DWDM及其组网要素分析

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1、DWDM与组网要素分析史 艺 辽宁铁道职业技术学院摘要：本文主要介绍了DWDM光传送系统的基本概念、系统优越性和组网方式，分析了影响DWDM组网的基本要素及减小影响的方法。关键词：DWDM、组网、色散、信噪比、非线性效应DWDM（Dense Wavelength Division Multiplxing）是一种先进的光纤通信技术，具有很大优越性和发展潜力。随着通信技术的发展，以DWDM技术为核心的光传送网已逐步成为通信网络的主要传送平台，也将成为整个通信网络向全光网络演变的必然。本文就DWDM系统的基本概念、组网方式和应用问题进行探讨。1 DWDM概述1.1 DWDM的定义DWDM中文之意为密

2、集波分复用，由波分复用（WDM）技术发展而来。所谓密集波分复用技术是一种光纤数据传输技术，该技术利用激光的波长按照比特位并行传输或字符串行传输方式在光纤内传输数据。1.2 DWDM基本原理图1 DWDM系统原理图DWDM的基本原理是：在发送端采用光复用装置，将多个不同波长的光信号合并起来送入一根光纤进行传播；在接收端，利用光解复用装置把不同波长的光信号分开，从而实现了在一根光纤中进行多路光信号的复用传输。DWDM技术可以在一对光纤上提供数十个，及至上百个波长，大大地扩大了光纤容量，是一种有效提高系统传输容量的方法。DWDM系统原理如图1所示，其中1n处于1528.77nm1602.86nm的范

3、围之内，频率间隔100GHz、50GHz或更小，更加充分地利用了光纤的巨大可用带宽资源。1.3 DWDM系统类型DWDM系统有许多分类方式，常见的分类方法有以下几种：(1)按照信道传输速率可分为：5Gbit/s、10 Gbit/s、40Gbit/s、100Gbit/s及混合速率。(2)按照信道承载业务可分为PDH、SDH、ATM、IP或混合业务等。(3)按照信道数可分为4波、8波、16波、32波和40波、80波、160波等。(4)按照系统总容量可分为10Gbit/s、20 Gbit/s、40Gbit/s、80Gbit/s等。(5)按照传输方向可分为单向DWDM和双向DWDM。(6)按照地理域可

4、分为海底DWDM系统、陆地DWDM系统等。(7)按照网络层次可分为核心网、城域网、局域网等。(8)按照系统接口可分为集成式DWDM或开放式DWDM。2 DWDM系统优越性2.1 容量巨大从图1中不难看出，DWDM最直观的优点就是充分利用了光纤的巨大带宽资源，把已有光纤信道数目增大到最初的N倍，同时降低了传输成本。DWDM尚具有相当大的容量扩充潜能，这为服务供应商满足消费者日益增长的带宽需求提供了首选方案。常见DWDM系统有两个系列：8波、16波、32波系列和40波、80波、160波系列，最高复用波长可达1022波。2.2 传输距离长按照ITU-T建议，DWDM系统配置分233db、530db、

5、822db三种，对应无电再生中继距离为321km、475km和512km。在DWDM技术日趋成熟的今天，各生产厂家的设备指标远优于ITU-T的规定。如按822db规格配置光放大器，国内厂家无电再生距离为640km；而端对端无中继最大传输距离一般都在140km以上。另外，EDFA技术、外调制、电吸收等方式使得DWDM中继段的允许损耗、色散更大，传输距离可达几百公里或更长，大大减少SDH中继器的数量，同时大大节省了成本，简化了设备，这是传统SDH系统望尘莫及的。2.3 传输速率高单信道承载信号速率一般为2.5Gbit/s或10Gbit/s。如果采用322.5G产品，在一根光纤内信号最高传输速率则可

6、达到1600Gbit/s。2.4 网络管理智能化在DWDM系统中，采用独立的1510nm波长（速率为2Mb/s）承载光监控信道（OSC），即在其发送端，通过插入本节点产生的波长为1510nm的光监控（OSC）信号，完成帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节的传输。其帧结构符合G.704，实际用于监控信息传送的速率为1920kb/s。OSC光监控信道是DWDM系统工作状态的信息载体，在DWDM系统中，OSC是一个相对独立的子系统，传送光信道层、光复用段层和光传输段层的维护和管理信息，提供公务联络及使用者通路，同时它还可以提供其它附加功能。DWDM网管系统通过光监控信道传输系统网管信息对系统进行

7、管理，实现了配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统相连。为防止某段光纤中光监控信道双向都断路,网元管理系统无法获取网元的监控信息, DWDM系统还具有监控通路的保护功能。2.5 承载能力强DWDM系统可以承载SDH、PDH和其他不受限的数字信号或模拟信号，其网管系统应该与传送的业务层的网管分离，分别通过Q3接口同时送给上层的网络管理层，增加了DWDM承载业务的多样性。DWDM是光纤网络的重要组成部分，它可以让IP协议、ATM和同步光纤网络/同步数字序列（SONET/SDH）协议下承载的电子邮件、视频、多媒体、数据和语音等数据都通过统一的光纤层传输。由于同一光纤中传输的光

8、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，与信号的速率和调制方式无关，从而多种格式的业务信号都可以在系统中得到高质量的传输，提高了业务质量。2.6 组网方式灵活多样DWDM系统利用光插分复用器（OADM）可组成各种各样的网络，如点对点组网、链状组网、环形组网等。图2 点对点组网方式的两种情况3 DWDM组网方式3.1 点对点组网如图2所示，两地间没有其他业务点，可采用点对点组网方式。在进行短距离传输时，DWDM设备可以提供无线路放大器的点对点组网，当两地距离太长（一般指超过了150公里），可在中间设置光放（OA）增加光传输距离。3.2 链状组网如图3

9、所示，该方式可视为点对点方式的拓展。当存在两个以上的业务点时，可利用光插分复用器（OADM）中间上下话路。链型组网，能够提供光层线路保护和电层SDH设备的通道或者复用段保护。而在长距离传输时，可以在终端设备之间增加光中继放大器。图3 链状组网方式3.3 环形组网如图4所示，这种组网方式主要应用于城域网中。环形组网在应用过程中，可以根据实际需要利用光分插复用设备构成环形网，这其中必须要有一个站点用背靠背光终端复用网元来组成光分插复用网元。3.4其他方式图4 环状组网方式通过前面三种方式的不同组合，即可构成十字交叉、核心环带边缘环、核心环带链状网等复杂的通信传送网。也可建立DWDM和SDH平台，充

10、分利用DWDM光波道和光纤混合的光路，配置SDH自愈环，采用DWDM+SDH方式灵活组网。4 DWDM组网要素分析开放式DWDM系统采用波长转换技术，凡是满足I-TUT建议要求的SDH系统STM-1/4/16设备均可通过波长转换器接入DWDM光传送系统。图5 以DWDM为核心的传输系统示意图除了能对SDH信号进行透明传输外，还可根据需要接PDH、ATM、IP等，实现ATM over DWDM、IP over DWDM、GE（千兆以太网）over DWDM等功能，节省用户在接口设备上的投资。以DWDM为核心的通信网结构如图5所示。DWDM从1995年开始商用，而且发展极其迅速。在北美和欧洲，骨干

11、电信网、因特网都采用DWDM技术实现更大的带宽、更高的速率，降低了传输系统的建设成本和维护成本。我国1999年在济南青岛间开通了第一个国产DWDM系统。2000年国内铁路通信系统首条采用密集波分复用技术的沪杭浙赣铁路通信干线采用华为40G（16波）DWDM系统。2002年京九铁路（商丘-武汉段）辅设DWDM光传输系统，光缆长度为568.7km。2008年，华为开发出了100G DWDM样机。原有骨干传输线路大规模地更新改造，DWDM光传送系统在国家一级干线网和城域网、本地网、互联网、电视网及军网中陆续获得了较好的应用。 4.1 适应DWDM系统的光纤DWDM是密集的多波长光信道复用技术，光纤的

12、非线性效应是影响DWDM传输系统性能的主要因素。因此，DWDM技术的应用与发展与光纤技术发展息息相关。随着DWDM技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越大，从而使光纤的非线性效应对DWDM传输系统性能的影响也越来越严重。光纤的非线性效应主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等因素密切相关：光功率密度越大、信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重；色散与各种非线性效应之间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零而显著增加。克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能，如增加光纤的有效传光面积，以减小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应；减小光

13、纤的色散斜率，以扩大DWDM系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高。按国际电信联盟（ITU-T）分类方法，通信光纤分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656六个大类和若干子类。用于光传输系统的单模光纤主要有G.652、G.653、G.654、G.655等4种类型。4.1.1 G.652光纤G.652标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤。G.652光纤在1.55m波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km；特别是在1.55

14、nm处,损耗低于0.2dB/km,对长距离传输非常有利。当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，为3.5ps/nmkm，系统的传输距离只受光纤衰减所限制，有利于克服光纤的非线性效应。然而它在1.55m波段的色散却较大，约为20ps/nmkm。在1.3m波段的损耗也较大，约为0.3dB/km0.4dB/km。这种光纤色散这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块，因此这种光纤不能满足信道速率高速化的要求。4.1.2 G.653光纤G.653光纤是色散位移单模光纤，它在1.

15、55m窗口同时具有最小色散和最低损耗，能满足信道速率高速化的要求，是单波长系统的最佳选择。然而，色散位移光纤在1.55m色散为零，不利于多信道的WDM传输，用户信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰，在DWDM应用中存在严重的四波混频效应。由于高速传输的串扰现象使DWDM系统很难开通，现已不提倡使用G.653光纤。4.1.3 G.654光纤G.654光纤是截止波长位移单模光纤，也称为1.55m性能最佳光纤，是人们为了满足海底缆长距离通信的需求，而开发的一种应用于1.55m波长的纯石英芯单模光纤。它在该波长附近上的衰减最小，G.654是衰减最小光纤，仅为0.

16、185dB/km。G.654光纤在1.3m波长区域的色散为零，但在1.55m波长区域色散较大，约为（1720）ps/（nmkm）。该光纤主要用于传输距离很长且不能插入有源器件对衰减要求特别高的无中继海底光缆通信系统。4.1.4 G.655光纤G.655非零色散位移单模光纤是一种复杂折射率剖面光纤，优化了1.55m区色散值，在1.55m波长附近不再是零色散而是维持一定量的低色散。其零色散点为1.57m或1.511.52m附近，使光纤的工作波段具有少量的色散，成功地克服了G.652的色散受限和G.653四波混频无法开通DWDM的缺点。G.655光纤适用于光放大、高速率（10Gb/s以上）、大容量、

17、密集波分复用传输系统，是适应DWDM最先进的光纤，已得到广泛应用。4.2 色散4.2.1 色散光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同万分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量和中继距离。影响DWDM系统的常见色散有两种，一种是线性的彩色色散，另一种是非线性的偏振模色散(PMD)。（1）彩色色散彩色色散的产生是由于不同的波长以不同的速度传输。在单模光纤中，彩色色散有两个组成部分：材料色散和波导色散。材料色散在光波以不同的速度穿过材料时发生。一个光源无论它有多窄，实际都包含着好几个波长。这样，当这一系列的波长穿越介质的时候，每个波长到达的时间都不相

18、同。波导色散是由于光纤核心和覆层折射率系数的不同引起的。有效折射率系数与波长的变化关系是：在短波长，光被很好地限制在核心中。这样有效折射率系数与核心材料的折射率系数很接近。在中波长，光稍微地发散到覆层中。这减少了有效折射率系数。在长波长，大部分的光发散到覆层中。这导致有效折射率系数与覆层的非常接近。波导色散现象的结果是一个或多个波长相互的传输延迟。（2）偏振模色散(PMD)偏振模色散(PMD)是由于制造过程或外部应力使光纤形状为椭圆型所造成的。由于应力随时间变化，PMD和彩色色散不一样，会随着时间而改变。PMD在低于OC-192的速度时影响很小。4.2.2 色散对DWDM系统的影响随着光纤通信

19、系统中传输速率的不断提高和由于光放大器极大地延长了无电中继的光传输距离，因而整个传输链路的总色散及其相应色散代价将可能变得很大。当光纤通信系统单信道速率升级到40 Gbit/ s 及以上时, 色度色散(CD) 和偏振模色散(PMD) 已经成为严重影响系统性能的主要因素，色散使DWDM系统传输受限。4.2.3 减少色散影响的方法（1）选择理想光纤G.655光纤。（2）色散补偿色散完全补偿在入纤功率较小时，色散对系统的性能优劣起主要作用，可采用色散完全补偿。随着WDM系统中复用的波道数越来越多，入纤功率会越来越大，非线性作用随之增强。在不能选取最佳进行色散完全补偿的情况下，相对来说色散的欠补偿比过

20、补偿好，剩余反常色散可对非线性作用产生一定的抑制作用，改善系统性能。采用无源补偿装置对于EDFA级联造成的色度色散可采用无源色散补偿装置与EDFA组合在一起，构成一个放大子系统。该子系统的色散系数与系统光纤相反，从而有效减小系统的彩色色散。（3）插入偏振控制器就偏振模色散情况而言，重要的是尽量减少组件的偏振模相关损耗。应当指出偏振模相关损耗对系统的影响是随放大器数量的增加而增大的。在系统输入、输出端插入偏振控制器。一个偏振分束器接在输出偏振控制器之后，用来产生误差信号。输出偏振控制器搜索该误差信号，再调整输入偏振控制器，使误差信号最小。在无误差信号点，输入偏振状态是系统的主状态。这种技术已经用

21、于一个 5Gbit/s 系统的补偿。相干频分复用系统也采用了类似的技术。（4）40G DWDM系统减小色散的主要技术：40G技术的应用也大大减少了色散的影响，其主要技术有动态色散补偿和偏振模色散补偿两种技术。动态色散补偿（TDC）技术 TDC技术是40G较成熟的光调制格式，色散容限都在200ps/nm之内，考虑到色散补偿模块补偿精度及色散斜率补偿与光纤的失配、环境温度变化对色散的影响以及线路维护可能造成色散变化等，40G长距离传输系统动态色散补偿是必配的。 动态色散补偿技术长远来说，我们看好电色散补偿（EDC）方法。但目前光的色散补偿技术较成熟，主要有光纤啁啾Bragg光栅（FBG）技术、GT

22、 Etlon标准具技术、虚成像相移阵列技术等实现方式，光纤光栅（FBG）相比较而言最成熟。 动态色散补偿应自动优化色散补偿量，而整个链路的残余色散量无法在线监测，目前基本依据接收点纠错前的误码率来闭环调整，而误码引起的原因很多，所以必须采用有效的优化控制算法。偏振模色散补偿（PMD）技术 光纤链路PMD主要影响因素是光纤、色散补偿模块和光放大器，其他器件数量少，对链路PMD影响较小。较成熟的40G光调制格式，如按器件/模块厂商提供的典型参数设计，无PMD补偿时传输距离500km可能就是一个坎。 目前关于PMD补偿系统的研究在光域、电域和光电域结合等多个方面同时展开。主要依赖测得的偏振度（DOP

23、）、电域特定信号谱功率、电域全部信号谱功率、误码率（BER）、眼图监控信号以及电域中的横向滤波器和阈值电流技术等来调节PMD补偿量。但目前能应用于实际工程的PMD补偿器极少，而且效果需要工程检验。4.3 光信噪比OSNR4.3.1 光信噪OSNR比光信噪比OSNR是光纤信号与噪声ASE的比值， OSNR每信道的信号光功率/每信道的噪声光功率。光信噪比OSNR是影响DWDM系统误码性能的最重要因素之一，OSNR的大小决定传输信号质量。4.3.2 光信噪比OSNR对DWDM系统的影响光放大器会在几十纳米宽的光谱区内产生所谓放大的自发辐射ASE。对于10Gbit/s信号接收端要求在25dB以上。光信

24、噪比在DWDM系统发送端一般有35-40dB左右，但是经过第1个光放大器后，信号OSNR将有比较明显的下降。以后每经过一个光放大器EDFA，OSNR都将继续下降，但下降的速度会逐渐放慢。OSNR降低的主要原因在于光放大器在放大信号、噪声的同时，还引入了新的ASE噪声，也就是本放大器的噪声，使总噪声水平提高，OSNR下降。下降速度逐步放慢的原因在于随着线路中级联的放大器数目增加，“基底”噪声水平提高，仅增加一个光放大器 ASE对总噪声水平的影响不大，但在具有若干级联放大器的传输系统中光放大器的ASE将同信号光一样生复一个周期性的衰减和放大，ASE是随放大器增益幅度的增大而以指数形式积累的。图6

25、多级联线路DEFA自发辐射噪声累积数学模型在具有若干个级联光放大器的传输系统中，噪声的光功率主要由放大的自发辐射噪声所支配。自发辐射放大噪声频谱分布也是沿系统长度展开的，产生于光放大器的自发辐射放大噪声将同信号光一样重复一个衰减和放大周期。当来自第一个光放大器的自发辐射放大噪声被送入第二个光放大器时，第二个光放大器的增益分布就会因增益饱和效应导致自发辐射放大噪声而发生变化。同样，第三个光放大器的有效增益分布会被第二个光放大器修改。这种效应会向下传递给下一个光放大器。所以总自发辐射放大噪声功率就随光放大器数目的增多而大致按比例增大，而信号功率则随之减小，噪声功率可能会超过信号功率。单个放大器ED

26、FA在单位频率间隔内产生的放大的自发辐射噪声功率PASE:PASE=2NSP（G-1）hv式中NSP是EDFA的自发噪声系数，G是EDFA的内部增益，h是普朗克常数，是v光频率。多级联线路EDFA自发辐射噪声积累的数学模型如图6所示，总的自发辐射噪声功率P：P=PN + （PN-1LN-1GN）+P2L2G3LN-1GN）+（P1L1G2LN-1GN）式中PN、PN-1、P2、P1为各级EDFA产生的自发辐射噪声功率，LN为第N中继段光纤衰耗，GN为第N级EDFA的增益。放大器的外部噪声系数NF：NF=10Log2NSP-(2NSP-1)/G+IN式中IN是EDFA输入衰耗（以dB为单位）。假

27、设中继段内所有EDFA的特性及衰耗相同，累积的ASE功率相等，且G1，G=L，则：OSNR=POUT-L-NF-10LogN-10Loghvv0式中POUT是每信道输出功率（以dB为单位），L是放大器间的衰耗（以dB为单位），NF是外部噪声系数（以dB为单位），N是链路间隔数，v0是光带宽。噪声ASE随EDFA的增益幅度以指数形式积累，ASE积累对系统的接收信号SNR的影响主要与差拍噪声有关。这种差拍噪声随EDFA数目的增加而线性增加，即使在每个光放大器处使用窄带滤波器，自发辐射放大噪声也会积累起来，这是因为噪声存在于包含着信号的频段之内的缘故。4.3.3 减少噪声提高OSNR的方法(1) 选

28、用噪声指数小的EDFA采用独特的色散管理技术和信噪比处理技术，选用噪声指数小的EDFA功率放大器，使得DWDM系统在长途传输后，光信噪比依然满足要求。(2) 自滤波方法ASE 噪声积累可能因光放大器间隔的缩小而减小（当保持总增益等于总传输通道损耗时），因为ASE是随放大器增益幅度的增大而以指数形式积累的。对于装设几十或更多个光放大器的系统，可采用 ASE 噪声滤波器或利用自滤波效应。这种方法是把信号波长调整到自滤波波长上，从而使检测器接收到的 ASE 噪声减小，如同使用窄带滤波器一样。当采取缩短光放大器间隔和低增益光放大器的手段来减小初始 ASE 噪声时，这是最有效的。 (3) ASE滤波法对

29、于装有很少几个光放大器的系统，自滤波法不如ASE滤波法有效。ASE滤波法可灵活地选择信号波长，并具有其它的优点。但必须谨慎地选择滤波器的特性，因为除矩形频带外，级联滤波器的通带比信号滤波器的通带窄。对于全光 DWDM 闭合环路网，则不适合采用自滤波方法。因为在光放大器整个增益频谱中形成的峰值可能对系统性能造成严重影响，在这种情况下，采用ASE滤波法可最大限度减小ASE噪声的积累。这是通过对未送往网络节点的DWDM信道在倒换出节点之前进行滤波的手段达到的。4.4 光纤非线性效应对DWDM系统的影响4.4.1 光纤非线性效应光纤的非线性效应是受激布里渊散射、受激拉曼散射、自相位调制、交叉相位调制和

30、四波混频，主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等因素密切相关，光功率密度越大、信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重。色散与各种非线性效应之间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零而显著增加。在DWDM中，四波混频是最棘手的。四波混频是光纤折射率的内在非线性导致的。不同的DWDM信道中非线性的相互作用造成了导致通道间干涉的边频的出现。3个频率相互作用产生了第四个频率，结果会导致串扰和信噪比的降低。4.4.2 光纤非线性效应对DWDM系统的影响DWDM系统采用EDFA后，光功率增大，光纤在一定条件下将呈现出非线性效应，极大地限制了系统的传输距离和传输质量。四波混频限制了DWDM系统的信道容量

31、，它不能通过滤波片或其他光学和电学的手段消除，它会随着光纤长度的增加而增加。4.4.3 减少光纤非线性影响的方法随着DWDM技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越大，从而使光纤的非线性效应对DWDM传输系统性能的影响也越来越严重。克服非线性效应的主要方法有改进光纤的性能，采用G6.55光纤,增大G6.55光纤有效面积传光，以减小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应；减小光纤的色散斜率，以扩大DWDM系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高; 限制注入光纤总光功率、使用外调制技术等。5 结束语DWDM已成为光纤通信的重要基础，发展十分迅速，而且应用极其广泛。本文对DWDM系统的基本概念、优越性、组网方式进行了讨论，进而讨论了影响DWDM系统的主要因素及减小影响的方法。参考文献：1 孙学军，张述军.DWDM系统原理与测试M.人民邮电出版社,20002 刘增基，周洋溢，胡辽林. 光纤通信M.西安电子科技大学出版社，20013 周卫东，罗国民，朱勇.现代传输与交换技术M.国防工业出版社，20034 金明晔, DWDM技术原理与应用 M.电子工业出版社，20047