波分复用技术的分析与展望

波分复用技术的分析与展望发布时间：2004.12.1513:25来源：光纤新闻网作者：张晓娜高雪松引言20年中光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，以及近来的WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代[1]。双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为2×17Gb/s。90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb/s-622Mb/s-2.5Gb/sTDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb/s系统以下（含2.5Gb/s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30%左右。因此在系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。（2）波分复用器件不成熟。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化，1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了16×2.5Gb/s系统，Lucent公司推出8×2.5Gb/s系统，目前试验室已达Tb/s速率。发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（1530～1565nm）区域采用ＷＤＭ技术成为可能；（2）利用TDM方式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高；（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s系统的传输，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率，WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。WDM技术原理在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用[2]。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，一般商用化是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图1给出了其系统组成。WDM本质上是光频上的频分复用（FDM）技术。从我国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4KHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb/s；而ＷＤＭ技术是光纤上频分复用技术，16（8）×2.5Gb/s的WDM系统则是光频上的FDM模拟技术和电频率上TDM数字技术的结合[3]。如表1所示：WDM本质上是光频上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图2所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4KHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb/s或更高速率的数字系统。WDM技术的主要特点WDM技术具有很多优势，在近几年得到快速发展。如图3所示，可利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍；多波长复用在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可大量节约光纤；对于早期安装的电缆，芯数较少，利用波分复用无需对原有系统作较大的改动即可进行扩容操作；由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合与分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离；波分复用通道对数据格式透明，即与信号速率及电调制方式无关。如图4所示，一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP等；在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的有利手段[4]，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量；利用WDM技术实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络；在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本[5]。WDM技术目前存在的问题以WDM技术为基础的具有分插复用和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等优势，已成为未来高速传输网的发展方向，很好的解决下列技术问题有利于其实用化。（1）WDM是一项新的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面[6]。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。（2）WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。在网络中大规模采用需要对WDM系统进行有效网络管理。例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时自动发现，并找出故障原因；目前为止相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。（3）一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的发展，如可调谐激光器等。通常光网络中需要采用4～6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还很难商用化[7]。WDM的发展方向WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。今后全光技术的发展表现在以下几个方面[8]：可变波长激光器。到目前为止，光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波。将来会出现激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、稳定性和可靠性。不仅如此，可变波长的激光器更有利于大批量生产，降低成本。全光中继器。目前的中继器需要经过光-电-光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生（整形、定时、数据再生）。电再生器体积大、耗电多、成本高。掺铒光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而无法解决色散的影响，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。未来的全光中继器不需要光-电-光的处理过程，可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。光交叉连接设备（OXC）。未来的OXC可以利用软件对各路光信号灵活的交叉连接。OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都将发挥作用。光分插复用器（OADM）。目前采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。未来的OADM对上、下光信号将完全可控，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网（光网络）十分灵活[9]。WDM的发展前景应用WDM技术第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。当前研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平可达到100╳10Gbit/s，中继距离400km；30╳40Gbit/s，中继距离85km；64╳5Gbit/s，中继距离720km。密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路。目前商用系统的传输能力仅是单根光纤可能传输容量为数十Tbit/s的1/100。我国开展WDM技术的研究起步比较晚，首先在长途干线上采用WDM技术进行点到点扩容，后在节点上采用OADM、OXC技术进行上/下话路。我国于1997年引进第一套8波长WDM系统，并安装在西安至武汉的干线上。1998年我国开始大规模引进8×2.5Gb/sWDM系统，对总长达2万多km的12条省际光缆干线进行扩容改造。同时各省内干线也相继采用WDM技术扩容，如在“南昌-九江”光缆扩容工程中，采用的就是AT&T公司的设备和双窗口WDM系统，即在G.652光纤的1310nm、1550nm两个低损耗工作窗口分别运行一个系统。这样可在不拆除1310nm窗口原有PDH设备的情况下，利用未使用的1550nm窗口，加开SDH2.5Gb/s系统。为保证我国干线网的高速率、大容量并有足够的余量确保网络安全和未来发展的需要，采用WDM技术的工作已全面展开。WDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既全光网，将是光通讯的最高阶段[10]。建立一个以WDM和OXC（光交叉连接）为基础的光网络层，实现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈将是未来的趋势。现在WDM技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术作为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网的发展起到决定性的作用。参考文献[1]顾畹仪。全光通信网[M]。北京：人民邮电出版社，1999[2]吴海西。WDM技术的原理及其应用与发展[J]。现代电信科技，2000，（10）：6-10[3]张劲松，陶智勇，韵湘，光波分复用技术。北京邮电大学出版社，2002[4]解金山，陈宝珍。光纤数字通信技术，电子工业出版社，2002，4（5）[5]PatrickRTrischitta,WilliamCMarra.ApplyingWDMtechnologytounderseacablenetworks.IEEECommun.Mag.,1998:62～66[6]LiangXiongjian,ZhangXueyuan,YangXu.ThedevelopmentoftelecommunicationsinChina.IEEECommun.Mag.,1998:54～58[7]PatriciaV.Hatton,FrankCheston.WDMdeploymentinthelocalexchangenetwork.IEEECommun.Mag.,Feb.1998:56～61[8]赵梓森。世界光纤通信发展新动向[A]。全国第九次光纤通信暨第十届集成光学学术会议[C]。1999[9]张成良,韦乐平.光通信技术发展的新趋势.电信科学,1999,(6):1～4[10]彭承柱.密集光波分复用系统及其发展趋势.电信科学,1998,(4):1～5(c001)