm波长附近，也对色散特性中的负色散做了优化，使得其特别适宜于低成本的城域WDM系统。因其在1310nm、1400nm和1550nm窗口均可使用，所以采用全波光纤将有可能在单根光纤上传输语音、数据和图像信号，实现三网合一。在传输2.5Gbit/s的光信号时，可以用全波光纤在城域网中实现全光交叉连接网；在传输10Gbit/s的光信号时，可以用全波光纤在城域网中实现点到点的WDM网络。朗讯的RS.TrueWave光纤消除了1380nm波段的水峰，为大城市城域DWDM应用做了优化；是第二代的非零色散位移光纤，大有效面积光纤和低色散斜率光纤。RS.TrueWave光纤的最大优点是色散斜率小，仅为0.045ps/nm2·km。小的色散斜率和色散系数意味着大的波长通道数目、高的单通道码速率，同时它还可以容忍更高的非线性效应。这也意味着更大的容量和更低的成本。早期G.652C光纤价格比较高，而且市场上没有1380nm波段的激光器和配套的检测仪表，因此，G.652C光纤一直没有真正的大范围应用。目前G.652C的价格比G.652每芯公里只贵10％～20％，也就是14～28元人民币左右，性价比已经超过了G.652光纤。按光纤光缆25年的设计寿命预测，现在大规模使用G.652C光缆能够满足城域网的近期和中长期的带宽需求，而且随着应用的扩大，1380nm波段的配套的激光器和检测仪表等配套系统会在市场上出现。所以在城域网的规划中G.652C应该是优先考虑的光纤类型。

　　3.2 G.652D

　　为了使无水峰光纤（G.652C）也能支持G.652B所支持的那些应用，对G.652C提出了更高的PMDQ要求。这就是新定义的新型G.652D型光纤。G.652D型光纤和G.652B光纤的属性基本相同，但衰减系数和G.652C型光纤相同，因而系统可以工作在1360～1530nm波段，但目前市场上这种光纤还很少见。

　　3.3 G.655非零色散位移光纤

　　G.655非零色散位移光纤在C波段的色散为1～6ps/nm·km，在L波段的色散一般为6～10ps/nm·km，色散较小，避开了零色散区，抑制了四波混频FWM，可采用DWDM扩容，也可以开通高速系统。现在核心网采用光纤主要是G.655光纤。由于G.655光纤的性能在逐渐的完善，所以各个光纤制造厂商不断推出新产品，如康宁公司推出的Pure Mode PM系列新型光纤；阿尔卡特推出的Teralight Ultra光纤，实现了单波道40Gbit/s、总容量10.2Tbit/s的DWDM传输100km。而日本住友开发出的超低损耗纯硅芯光纤PSCF，其衰减仅0.151dB/km，而光纤有效面积已经达到了170μm2，使传输的非线性大大减少。特别是2003年1月20日至31日在瑞士日内瓦ITU-T SG15召开的会议上将G.655光纤类别由G.655A、G.655B进一步细分为G.655A、G.655B、G.655C三类，以适应了核心干线网络发展的要求，目前在城域网中应用还不多。

　　3.4 大有效面积非零色散位移光纤

　　超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常,线性色散可以用色散补偿的方法来消除,而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素,尽管降低输入功率或减少系统传输距离和光区段长度也可以减轻光纤非线性的影响,但同时也降低了系统要求和性能价格比,可见光纤的有效面积是长距离密集波分复用系统性能的最终限制。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用, 大有效面积光纤已经问世。Leaf光纤的截面积采用了分段式的纤芯结构,典型有效面积达72μm2以上, 零色散点处于1510nm左右, 其弯曲性能、极化模色散和衰减性能均可达到常规G.655光纤水平, 而且色散系数规范已大为改进,提高了下限值, 使之在1530～1565nm窗口内处于2～6ps/nm·km之内, 而在1565～1625nm窗口内处于4.5～11.2ps/nm·km之内, 从而可以进一步减小四波混频的影响。由于有效面积大大增加,可承受较高的光功率, 因而可以更有效地克服非线性影响, 若按72μm2面积设计,这至少减少大约1.2dB的非线性影响。按目前的有效面积设计,其光区段长度也可以比普通光纤增加约10km。尽管其色散为正, 也可能产生调制不稳定性, 但由于有效面积变大,其影响将远小于普通正色散光纤。其主要缺点是有效面积变大后导致色散斜率偏大，约为0.1ps/nm·km，这样在L波段高端,其色散系数可高达11.2ps/nm·km,使高波段通路的色散受限距离缩短,或传输距离很长时功率代价变大;当应用范围从C波段扩展到L波段时需要较复杂的色散补偿技术,这就不得不采用高低波段两个色散补偿模块的方法,从而增加了色散补偿成本;另外其MFD也偏大，在1550nm处大约为9.2～10nm, 因此微弯和宏弯损耗需要仔细控制。大保实光纤（LAPOSH）也是一种新型的大有效面积非零色散位移光纤，具有大有效通光面积、通信窗口低色散和低色散斜率等特性，它可以有效地抑制非线性效应，完全满足EDFA、WDM甚至DWDM的工作最佳条件和要求，特别适用于长距离、高速率和大容量的城域光纤通信系统。据了解，大保实光纤的各项指标均符合城域网光纤的铺设要求，光纤的偏振模色散值优于了国际相关标准。

　　4 带状光纤光缆

　　城域网的规划设计中，除了要认真考虑光纤的类型外，光纤光缆的物理结构也是需要仔细分析比较的一个方面。随着网络光纤数目的需求增加，城市中用于通信的管道及沟槽资源显得愈来愈重要。作为光纤接入网络中的主干环路,采用普通光缆敷设不仅会占用宝贵的管道资源,而且在原有线路上重新敷设光缆还会造成光缆采购与线路敷设费用上的浪费。考虑到重复敷设光缆的一次性成本与将来出租光纤带宽的能力,并避免平行拉入多根光缆以优化已过度拥挤的城市管道系统,要合理地将含有数百芯光纤的光缆外径控制在一定范围内以利于光缆的管道敷设,最理想的方法是使用光纤带的设计。光纤带光缆起始于20世纪70年代末期，开始主要用于干线建设。 1997年以来国家已制订了专门的行业标准推广、管理光纤带及其光纤带光缆的制造及使用,目前光纤带光缆已普遍应用于中心城市内本地接入网络环路和重要通信链路中，并不断向中等城市的接入网络发展。

　　按照光缆结构来分,光纤带光缆又可分为层绞式结构,中心管式结构,骨架式结构，易于辨别,便于维护; 单位截面积光纤密度高节约管道资源与敷设费用；光纤带的处理比单纤更容易、安全,6芯及12芯结构易于线路分枝、配线和组合；光纤带可以一次完成接续,节约接续时间与费用；光纤得到更好的机械保护；松套管SZ绞合形式适于接入网络中的中间接入的特点。

　　层绞式结构的优点在于采用松套管和SZ绞合,光纤余长稳定,易于线路分枝、配线、组合及中间接入,缺点是相对光纤外径较大,目前216芯的层绞式光纤带光缆能顺利地敷设在内径28mm的子管中。使用12芯光纤带的288芯层绞式带缆已广泛应用在北京、成都等电信中心城市的34mm内径的子管之中。中心管式光纤带光缆具有外径小（144芯光纤带光缆外径一般只有15mm左右）、单位截面积光纤密度高、使用原材料少、机械性能好等优点，而且相对价格较低，成为目前制造量最大的一种类型结构。其中光纤带芯数有4芯、6芯、8芯、12芯及24芯。我国中心管式光纤带光缆总芯数一般小于或等于144芯，最大可以达到576芯。主要应用于城域网干线环路和接入网络汇接网的下线等需要大芯数的场合。骨架式光纤带光缆是一种全新的干式光缆，它多采用4芯、6芯、8芯光纤带。骨架式光纤带光缆一个显著优点就是光纤组装密度高，光缆直径相对小。骨架一般采用高密度聚乙烯材料，抗侧压性能好，对光纤带有很好的保护，同时可防止开剥光缆时损伤光纤。中心束管式和松管层绞式光纤带光缆在施工接续时，清除填充油育的过程比较麻烦，尤其对大芯数光纤带光缆施工影响尤为明显。因此，为了提高光缆的接续效率，降低接经损耗，减少维护和施工费用，干式骨架式光纤带光缆成为大芯数用户较好的一种选择。光纤接续准备时间与光缆类型直接相关。研究表明，采用中心管式光纤带光缆设计与其他设计，诸如松套管或光纤束光缆具有最短的准备时间。对于相同芯数的光纤带光缆，光纤带芯数小易于分支，接续时返工率低，4芯、6芯、8芯光纤带接续成功率明显高于12芯和24芯光纤带，但接续工作量大；光纤带芯数大返工率相对较高，但对于几何尺寸控制精确的大芯数光纤带，其接续速度快、接续质量和返工率与小芯数光纤带相差甚小。大芯数光缆由于芯数的增大，光缆外径也相应增大，采用小芯数光纤带的光缆直径则比相应的大光纤带芯数的光缆外径大，有时这会给施工带来困难。基于以上原因，在光纤带芯数选择时，我们建议当光缆芯数小于144芯时，优先选用中心管式结构，当光缆芯数在144～576芯时，可选用层绞式结构或中心管式光纤带光缆；当光缆芯数大于576芯时，一般采用骨架式结构的光纤带光缆；在山区城市，管路有一定的坡度时，也应优先选择骨架式结构；架空安装时建议采用层绞式光纤带光缆。

　　5 小结

　　由文章分析可知大中城市本地网中可以用G.655光纤组成10Gbit/s的WDM环型网，并且可以在大部分地区组成10Gbit/s的全光交叉连接WDM网络。但在1310nm窗口色散较大，不利于北京、上海等城市电信公司现有光传输设备兼容。建议使用新一代低色散斜率的G.655光纤。在城域网接入层上，通路非常密集，主要针对基于2.5Gbit/s及其以下速率的系统，G.652光纤承载的系统在技术上有较好的优势，所以G.652光纤是一种选择；在汇聚层（大、中城市），对于基于10Gbit/s及更高速率的系统，G.652和G.655光纤均能支持；对于城域网中的骨干层，可选用G.655光纤中的新型光纤，如无水峰光纤G652C、大有效面积光纤、低色散斜率光纤等，而新一代的无水峰光纤因扩大了可用光谱，显示出很独特的优势，必然会得到广泛的应用。鉴于光纤带光缆结构上显著优势，在城域网的规划中应优先考虑。

----《电信工程技术与标准化》